Amoniak i woda – dwa wredne przykłady

Chemia ogólna, Wiązania chemiczne

1. Budowa cząsteczki, a ułożenie elektronów

Wszystkie przykłady, które dotychczas omówiliśmy (VSEPR – prosta metoda do oceny budowy cząsteczek) pomijały sytuację, w której atom centralny również ma wolną parę czy też pary elektronowe. Jak wówczas postępować?

Bardzo podobnie, para elektronowa również stanowi ,,grupę elektronową” , która bierze udział we wzajemnym odpychaniu się elektronów.

Należy jednak zaznaczyć ważną kwestię − uwzględniając rozmieszczenie (wzajemne odpychanie) elektronów mówimy o tak zwanej konfiguracji elektronów, natomiast opisując budowę cząsteczki mamy na myśli jej kształt (geometrię). We wszystkich przypadkach, które omówiliśmy dotychczas konfiguracja elektronowa była taka sama jak kształt cząsteczki, teraz jednak będzie inaczej.

2. Czy z trzech punktów narysujesz kwadrat ?

Przeprowadźmy matematyczny eksperyment. Narysuj na kartce, w dowolnym miejscu trzy punkty, trzy kropki. Czy da się jakoś je połączyć liniami, aby wyszedł Ci kwadrat ?

No nie ma opcji, żeby z trzech punktów zrobić kwadrat. Ilość punktów determinuje jaki kształt, jaką figurę czy tam bryłę stworzymy.

I teraz zamieniamy kropki na atomy. Jeśli do atomu centralnego podłączone są tylko trzy albo dwa podstawniki, to nie możesz ułożyć tetraedru, który ma aż cztery wierzchołki!

Czyli już wiemy, że ani amoniak, ani woda nie będą miały kształtu tetraedru (budowy tetraedrycznej). A czemu w ogóle można by tak sądzić? Bo akurat okazuje się, że jest to jedno z najczęstszych, błędnych przekonań maturzystów! Wszystko przez przeklętą hybrydyzację, która wyrabia w Was automatyczne nawyki.

3. Uważaj – to, że ustalisz hybrydyzację, to nie znaczy, że od razu znasz budowę cząsteczki

Wyryte w Waszych głowach, niczym tabliczka mnożenia, jest to, że jeśli hybrydyzacja jest sp³ , to mamy budowę tetraedryczną. Poniżej w tabeli zobaczymy trzy cząsteczki, a dla każdej z nich mamy hybrydyzację sp³ atomu centralnego. Co z ich budową, czy jest taka sama?

Cząsteczka	CH₄	NH₃	H₂O
Hybrydyzacja atomu centralnego	sp³	sp³	sp³
Budowa	tetraedr	piramida trygonalna	kątowa

Trzy różne cząsteczki o różnej budowie, a takiej samej hybrydyzacji. Nie możesz automatycznie określać budowy na podstawie samej tylko hybrydyzacji.

Zacznijmy od amoniaku (NH₃) , w którym mamy trzy wiązania oraz jedną wolną parę elektronową na atomie azotu. Łącznie zatem są cztery grupy elektronowe, co jak już wiemy, pozwala nam przewidywać tetraedryczne ułożenie tych grup i tak faktycznie jest.

Sama cząsteczka ma jednak budowę piramidy trygonalnej. To jest taka sama piramida jak ta w Egipcie, różnica jest tylko taka, że w podstawie nie ma kwadratu, tylko trójkąt (stąd nazwa trygonalna). Jest to logiczne − aby ułożyć tetraedr potrzebujesz czterech wierzchołków (podstawników), a dysponujesz tylko trzema.

Jeśli oceniamy kształt (budowę) cząsteczki, to patrzymy ile atomów (podstawników) jest przyłączonych do atomu centralnego. Na budowę wpływają też wolne pary elektronowe, bo powodują dodatkowe odpychanie.

Budowa amoniaku. Elektrony układają się w kształt tetraedru, ale same atomy są rozłożone w piramidzie trygonalnej.

Zwraca uwagę jeden fakt − gdyby rozmieszczenie elektronów było idealnie tetraedryczne, to kąt powinien wynosić 109,5° , a wynosi 107° , mówimy zatem o deformacji (zniekształceniu), czyli odchyleniu tej wartości od spodziewanej. Wynika z tego, że w takim razie wolna para elektronowa zajmuje więcej miejsca i bardziej się rozpychając, przybliża do siebie nieco atomy wodoru (można powiedzieć, że na nie naciska, zmniejszając kąt HーNーH).

Na szczęście da się to wytłumaczyć^[1].

Cztery grupy elektronowe (w postaci wiązań i wolnych par elektronowych) dają tetraedr, ale dla amoniaku czy wody jest on nieco zniekształcony. Pamiętaj, że teraz mówimy o rozmieszczeniu elektronów, więc dlatego mówimy tetraedr, bo jeśli chodzi o budowę samych cząsteczek, to patrzymy tylko na atomy, a nie na elektrony.

Na powyższym rysunku pojawia się jeszcze cząsteczka wody, właściwie najważniejsza cząsteczka na świecie, a zatem jak się można domyślać, znajomość jej budowy jest równie istotna.

W jej przypadku atom centralny, tlen, ma aż dwie wolne pary elektronowe i nie dziwi nas, że idealny kąt tetraedru zmalał do wartości 104,5°. Kształt takiej cząsteczki opisujemy jako : cząsteczką o budowie kątowej. Cząsteczka wody (H₂O) ma budowę kątową (inaczej : ,zgiętą” lub jeszcze inaczej V−kształtną, czyli w kształcie litery V), natomiast jej konfiguracja elektronowa jest tetraedryczna. Widzisz zatem różnicę?

Nasze rozważania można odnieść do całej gamy różnych cząsteczek, jednak nie będziemy już tego robić, bo wykracza to poza maturalne ramy. Opierając się na powyższym opracowaniu powinieneś być w stanie ocenić budowę dowolnej cząsteczki. Podsumujmy jeszcze różnego rodzaju oddziaływania :

wolna para − wolna para > wolna para − para wiążąca (wiązanie) > para wiążąca − para wiążąca

Oznacza to po prostu, że wolna para elektronowa zajmuje najwięcej miejsca i będzie się najmocniej ,,rozpychać” . Potrzebuje ona zatem najwięcej miejsca, co ma znaczenie przy ocenie, który kąt w cząsteczce jest największy.

Wiążąca vs niewiążaca para elektronowa, a wpływ na ,,rozpychanie się” , czyli budowę cząsteczki.

^[1] Dwa elektrony, które tworzą wiązanie są ulokowane w jednym miejscu i zajmują mniej miejsca niż WOLNA para elektronowa. Jak pamiętamy z budowy atomu, elektrony są opisane przez orbital atomowy, który jest przestrzenią, w której elektrony mogą się znaleźć − zajmują one zatem więcej miejsca niż te, które stanowią wiązanie (w uproszczeniu można powiedzieć, że są zlokalizowane w jednym miejscu).

Można też spojrzeć nieco inaczej − grupa elektronowa z wiązania chemicznego jest jednocześnie przyciągana przez dwa dodatnie jądra atomów, natomiast wolna para elektronowa jest przyciągana tylko przez jedno jądro, zatem ma więcej swobody i zajmuje więcej miejsca.