Valenssikuoren (VEPR) elektroniparien hylkimisteoria on yksi kemian lähestymistavoista, joka on välttämätön molekyylien geometrian selittämiseksi ja ennustamiseksi . Tämän teorian mukaan molekyyli saa aina sellaisen muodon, jossa ulompien elektroniparien hylkäys on minimaalinen ( minimienergian periaate ).
Vuonna 1940 N. Sidgwick ja G. Powell ehdottivat elektroniparin repulsion mallia , jonka myöhemmin (1957) kehittivät R. Gillespie ja R. Nyholm . Tämän lähestymistavan pääideat, joita voidaan soveltaa vain intransitiivisten elementtien yhdisteisiin , ovat seuraavat:
Jos elektroniparien vastavuoroisten hylkimisvoimien luonteella olisi puhtaasti sähköstaattinen luonne, määrittäisivät nämä voimat suhteella ( ), jossa . Sähköstaattisen vuorovaikutuksen lisäksi elektroniparit eri paikallisissa molekyylikiertoradoissa (LMO) kokevat kuitenkin Paulin periaatteesta johtuvaa hylkimistä , joten voimien lausekkeessa missä on pilvien "painokeskipisteiden" välinen etäisyys. LMO-elektroniparit, . Ongelmana on löytää elektroniparien pilvien keskusten sijainti, jotka hylätään kaikkien parien yhtäläisten arvojen mukaisesti, on sama kuin useiden hiukkasten sijoittaminen pallon pinnalle niiden suurimmalla etäisyydellä toisistaan. . Tämä ongelma ratkaistaan tiukasti hiukkasten lukumäärälle 2 - 12 ja antaa seuraavan tuloksen:
Taulukko 1. Keskusatomin A sidoskonfiguraatio sen valenssikiertoradalla olevien elektroniparien q lukumäärästä riippuen.
q | Kokoonpano |
---|---|
2 | Lineaarinen |
3 | Tasasivuinen kolmio |
neljä | Tetrahedron |
5 | Trigonaalinen bipyramidi |
6 | Oktaedri |
7 | Oktaedri lisäpisteellä |
kahdeksan | Neliönmuotoinen antiprisma |
9 | Kolmioprisma kolmella lisäpisteellä |
kymmenen | Neliön muotoinen antiprisma kahdella lisäpisteellä |
yksitoista | Ikosaedri ilman yhtä kärkeä |
12 | ikosaedri |
Taulukossa 1 luku q sisältää elektroniparit sekä sitoutuvilla LMO:illa että ei-sitoutuvilla eli jakamattomilla elektronipareilla. Gillespie otti käyttöön merkinnän X sitoutuville elektronipareille ja E. Nämä merkinnät huomioon ottaen AX n E m -tyyppisten molekyylien geometrinen konfiguraatio voidaan esittää seuraavasti . Kuten taulukon 2 tiedoista voidaan nähdä (joitakin esimerkkejä on annettu), EPVO-teorian puitteissa ei-siirtymäelementtien muodostamien molekyylien keskusatomin sidosten topologian määrittämiseksi tarvitsee vain laskea elektroniparien lukumäärä sitoutuvilla ja ei-sidovilla kiertoradalla ja sijoittaa ne vastaavan monitahoisen akseleille.
Taulukko 2-3. AX n E m -tyyppisten molekyylien rakenteen geometria ilman monisidoksia.
Elektroniparien kokonaismäärä . |
Geometria | |||
---|---|---|---|---|
0 yksinäistä elektroniparia | 1 yksittäinen elektronipari | 2 yksinäistä elektroniparia | 3 yksinäistä elektroniparia | |
2 | Lineaarinen |
|||
3 | Tasasivuinen kolmio |
vääristynyt |
||
neljä | Tetrahedron |
trigonaalinen pyramidi |
vääristynyt |
|
5 | Trigonaalinen bipyramidi |
Disfenoidi |
T-muotoinen |
Lineaarinen |
6 | Oktaedri |
neliön muotoinen pyramidi |
tasainen neliö |
|
7 | Viisikulmainen bipyramidi |
Viisikulmainen pyramidi |
Pentagon |
Molekyylityyppi | Kokoonpano | Elektroniparien järjestys † | Geometria ‡ | Esimerkkejä |
---|---|---|---|---|
AX 1 E 0 | kaksiatominen | HF , O2_ _ | ||
