Vegyértékelektronpár-taszítási elmélet

A vízmolekula példája a V alakú elrendeződésre. Az ábra jelöli a párosítatlan elektronokat, a kötéseket és a kötésszögeket.

A vegyértékelektronpár-taszítási elmélet (angol betűszóval VSEPR-elmélet) egy modell a kémia területén, amely segít előre jelezni az egyes molekulák geometriáját a központi atomjaikat körülvevő elektronpárok alapján.^[1] Gillespie–Nyholm-elméletnek is nevezik az elmélet két fő kidolgozója, Ronald Gillespie és Ronald Nyholm után.

Az elmélet legfontosabb tétele, hogy az adott atom körüli vegyértékelektron-pár tagjai egymás kölcsönös taszítása miatt úgy rendeződnek el, hogy minimalizálják ezt a taszító hatást. Ebből következik, hogy a molekula energiája csökken, stabilitása pedig nő, ez pedig nagyban meghatározza a molekuláris geometriát. Gillespie hangsúlyozta, hogy a molekuláris geometria meghatározásához fontosabb a Pauli-elvből adódó elektron-elektron taszítás, mint az elektrosztatikus taszítás.^[2]

Az elmélet inkább a megfigyelhető elektronsűrűségen alapul, mintsem a matematikai hullámfüggvényeken, ezért független a pályák hibridizációjától,^[3] bár ezen utóbbi elmélet fókuszában is a molekulák alakja áll.

Története

Az ötletet, hogy korreláció van a molekuláris geometria és a vegyértékelektron-párok között, eredetileg Ryutaro Tsuchida vetette fel 1939-ben, Japánban,^[4] de később, ettől függetlenül egy Bakeri Előadás során Nevil Sidgwick és Herbert Powell is a nyilvánosság elé tárta.^[5] 1957-ben Ronald Gillespie és Ronald Sydney Nyholm tovább finomította ezt a koncepciót egy részletesebb elméletté, amely már megadta a különböző alternatív geometriák közüli választás lehetőségét.^[6][7]

Az utóbbi időkben a teóriát több kritika is érte, melyek szerint a tudományos pontosság és a pedagógiai értékek szempontjából az elmélet már idejétmúltnak számít.^[8] A kritikák egyik tárgya, hogy a vízmolekula és a karbonilvegyületek egyenértékű, nemkötő elektronpárjai alapvető különbségeket hagynak figyelmen kívül a molekulapályák és az ezeknek megfelelő természetes kötőpályák szimmetriájában, mely különbségek esetenként fontosak lehetnek kémiailag. Ezen felül pedig kevés kísérleti és számításalapú bizonyíték van arra nézvést, hogy a nemkötő elektronpárok „nagyobbak” lennének a kötő párjaiknál.

Felmerült az az elgondolás is, hogy a Bent-szabály (mely egy egyszerű modell a molekuláris szerkezet leírására) alkalmas lenne a vegyértékelektronpár-taszítási elmélet kiváltására.

Mindezek ellenére a VSEPR-elmélet jól írja le az egyszerűbb molekulák alapvető strukturális és elektroneloszlási tulajdonságait, és a legtöbb helyen az egyetemi képzések során továbbra is tanítják.

AXE módszer

Az elmélet alkalmazásához az elektronokat általában az „AXE-módszer” szerint számolják. A központi atom körül az elektronpárokat az AX_nE_m képlettel jelölik, ahol A a központi atom, és mindig 1-es indexszel szerepel. X az egyes ligandumokat (az A-hoz kapcsolódó atomokat), E pedig a központi atom nemkötő elektronpárjait jelöli.^[9] Az X-ek és E-k számának összege (n + m) a sztérikus szám. Az AX₃E₂ molekulában például az A atom sztérikus száma 5.

A sztérikus szám, valamint X és E értékeinek függvényében az elmélet az alábbi táblázat szerinti térszerkezeteket jósolja. Megjegyzendő, hogy a térszerkezet neve csak az atomok, és nem az elektronok elrendeződését tükrözi – így például az AX₂E₁ V-alakja azt jelenti, hogy az AX₂ három atomja nem egy egyenesre esik.

Sztérikus szám	A molekula térszerkezete[10] 0 nemkötő pár	A molekula térszerkezete[10] 1 nemkötő pár	A molekula térszerkezete[10] 2 nemkötő pár	A molekula térszerkezete[10] 3 nemkötő pár
2	lineáris (CO2)
3	sikháromszöges (BCl3)	V alakú (SO2)
4	tetraéderes (CH4)	trigonális piramisos (NH3)	V alakú (H2O)
5	trigonális bipiramisos (PCl5)	„mérleghinta” alakú (SF4)	T alakú (ClF3)	lineáris (I−3)
6	oktaéderes (SF6)	tetragonális piramisos (BrF5)	síknégyszöges (XeF4)
7	pentagonális bipiramisos (IF7)[11]	pentagonális piramisos (XeOF−5)[12]	síkötszöges (XeF−5)[13]
8	négyzetes antiprizmás (TaF3−8)[11]
9	háromszorosan fedett trigonális prizma (ReH2−9)[14]

