شکل فضایی مولکول

نکته: اگر درباره‌ی مبحث سوالی در ذهنتان ایجاد شد، به آدرس ایمیل من [e-mail] بفرستید.

یکی از مباحث آسان و شیرین در حوزه‌ی پیوندهای کووالانسی، شکل سه‌بعدی مولکول‌هاست. بسیاری از مولکول‌ها، شکل‌های قابل پیش بینی دارند که می‌توان آنها را حدس زد.

برای شکل فضایی پیوندها و مواد کووالانسی، 2 دیدگاه وجود دارد:

1- استفاده از اصول هندسی برای کاهش دافعه بین الکترون‌ها و یافتن پایدارترین شکل

2- استفاده از تئوری اوربیتال‌های هیبریدی و شکل اوربیتال‌ها

استفاده از هیبرید اوربیتال‌ها، مبحثی مفصل است و نیاز به دانستن اطلاعات بسیاری درباره‌ی ساختار اتم است. به صورت خلاصه، طبق اصل هایزنبرگ، امکان تعیین مکان و سرعت الکترون به طور همزمان ممکن نیست و فقط می‌توان به صورت احتمالی نظر داد. اوربیتال، فضایی است که الکترون 90 درصد اوقات خود را در آن می‌گذراند. اگر معادله‌ی شرودینگر را حل کنیم، هر اوربیتال شکل خاصی را می‌گیرد (مثلاً s کروی و p دمبلی در سه جهت فضا است). اگر اتمی (مانند کربن) از بیش از یک نوع اوربیتال برای پیوند دادن استفاده کند، اوربیتال‌های هیبریدی(ترکیبی) به وجود می‌آیند که دارای شکل و جهت گیری متفاوت هستند. این شکل و جهت گیری، شکل پیوندهای دور اتم و در نهایت، شکل مولکول را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

یک تئوری آسان‌تر، استفاده از دافعه‌ی الکترونی است.

برای این کار، ابتدا می‌توانیم ساختار لوویس مولکول را کشیده و به روش زیر اقدام کنیم:

ابتدا باید شکل فضایی پیوندهای دور اتم‌ها را حساب کنیم؛ برای این کار، تعداد قلمرو الکترونی آن را می‌شماریم. در تمام مولکول‌های دو اتمی (متشکل از تنها دو عدد اتم(نه صرفاً دو نوع))، شکل مولکول خطی است. مثلاً می‌توان به O2، HCl و ... اشاره کرد. دقت کنید که مثلاً H2O با اینکه دو نوع اتم دارد ولی دارای سه اتم است.

برای مولکول‌هایی که بیش از دو نوع اتم دارند، قضیه کمی متفاوت است.

ابتدا اتم مرکزی را تعیین می‌کنیم. (مثلاً در CO2، کربن اتم مرکزی است.)

سپس، به تعداد قلمروهای الکترونی اطراف اتم مرکزی توجه می‌کنیم. هر جفت الکترون ناپیوندی یک قلمرو الکترونی محسوب می‌شود. هر پیوند کووالانسی نیز، مستقل از مرتبه پیوند، یک قلمرو الکترونی است؛ یعنی مثلاً چه پیوند دوگانه باشد و چه یگانه، یک قلمرو حساب می‌شود.

مثلاً در CO2 همانگونه که از ساختار لوویسش پیداست، یک اتم کربن در وسط قرار دارد و با دو اتم اکسیژن، دو پیوند دوگانه ایجاد کرده است. در اطراف اتم کربن، دو قلمرو الکترونی وجود دارد: هیچ جفت ناپیوندی وجود ندارد ولی دارای دو پیوند است؛ هر پیوند یک قلمرو است پس در کل دو قلمرو وجود دارد.

اگر تعداد قلمرو‌های الکتروکی دور اتم مرکزی دو تا باشد، شکل مولکول خطی خواهد بود. پس CO2 ساختاری خطی دارد.

به عنوان مثال، مولکول دیگری که شکل خطی دارد، HCN است. برای تمرین، خودتان ساختار لوویس را کشیده، قلمروهای الکترونی را شمرده و توجیه کنید که چرا زاویه ایده‌آل 180 درجه و ساختار مولکول خطی است.

در حالت کلی، افزایش زاویه بین قلمروهای الکترونی باعث پایدارتر شدن شکل مولکول می‌شود. علت این امر، دافعه بین الکترون‌ها است.

پس مولکول دارای شکلی است که در آن، زوایای بین قلمروهای الکترونی، بیشترین حد ممکن باشد.

بر این اساس، برای تعداد مختلفی از قلمروهای الکترونی، اشکال مختلفی وجود دارد:

-اگر دو قلمرو وجود داشته باشد، دو قلمرو به صورت خطی و با زاویه ایده‌آل 180 درجه در اطراف اتم قرار می‌گیرند. (مثل CO2)

-اگر سه قلمرو وجود داشته باشد، سه قلمرو به صورت مثلثی مسطح و با زاویه ایده‌آل 120 درجه در اطراف اتم قرار می‌گیرند. (مثل SO3)

-اگر چهارقلمرو وجود داشته باشد، چهار قلمرو به صورت چهاروجهی و با زاویه ایده‌آل 109.5 درجه در اطراف اتم قرار می‌گیرند. (مثل CH4) برای شکل CH4، یک سه‌پایه شاخدار را در نظر بگیرید که تمام زوایا با هم برابرند.