AX2E0 _ _ _ | Lineaarinen | BeCl 2 , HgCl 2 , CO 2 | ||
AX 2 E 1 | vääristynyt | NO 2 - , SO 2 , O 3 | ||
AX 2 E 2 | vääristynyt | H 2 O , OF 2 | ||
AX 2 E 3 | Lineaarinen | XeF2 , I3- _ _ | ||
AX 3 E 0 | Tasasivuinen kolmio | BF 3 , CO 3 2− , NO 3 − , SO 3 | ||
AX 3 E 1 | trigonaalinen pyramidi | NH3 , PCl3__ _ _ | ||
AX 3 E 2 | T-muotoinen | ClF3 , BrF3 _ _ | ||
AX 4 E 0 | Tetrahedron | CH 4 , PO 4 3- , SO 4 2- , ClO 4- _ | ||
AX 4 E 1 | Disfenoidi ("Swing") | SF4_ _ | ||
AX 4 E 2 | Taso-neliögeometria | XEF 4 | ||
AX 5 E 0 | Trigonaalinen bipyramidi | PCl 5 | ||
AX 5 E 1 | neliön muotoinen pyramidi | ClF5 , BrF5 _ _ | ||
AX 5 E 2 | Pentagon | XEF 5 - _ | ||
AX 6E 0 _ | Oktaedri | SF6_ _ | ||
AX 6E 1 _ | Viisikulmainen pyramidi | XeOF 5 - , IOF 5 2- | ||
AX 7 E 0 | Viisikulmainen bipyramidi | JOS 7 |
† Elektroniparien järjestely, mukaan lukien vapaat (merkitty keltaisella)
‡ Geometria (ilman vapaita elektronipareja)
σ-orbitaalien ja sitoutumattomien orbitaalien elektroniparien kokonaismäärä |
σ-sidosten lukumäärä | Yksinäisten parien lukumäärä | Linkin määritys | Esimerkkejä |
---|---|---|---|---|
2 | 2 | 0 | Lineaarinen | , |
3 | 3 2 |
0 yksi |
kolmion muotoinen kulma |
, |
neljä | neljä 3 2 |
0 yksi 2 |
tetraedrinen Pyramidin muotoinen kulma |
, |
5 | 5 neljä |
0 yksi |
Trigonaalinen bipyramidi Bisfenoidi |
|
6 | 6 | 0 | Octahedral |
Molekyyli | Kulma, asteet | Molekyyli | Kulma, asteet | ||
---|---|---|---|---|---|
XCX | CXO | XCX | XCC | ||
F2CO _ _ | 108,0 | 126 | H 2 CH \u003d CH 2 | 116.8 | 122 |
CH 3 COF | 110 | 128; 122 | H2C = CHF | 115.4 | 123,3; 120.9 |
Cl2CO _ _ | 111.3 | 124.3 | H2C = CF2 _ | 109.3 | 125.3 |
H2CO _ _ | 115.8 | 122.1 | H 2 C \u003d CCl 2 | 114 | 123 |
( NH2 ) 2CO _ | 118 | 121 | F2C = CH2 _ | 110 | 125 |
( NH2 ) 2CS _ | 116 | 122 | F2C = CFCl | 114 | 123 |
Molekyyli | XSX | XSO | Molekyyli | XPX | XPO |
F 2 SO | 92.8 | 106.8 | POF 3 | 101.3 | 113 |
Br2SO _ _ | 96 | 108 | POCl 3 | 103.3 | 112 |
( CH3 ) 2SO _ | 100 | 107 | POBr 3 | 108 | 110 |
( C6H5 ) 2SO _ _ _ | 97.3 | 106.2 | PSF 3 | 100.3 | 113.8 |
Kuten kaikki yhteen tai toiseen malliin perustuva likimääräinen teoria, EPVO-teoria kohtaa useita vaikeuksia, jotka ovat ennalta määrätty taustalla olevan mallin puutteista. Tarkastellaanpa joitain niistä.
1 Kuten edellisissä osioissa todettiin, teoria soveltuu vain ei-siirtymäalkuaineiden molekyylirakenteen kuvaamiseen, toisin sanoen elementteihin, joilla ei ole epätäydellisesti täytettyjä sisäisiä elektronikuoria. Tosiasia on, että tällaisten kuorien, esimerkiksi d -elektronien, läsnäolo siirtymäelementtien atomeissa johtaa poikkeamiin ydinelektronien jakautumisen pallosymmetriasta. Tämä puolestaan johtaa siihen, että elektroniparien pilvien jakautuminen avaruudessa suhteessa keskusatomiin ei tarkalleen noudata suhdetta (1). Nämä poikkeamat ovat erityisen havaittavissa , kun siirtymäelementtien d - kuorissa on huomattava määrä (6-9) elektroneja .
2 D -orbitaalien osallistuminen alempien jaksojen elementtien muodostamiin sidoksiin johtaa myös poikkeamiin EPVO-teorian käsitteiden perusteella odotetusta geometriasta. Hyvin tunnettu esimerkki on maa-alkalihalogenidimolekyylien kulmavääristymä. Nämä poikkeamat on kuvattu taulukossa. 6.
