Oprócz unikalnych właściwości, różne cząsteczki mają różne geometrie. Możesz użyć odpychania par elektronów powłoki walencyjnej obok numer steryczny cząsteczki, aby określić jej strukturę geometryczną. Jest to jeden z powodów, dla których zrozumienie, czym jest liczba steryczna cząsteczki i jak ją obliczasz, jest kluczowe dla studentów chemii i każdego, kto chce zbadać geometrię molekularną.
Proces znajdowania liczby sterycznej jest jednak dość prosty, o ile można policzyć wiązania molekularne i użyć struktury Lewisa cząsteczki, aby znaleźć pojedyncze pary elektronów.
Co to jest numer steryczny?
Liczba steryczna cząsteczki to liczba innych atomów związanych z centralnym atomem cząsteczki plus liczba dołączonych do niego samotnych par elektronów.
Służy do określenia geometria molekularna ponieważ elektrony w parach odpychają się nawzajem, niezależnie od tego, czy te pary są elektronami wiążącymi, czy też samotnymi parami niezwiązanymi z konkretnym atomem. Ponieważ pozycjonują się tak, aby osiągnąć maksymalną separację, stosunkowo prosta miara liczby sterycznej informuje o ogólnym kształcie cząsteczki.
Dla cząsteczki o liczbie sterycznej 2 będzie to struktura liniowa, a dla liczby sterycznej 3 będzie to struktura trygonalna planarna. Kontynuując w ten sam sposób, liczba steryczna 4 prowadzi do struktury czworościennej, 5 daje bipiramidalną strukturę trygonalną, a liczba steryczna 6 prowadzi do struktury oktaedrycznej.
Formuła liczb sterycznych
Wzór na liczbę steryczną można zapisać bezpośrednio na podstawie definicji podanej powyżej, jako:
Numer steryczny = (liczba atomów związanych z centralnym atomem) + (liczba samotnych par elektronów na centralnym atomie)
Wyzwaniem w obliczeniu liczby sterycznej jest zatem mniejsze wyzwanie związane z rzeczywistym obliczeniem, a bardziej more patrząc na strukturę cząsteczki pod kątem wiązania elektronów i znajdowania dwóch liczb, które potrzeba. Jest to dość łatwe, jeśli spojrzysz na strukturę Lewisa cząsteczki i zrozumiesz, jak znaleźć samotną parę elektronów.
Struktura Lewisa i samotne pary
Struktura Lewisa cząsteczki jest reprezentacją elektronów w powłoce walencyjnej dla atomów w cząsteczce, ogólnie reprezentowane przez kropki otaczające atomy, które są oznaczone standardowymi symbolami (np. O dla tlenu, C dla węgla, H dla wodoru i Cl dla chlor).
Najpierw narysuj atomy i ich wiązania według wzoru cząsteczkowego i/lub tego, co już wiesz o cząsteczce. Na przykład woda (H2O) jest reprezentowany przez centralny atom O, z dwoma atomami H połączonymi pojedynczym wiązaniem (pojedyncza linia prosta) po obu jego stronach.
Uzupełnij pozostałe elektrony w powłoce walencyjnej (tj. te dostępne do wiązania, które nie są obecnie częścią wiązania). W przypadku tlenu istnieje sześć elektronów walencyjnych, a dwa z nich są zaangażowane w wiązania z atomami wodoru, pozostawiając cztery elektrony walencyjne do wypełnienia. Narysuj dwie pary kropek wokół symbolu O, aby uzupełnić diagram.
Wolne pary dla tlenu to te dwie pary elektronów, które nie są zaangażowane w wiązanie molekularne. Oczywiście inne sytuacje prowadzą do różnych typów struktur Lewisa i w niektórych przypadkach będziesz musiał pomyśleć trochę więcej.
Na przykład elektrony nie tworzą par, chyba że nie ma „przestrzeni” dostępnych poza parą, np. w węglu są cztery elektronów walencyjnych, ale przy całkowitej liczbie dostępnych ośmiu miejsc, elektrony nie muszą tworzyć par, aby zmieścić się w powłoce, więc nie.
Obliczanie liczby sterycznej
Użycie wzoru na liczbę steryczną jest łatwe po narysowaniu struktury Lewisa dla danej cząsteczki. Spójrz na centralny atom i policz każde z wiązań (nawet jeśli jest to podwójne lub potrójne wiązanie) dołączone do niego jako jedno. Następnie spójrz na kropki otaczające atom: czy są jakieś pary, które nie są zaangażowane w wiązanie? Jeśli tak, dodaj jeden do sumy dla każdego przykładu.
Dla H2O, centralny atom tlenu jest związany z dwoma atomami wodoru, a wokół niego pozostają dwie pary elektronów. Można to wstawić do wzoru na liczbę steryczną, aby znaleźć wynik:
\begin{aligned} \text{Liczba steryczna} &= \text{(liczba atomów związanych z atomem centralnym)} + \text{(liczba pojedynczych par elektronów na atomie centralnym)} \\ &= 2 + 2 \\ &= 4 \end{wyrównane}
I tak woda ma strukturę czworościenną, chociaż część tej struktury składa się z samotnych par elektronów.