-اگر پنج قلمرو وجود داشته باشد، پنج قلمرو به صورت دوهرمی با قاعده مثلثی با زوایای ایده‌آل 120 و 90 درجه در اطراف اتم قرار می‌گیرند. (مثل PCl5) برای شکل PCl5، دو هرم مثلثی را فرض کنید که در قاعده با هم مشترکند. در واقع، سه کلر را به صورت کمربندی در اطراف فسفر هستند و دو اتم کلر از سطح مثلث به صورت قائم به بالا و پایین رفتند. به عنوان مثالی دیگر، فرض کنید P هسته‌ی زمین باشد، دو اتم کلر قطب‌های شمال و جنوب باشند و سه کلر دیگر بر روی استوا قرار داشته باشند.

همانطور که مشخص است، ساختار 5 قلمرویی از لحاظ سه بعدی قرینه نیست و موقعیت اتم‌های کلر متفاوت است؛ به طوری که دو اتم دارای موقعیت محوری و سه اتم دارای موقعیت استوایی هستند. پیوندهای استوایی از پیوندهای محوری کوتاه‌تر و قوی‌تر هستند. جفت الکترون‌های ناپیوندی و اتم‌های بزرگ و حجیم، موقعیت استوایی را ترجیح می‌دهند ولی اتم‌هایی با الکترونگاتیوی بالا، موقعیت محوری را ترجیح می‌دهند. علت این امر، نامتقارن بودن سه بعدی شکل و کمینه شدن نیروی دافعه است. دقت داشته باشید که در رقابت برای گرفتن موقعیت استوایی بین جفت الکترون ناپیوندی و اتم حجیم، جفت الکترون ناپیوندی ارجحیت دارد و به زورش می‌چربد!

-اگر شش قلمرو وجود داشته باشد، شش قلمرو به صورت دو هرمی با قاعده مربع و با زاویه ایده‌آل 90 و 180 درجه در اطراف اتم قرار می‌گیرند. (مثل SF6) برای ساختار SF6، سه میله‌ی فرضی را در هر سه جهت فضا (طول، عرض و ارتفاع) در اتم گوگرد فرو کنید؛ سر و ته هر میله، یک اتم فلوئور وجود دارد. ساختار 6 قلمرویی ساختاری قرینه است.

-برای 7 قلمرو، ساختار دو هرمی با قاعده پنج ضلعی (همانند 5 قلمرو، نامتقارن است)، برای 8 قلمرو، ساختار ضد منشور مربعی و برای 9 قلمرو، ساختار منشور سه ضلعی سه کلاهکی است.

تا الآن، ساختارها را بدون در نظر گرفتن جفت ناپیوندی در نظر گرفتیم و مثال‌هایی را بررسی کردیم که در مرکزی آنها جفت الکترون ناپیوندی نداشته باشند.

حال، بیاییم برای هر ساختار دانه دانه اتم‌های کناری را برداشته و به جای آنها جفت الکترون ناپیوندی بگذاریم و سپس شکل مولکول را بررسی کنیم.

در اینجا باید دقت داشت که برای بیان شکل مولکول، باید فقط اتم‌ها را در نظر بگیریم و جفت الکترون‌های ناپیوندی را با اینکه بر شکل بسیار موثر اند، در بیان شکل فضایی در نظر نمی‌گیریم. به بیانی دیگر:

-شکل فضایی: فقط جهت گیری اتم‌ها را در نظر می گیریم.

-آرایش فضایی: علاوه بر جهت گیری اتم‌ها، جهت گیری جفت الکترون‌های ناپیوندی را نیز در نظر می‌گیریم.

تمام مباحث گفته شده (درباره‌ی دو قلمرویی، سه قلمرویی و...) مربوط به آرایش فضایی بودند و شکل فضایی علاوه بر تعداد کل قلمرو‌ها، به تعداد جفت الکترون‌های ناپیوندی نیز وابسته است.

برای بیان و رسم بهتر، اتم مرکزی را A، اتم‌های کناری را B، و هر جفت الکترون ناپیوندی را E در نظر می‌گیریم. بر این اساس، تا کنون ساختار AB9، AB8، AB7، AB6، AB5، AB4، AB3، AB2 را بررسی کردیم که به ترتیب خطی، مثلثی مسطح، چهاروجهی، دو هرمی با قاعده مثلث، دو هرمی با قاعده مربع، دو هرمی با قاعده پنج ضلعی، ضد منشور مربعی و منشور سه ضلعی سه کلاهکی بودند. حال می‌خواهیم E را نیز اضافه کنیم:

قبل از هر چیز، باید بدانید که نیروی دافعه بین الکترون‌های ناپیوندی بیشتر از الکترون‌های پیوندی است؛ در واقع، ترتیب نیروی دافعه از زیاد به کم این گونه است: بین ناپیوندی و ناپیوندی - بین ناپیوندی و پیوندی - بین پیوندی و پیوندی. همچنین، هر چه دافعه بیشتر باشد، زاویه باز تر خواهد بود.