Molekula típusa	Térszerkezet[10]	Elektronok elrendeződése[10] (beleértve a halványsárgával jelölt nemkötő elektronpárokat is)	Elektronok elrendeződése[10] (nemkötő párok nélkül)	Példák
AX2E0	lineáris			BeCl2,[1] HgCl2,[1] CO2[11]
AX2E1	V alakú			NO−2,[1] SO2,[10] O3,[1] CCl2
AX2E2	V alakú			H2O,[10] OF2[15]
AX2E3	lineáris			XeF2,[10] I−3,[16] XeCl2
AX3E0	síkháromszöges			BF3,[10] CO2−3,[17] NO−3,[1] SO3[11]
AX3E1	trigonális piramisos			NH3,[10] PCl3[18]
AX3E2	T alakú			ClF3,[10] BrF3[19]
AX4E0	tetraéderes			CH4,[10] PO3−4, SO2−4,[11] ClO−4,[1] XeO4[20]
AX4E1	mérleghinta vagy diszfenoidos			SF4[10][21]
AX4E2	síknégyszöges			XeF4[10]
AX5E0	trigonális bipiramisos			PCl5[10]
AX5E1	tetragonális piramisos			ClF5,[22] BrF5,[10] XeOF4[11]
AX5E2	síkötszöges			XeF−5[23]
AX6E0	oktaéderes			SF6,[10] WCl6[24]
AX6E1	pentagonális piramisos			XeOF−5,[12] IOF2−5[12]
AX7E0	pentagonális bipiramisos[11]			IF7[11]
AX8E0	négyzetes antiprizmás[11]			IF−8, ZrF4−8, ReF−8
AX9E0	háromszorosan fedett trigonális prizma			ReH2−9[25]

Ha a(z A) központi atomhoz különböző (X) atom(ok) kapcsolódnak, akkor is közelítőleg a fenti térszerkezet érvényes, de a kötésszögek ilyenkor némileg eltérhetnek attól, mint amikor a kapcsolódó atomok azonosak. Például az alkének – mint a C₂H₄ – kettős kötésű szénatomja AX₃E₀ típusú, de a kötésszögek nem pontosan 120°-osak. Hasonló az AX₃E₁ szerkezetű SOCl₂ esete is: mivel az X szubsztituensek nem egyformák, az X−A−X szögek sem mind egyenlőek.

Jegyzetek

1. Jolly, W. L.. Modern Inorganic Chemistry. McGraw-Hill, 77–90. o. (1984). ISBN 978-0-07-032760-3 
2. Gillespie, R. J. (2008). „Fifty years of the VSEPR model”. Coord. Chem. Rev. 252 (12–14), 1315–1327. o. DOI:10.1016/j.ccr.2007.07.007. 
3. Gillespie, R. J. (2004), "Teaching molecular geometry with the VSEPR model", Journal of Chemical Education 81 (3): 298–304, DOI 10.1021/ed081p298
4. Tsuchida, Ryutarō (1939). „A New Simple Theory of Valency” (japanese nyelven). Nippon Kagaku Kaishi 60 (3), 245–256. o. DOI:10.1246/nikkashi1921.60.245. 
5. Sidgwick, N. V., H. M. Powell (1940). „Bakerian Lecture. Stereochemical Types and Valency Groups”. Proc. Roy. Soc. A 176 (965), 153–180. o. DOI:10.1098/rspa.1940.0084. 
6. Gillespie, R. J., R. S. Nyholm (1957). „Inorganic stereochemistry”. Q. Rev. Chem. Soc. 11 (4), 339. o. DOI:10.1039/QR9571100339. 
7. Gillespie, R. J. (1970). „The electron-pair repulsion model for molecular geometry”. Journal of Chemical Education 47 (1), 18. o. DOI:10.1021/ed047p18. 
8. Clauss, Allen D. (2014. október 8.). „Rabbit-ears hybrids, VSEPR sterics, and other orbital anachronisms” (angol nyelven). Chem. Educ. Res. Pract. 15 (4), 417–434. o. DOI:10.1039/c4rp00057a. ISSN 1756-1108. 
9. General Chemistry: Principles and Modern Applications, 8th, Prentice-Hall, 410–417. o. (2002). ISBN 978-0-13-014329-7 
10. General Chemistry: Principles and Modern Applications, 8th, Prentice-Hall, 413–414 (Table 11.1). o. (2002). ISBN 978-0-13-014329-7 
11. Miessler, G. L., D. A. Tarr. Inorganic Chemistry, 2nd, Prentice-Hall, 54–62. o. (1999). ISBN 978-0-13-841891-5 
12. (2000) „Mean amplitudes of vibration of the pentagonal pyramidal XeOF−5 and IOF2−5 anions”. J. Fluorine Chem. 101, 61–63. o. DOI:10.1016/S0022-1139(99)00194-3. 
13. Housecroft 498 o.
14. Housecroft 254 o.
15. Housecroft 448 o.
16. Housecroft 483 o.
17. Housecroft 368 o.
18. Housecroft 407 o.
19. Housecroft 481 o.
20. Housecroft 499 o.
21. Housecroft 45 o.
22. Housecroft 481 o.
23. Housecroft 498 o.
24. Housecroft 659 o.
25. Housecroft 254 o.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a VSEPR theory című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

↑ Housecroft Housecroft, C. E., A. G. Sharpe. Inorganic Chemistry, 2nd, Pearson (2005. december 7.). ISBN 978-0-130-39913-7