1. Budowa cząsteczki to ważny element, który ją opisuje
Budowa cząsteczki wpływa na wiele jej właściwości. To, jak dana cząsteczka (np. lek) jest ułożona w przestrzeni może wpływać na jej właściwości fizyczne, chemiczne, a także na działanie biologiczne[1].
Najbardziej klasycznym przykładem jest lek o nazwie talidomid, który występuje w postaci dwóch różnych ,,wersji przestrzennych” – jedna z nich była lekiem, a druga trucizną, która powodowała ciężkie wady płodów u przyjmujących ten lek kobiet w ciąży. (to tak w skrócie). To tylko jeden przykład, jednak jedno jest pewne – to temat bardzo ważny dla chemików!
2. Co to jest VSEPR
VSEPR (luźne tłumaczenie : teoria odpychania par elektronowych) jest prostą teorią, która korzysta z faktu, że elektrony (w każdej postaci tj. wolnych par elektronowych, wiązań pojedynczych i wielokrotnych, a nawet pojedynczych elektronów) odpychają się od siebie, ze względu na swój jednoimienny (taki sam) ładunek.
Od razu nasuwa się tutaj pierwsze ograniczenie tej teorii[2] − przecież elektrony są przyciągane przez dodatnio naładowane jądro (inaczej cząsteczka by się przecież rozpadła!), jednak VSEPR skupia się głównie na odpychaniu. I faktycznie, VSEPR nie jest teorią idealną, jednak na razie w zupełności nam wystarczającą.
W jednym prostym zdaniu, teoria VSEPR opiera się na tym, że wzajemne odpychające oddziaływania pomiędzy grupami elektronów, które znajdują się na zewnątrz centralnego atomu determinują kształt (budowę) cząsteczki. Logicznym jest, że elektrony te będą chciały znaleźć się jak najdalej od siebie, dzięki czemu wiemy, w jaki sposób ustawiać atomy wokół atomu centralnego − mają być możliwie najdalej od siebie.
Podobnie zachowujemy się wchodząc do autobusu, szukając wolnych miejsc siedzących, jak najdalej od innych osób. A w autobusie poznaliśmy już jedną z mnemotechnik, czyli regułę Hunda!
Poniżej mamy przykład cząsteczki, w której atom centralny zaznaczono na niebiesko, a na szaro zaznaczono atomy, z którymi atom centralny tworzy łącznie trzy wiązania. Pierwszy rysunek przedstawia klasyczny obraz takiej cząsteczki, drugi obraz zamiast kresek przedstawiających wiązanie pokazuje pary elektronowe. Na trzecim rysunku natomiast pokazano, na czym bazuje teoria VSEPR − elektrony te się odpychają i w ten sposób szare atomy znajdują się w możliwie jak najdalszej odległości od siebie.
W takim razie, możemy wywnioskować, że geometria (budowa) cząsteczki będzie zależała od liczby wiązań (liczby atomów, która otacza atom centralny), a także od liczby wolnych par elektronowych na atomie centralnym, co niedługo zobaczymy na przykładach.
Zaczniemy od przykładów, w których atom centralny nie posiada wolnych par elektronowych i prześledzimy, jakie kształty przyjmują cząsteczki w zależności od liczby atomów (podstawników), które są związane z atomem centralnym.
3. Czym są grupy elektronowe ?
Każdy elektron będzie się ze sobą odpychał. Elektrony jednak najczęściej występują już w parach, na przykład w wolnej parze elektronowej lub wiązaniu chemicznym. Pamiętamy, że każde wiązanie to dwa elektrony. Dlatego nie będziemy liczyć wszystkich elektronów, a jedynie grupy elektronów, które będą się ze sobą odpychać.
Liczenie grup elektronowych to coś na wzór liczby przestrzennej (Lp), o której mogłeś słyszeć. Liczba przestrzenna określa właśnie ile mamy grup elektronowych, które się będą od siebie odpychać. Jest to kluczowe do ustalenia budowy cząsteczki, bo wtedy wiemy jak daleko możemy je od siebie rozsadzić. Przeanalizujemy teraz trzy najprostrze przypadki.
4. Dwie grupy elektronowe
Dwie grupy elektronowe w postaci dwóch wiązań spotkamy np. w cząsteczce chlorku berylu BeCl2
Cząsteczki mające tylko dwa pojedyncze wiązania są bardzo rzadkie, ponieważ często atom centralny nie spełnia reguły oktetu. Jednakże, taka sama budowa jest spotykana dla wszystkich cząsteczek, które mają dwie grupy elektronowe, jak np. cząsteczka dwutlenku węgla CO2 :
5. Trzy grupy elektronowe
Trzy grupy elektronowe w postaci trzech wiązań spotkamy np. w cząsteczce fluorku boru BF3 .