حالا می‌توان به سراغ حالات مختلف رفت:

-برای AB2E: آرایش فضایی مانند AB3 (مثلثی مسطح) است اما شکل فضایی، خمیده است و زاویه بین دو پیوند، از 120 درجه کمتر است. (به دلیل دافعه بیشتر جفت الکترون ناپیوندی) مثل SO2.

-برای AB3E: آرایش فضایی مانند AB4 (چهاروجهی) است اما شکل فضایی، هرم با قاعده مثلثی است. (راس هرم، اتم مرکزی قرار دارد) زوایا نیز از 109.5 درجه کمتر اند. مثل NH3.

-برای AB2E2: آرایش فضایی چهاروجهی و مانند AB4 است ولی شکل فضایی، خمیده است. زوایا نیز از 109.5 درجه و همچنین  از زوایای ساختار AB3E کمتر اند. مثل H2O.

-برای AB4E: آرایش فضایی مانند AB5 (دو هرم با قاعده مثلثی) است اما شکل فضایی، الاکلنگی است. (دو هرم با قاعده مثلثی را فرض کنید که یک اتم در موقعیت استوایی را برداشته و به جای آن، جفت الکترون ناپیوندی قرار دهیم) زوایا از 120 و 90 درجه  کمتر اند. مثل SF4.

-برای AB3E2: آرایش فضایی دو هرمی با قاعده مثلثی و مانند AB5 است ولی شکل فضایی، T شکل است. (دو اتم در موقعیت استوایی را برداشته و به جای هر یک از آنها یک جفت الکترون ناپیوندی قرار می‌دهیم) زاویه‌ها از 120 و 90 درجه و همچنین از زوایای AB4E کمتر اند. مثل IF3.

-برای AB2E3: آرایش فضایی همانند AB5، دو هرمی با قاعده مثلثی است ولی شکل فضایی، خطی و با زاویه 180 درجه است. (هر سه اتم استوایی را برداشته و یه جفت الکترون ناپیوندی قرار می دهیم). مثل XeF2.

-برای AB5E: آرایش فضایی مانند AB6 (دو هرم با قاعده مربعی) است اما شکل فضایی، هرم با قاعده مربعی است. (اتم مرکزی در وسط قاعده‌ی هرم است) و زوایا از 180 و 90 درجه کمترند. مثل BrF5.

-برای AB4E2: آرایش فضایی، دو هرمی با قاعده مربعی و مانند AB6 است ولی شکل فضایی، مربعی مسطح است و زوایا دقیقاً 90 و 180 درجه اند. (همان سه میله‌ای که فرو کردید را یادتان هست؟! دو سر یکی از آنها را به جای اتم، جفت الکترون ناپیوندی قرار دهید). مثل XeF4.

-برای AB6E: آرایش فضایی مانند AB7 (دو هرمی با قاعده پنج ضلعی) است اما شکل فضایی، هرم با قاعده پنج ضلعی است. (اتم مرکزی در وسط قاعده هرم قرار دارد). زوایا نیز از 144 و 90 و 72 درجه کمتر اند. مثل -(XeOF5) یا -(IF6)

-برای AB5E2: آرایش فضایی، دو هرمی با قاعده مربعی و مانند AB7 است ولی شکل فضایی، پنج ضلعی مسطح با زوایای 72 و 144 درجه است. (دو جفت الکترون ناپیوندی در نواحی محوری قرار دارند). مثل -(XeF5)

در نهایت، باید به دو نکته توجه کرد.

1- برخی اشکال فضایی توضیح داده نشده‌اند؛ علتش آن است که مولکول پایداری با چنین شکلی پیدا نشده است.

2- برخی مولکول‌هایی که دارای قلمروهای زیادی هستند، از قواعد گفته شده پیروی نمی‌کنند. مثلاً انتظار می‌رود XeF6 با توجه به آنکه AB6E است، باید به شکل هرم با قاعده پنج‌ضلعی باشد ولی شکل آن، هشت وجهی واپیچیده است.

اگر یک مولکول بیش از یک اتم مرکزی داشته باشد، باید شکل فضایی دور تک تک اتم‌های مرکزی را در نظر گرفت و با توجه به آنها و ترکیب آنها به طوری که اشکال تغییر چندانی نکنند، شکل مولکول را رسم کرد.

نکته‌ی دیگر نیز آن است که بعضی مولکول‌ها به علت ممانعت فضایی نمی‌توانند پایدار باشند و در نتیجه در طبیعت یافت نشده و وجود نخواهند داشت.