Taulukko 6. Sidoskonfiguraatio maa-alkalimetallihalogenidimolekyyleissä MX 2 (l-lineaarinen, y-kulmakonfiguraatio)
F | Cl | Br | minä | |
---|---|---|---|---|
Olla | l | l | l | l |
mg | klo | l | l | l |
Ca | klo | l | l | l |
Sr | klo | klo | l | l |
Ba | klo | klo | klo | klo |
Syyt näihin poikkeamiin johtuvat muutoksista keskusatomin kiertoradoissa, jotka muodostavat sidoksia halogeeneihin, siirtyminen sp -tyypistä sd -tyyppiin alkuaineen atominumerona ja ligandin elektronegatiivisuuden kasvu. . EPVO-teoria, toisin kuin LMO-käsitteet ja AO-hybridisaatioteoria, ei ota suoraan huomioon elektroniparin kiertoradan tyyppiä, mikä ei salli yksittäisten hienovaraisten erojen huomioimista.
3 Tyypin AX 6 E yhdisteissä ja muissa yhdisteissä, joissa keskusatomin koordinaatioluku on korkea , jakamaton elektronipari on stereokemiallisesti inertti ja rakenne vastaa konfiguraatiota, joka saadaan ottamatta huomioon elektroniparia E. Siten anionit SbCl 6 3- , TeCl 6 2- on oktaedrinen rakenne, vaikka ne, kuten ksenonheksafluoridi XeF 6 , sisältävät seitsemän elektroniparia valenssikuoressa. XeF 6 :lla on kuitenkin EPVO-teorian mukaisesti epäsäännöllisen oktaedrin rakenne (taulukko 3), kun taas näissä anioneissa kaikki sidokset ovat ekvivalentteja. Toinen esimerkki on Сs 2 [ XeF 8 ] 2- Tämän suolan anionilla, jossa keskusatomia ympäröi yhdeksän elektroniparia, on teorian odotusten vastaisesti neliömäisen antiprisman rakenne. Syynä havaittuihin poikkeamiin on se, että yksi valenssielektronipareista, nimittäin ns 2 , on erittäin paikallistunut ja eroaa ominaisuuksiltaan jyrkästi muiden elektroniparien ominaisuuksista.
4 Merkittäviä eroja EPTR-teorian ennusteiden kanssa havaitaan yhdisteillä, joissa on erittäin polaarisia sidoksia lähellä ionityyppiä. Siten Li20 - molekyylillä , joka kuuluu tyyppiin AX2E2 , on pikemminkin lineaarinen kuin kulmikas muoto. Jälkimmäinen on ymmärrettävää sähköstaattisten näkökohtien perusteella, jos edustamme Li 2 O:ta ionirakenteena Li + 0 2- Li + .
5 Substituenttien X ominaisuuksia ei varsinaisesti oteta huomioon HEPA-teoriassa. Ioniyhdisteiden väärien ennusteiden lisäksi tämä johtaa epätarkkoihin ennusteisiin yhdisteille, joissa X on π - konjugoitu järjestelmä. Siten tyypin C (CN) 3 - , C (NO 2 ) 3 - anioneilla AX 3 E ei ole odotettua pyramidin muotoista, vaan litteää muotoa, koska jälkimmäinen tarjoaa parhaat olosuhteet anionin sisällyttämiselle. yksinäinen elektronipari yhteisessä π -järjestelmässä. Huomatuista puutteista huolimatta EPTR-teorian käsitteet ovat erittäin hyödyllisiä ja oikein käytettynä riittävän luotettavia selittämään ja ennustamaan ei-siirtymäelementtien muodostamien molekyylien ja ionien rakenteellisia ominaisuuksia monissa eri valenssitiloissa. EPVO-teoria voi toimia esimerkkinä yksinkertaisesta ja tehokkaasta teoreettisesta konseptista, jonka avulla voidaan ennustaa molekyylirakenteen tärkeimmät yksityiskohdat ilman työlästä laskelmia.
Elektroniparien hylkimisteoriassa tiedolla elektroniparien tilavuudesta on suuri merkitys. Likimääräinen arvio elektroniparien tilavuudesta tehdään kovien pallojen mallilla [1] . Tämän mallin mukaan kovalenttisen sidoksen pituus d on yhtä suuri kuin kahden atomiytimen säteiden ja sidoselektroniparin halkaisijan summa:
d = r A - ydin + r B - ydin + 2r e ,
Missä r e on sidoselektroniparin (riisi) säde
Homonukleaariselle diatomiselle molekyylille atomin kovalenttinen säde on rcov = ½ d, joten seuraava suhde pätee [1] :
r kov = r luuranko + r e tai r e = r kov - r luuranko
Tästä suhteesta on tapana laskea useimpien alkuaineiden elektroniparien säteet käyttämällä kovalenttisten säteiden ja ionisäteiden arvoja , jotka vastaavat atomiytimien kokoa. [yksi]