Dodatkowy komentarz − inną nazwą, synonimem do budowy trygonalnej jest budowa płaska trójkątna. Zwróćmy uwagę na słowo ,,płaska” − oznacza to, że taka cząsteczka jest dwuwymiarowa i bez problemu narysujemy ją na kartce papieru. Podobnie było przed chwilą z cząsteczką BeCl2 o budowie liniowej, która również była płaska. W następnym przykładzie poznamy cząsteczkę trójwymiarową.
Analogicznie jak wcześniej, przeanalizujemy też cząsteczkę, w której będzie obecne również wiązanie wielokrotne. W cząsteczce organicznej o nazwie formaldehyd (CH2O), którą przedstawiono poniżej, mamy jedno wiązanie podwójne. Jest jednak jeszcze jedna, bardzo ważna różnica.
W formaldehydzie do atomu centralnego − węgla, są przyłączone różne atomy, mamy bowiem dwa atomy wodoru oraz jeden atom tlenu. Atom tlenu jest większy oraz posiada wolne pary elektronowe (w przeciwieństwie do atomów wodoru), a zatem zajmuje więcej miejsca. To powoduje, że kąty w cząsteczce nie są równe i nie wynoszą już po 120 stopni.
Oczywiście nie chodzi o to, aby nauczyć się wartości kątów dla wszystkich cząsteczek świata − musisz znać tylko kąty idealne (czyli tutaj 120°) oraz przewidzieć czy dany kąt będzie mniejszy czy większy niż taki kąt ,,idealny”.
Zanim przejdziemy do kolejnego punktu zatrzymamy się na moment, ponieważ musimy wprowadzić narzędzia do rysowania, które umożliwią nam przedstawianie cząsteczek trójwymiarowych na zwykłej kartce papieru.
6. Cztery grupy elektronowe
I na koniec cztery grupy elektronowe w postaci czterech wiązań, co spotkamy w klasycznej cząsteczce metanu CH4 .
Myślę, że na tym etapie zdążyłeś już wyłapać zasadę, w jaki sposób maksymalnie odseparować (rozdzielić) od siebie atomy. Wystarczy 360 stopni podzielić przez liczbę atomów (precyzyjniej : liczbę grup elektronowych) znajdujących się wokół atomu centralnego. W przypadku czterech grup elektronowych moglibyśmy się zatem spodziewać kwadratu, z kątami 90 stopni (360 : 4 = 90). Da się jednak to zrobić lepiej, jeśli uwzględnimy wszystkie trzy wymiary (świat jest przecież w 3D, a nie 2D).
Wówczas atomy można poukładać w narożach bryły geometrycznej, która nazywa się tetraedrem czy też bardziej matematycznie : czworościanem foremnym. Dzięki temu, kąt ten wzrośnie z 90 stopni do około 109,5° (dokładna wartość 109,28°) na czym każdy zyskuje, ponieważ atomy/elektrony są jeszcze dalej od siebie.
Tetraedryczną budowę cząsteczki dość trudno jest narysować i wyobrazić − dlatego zdecydowanie polecam samodzielnie zbudowaćmodelu tetraedru z kartki papieru.
Cząsteczkę tetraedru możesz zobaczyć na przygotowanym przeze mnie modelu chemicznym w tym poście, gorąco zachęcam, żebyś przeczytał pierwszy podpunkt!
7. Czy to już wszystko ?
Absolutnie nie. Na szczęście już prawie (mówiąc tylko o maturze[3]). Zostały nam jeszcze do rozpatrzenia przypadki, w których też mamy cztery grupy elektronowe, ale nie pochodzą one tylko z wiązań, tak jak to było teraz, ale też z wolnych par elektronowych. Kontynuujemy to w następnym poście.
[1] Być może na biologii słyszałeś o czymś takim jak model klucza i zamka. To oczywiście uproszczony model, który jednak nam teraz zupełnie wystarczy. W skrócie chodzi o to, że dany enzym, ale także właśnie cząsteczka leku może pasować do białek w naszym organizmie jak klucz do zamka. Wystarczy odrobinę zmodyfikować ten klucz (czyli właśnie inaczej go ułożyć w przestrzeni) i już do zamka nie wejdzie, nie będzie pasował albo nawet przyłączy się w zupełnie inne miejsce, wywołując inne działanie. Dział chemii, który zajmuje się ułożeniem cząsteczek w przestrzeni nazywa się stereochemią.
[2] Co ciekawe, teoria VSEPR jest generalnie dość słabym modelem, który w rzeczywistości zaskakująco często daje dobrą odpowiedź (poprawnie przewidując budowę cząsteczki), ale ze złego powodu. W olimpijskiej rzeczywistości jednak dobrze się sprawdza i na razie nam wystarczy. W nowym wydaniu wrócimy jednak do dokładniejszego opisu tego ciekawego zagadnienia.
Jest jeszcze masa innych możliwości, nawet jeśli weźmiemy pod uwagę samą liczbę grup elektronowych, których liczba na maturze jest ograniczona do czterech. Poniżej dla ciekawości pokazana budowa cząsteczki, w których ta liczba wynosi sześć, a sama cząsteczka ma budowę oktaedru.
