A molekulák térszerkezete

Molekulák

Az atomok közös elektronpár kialakításával is elérhetik a nemesgázszerkezetet, a közös elektronpárral létrejövő kötést kovalens kötésnek nevezzük. A kötő elektronpár csak ellentétes spinű elektronokból jöhet létre. Kovalens kötés kialakulásakor a vegyértékelektronok az atompályákról molekulapályára kerülnek. A molekulapálya az a térrész, ahol a kötő elektronpár 90 %-os valószínűséggel megtalálható.

A kötésben részt nem vevő elektronpárokat nemkötő elektronpároknak nevezzük. Molekulának nevezzük az olyan semleges részecskéket, melyek két vagy több atombólkovalens kötéssel képződnek. A molekulák összetételét képlettel adjuk meg. A molekulát alkotó atomok vegyjelét egymás mellé írjuk, a vegyjel utáni alsó indexbe írt szám azt jelöli, hogy hány atom van belőle a molekulában. Az egy atomot számmal külön nem jelöljük, csak a vegyjellel. A molekulaképletet összegképletnek (vagy tapasztalati képletnek) is nevezzük. A molekulaképlet megadása gyakran nem elegendő, mert többféle szerkezeti elrendeződésben kapcsolódhatnak össze az adott atomok. Így például a C₆H₁₂O₆ a szőlőcukor (glükóz) és a gyümölcscukor (fruktóz) összetételét is leírja. A szerkezeti képlet az atomok egymással való kapcsolódását is megmutatja. A relatív molekulatömeg megmutatja, hogy az adott molekula hányszor nagyobb tömegű a ¹²C izotóp tömegének 1/12-ed részénél. Jele: M_r, mértékegysége nincs. Értéke a relatív atomtömegből számítható ki. A molekulában azt az atomot, amelyhez több másik kapcsolódik, központi atomnak, a kapcsolódó atomokat vagy atomcsoportokat ligandumoknak nevezzük. A ligandumok elrendeződését a vonzó és taszító hatások alakítják ki. A térszerkezetet mindenekelőtt a központi atomhoz tartozó kötő és nemkötő elektronpárok száma határozza meg, de a ligandumok száma is fontos.

Polaritás:

Kötéspolaritás: Ha az elektronegativitások különbsége 0, akkor nincs töltéseltolódás, tehát a kötés apoláris. Ha az elektronegativitások különbsége nem 0, akkor az egyikük jobban vonzza az elektronokat, van eltolódás, tehát a kötés poláris.

Molekula polaritása:

Ha a kötés apoláris, akkor a molekula is apoláris! Ha a kötés poláris, de a molekula szimmetrikus, akkor apoláris. Ha a kötés poláris, de a molekula nem szimmetrikus, akkor dipólus. Azonos atomok összekapcsolódásával mindig apoláris molekula jön létre. Ha a központi atomhoz egyszeres és kettős kötés is kapcsolódik, a molekula térszerkezete torzulhat, mert a kettős kötés két elektronpárja erősebben taszítja az egyszeres kötéseket, így például a formaldehid molekula (CH₂O) kötésszöge a várt 120° helyett csak 109°. A központi atom nemkötő elektronpárjának nagyobb a térigénye, mint a kötő pároknak, mivel csak egy atommag vonzása alatt áll. Ez is a szabályos szerkezet torzulását idézi elő. A kötésszögeket a központi atom mérete is befolyásolja. Szabályos térszerkezetű molekulák: (A térszerkezetet a σ kötések határozzák meg.) Lineáris:

• kötésszög 180°

• kötő elektronpárok száma 2
• pl.: BeCl₂, CO₂ (4 elektronpár!)

Síkháromszög:

• kötésszög 120°

• kötő elektronpárok száma 3
• pl.: BF₃, SO₃ (6 elektronpár!)

Tetraéder:

• kötésszög 109,5°

• kötő elektronpárok száma 4
• pl.: CH₄

Trigonális bipiramis:

• kötésszög 90° és 120°

• kötő elektronpárok száma 5
• pl.: PCl₅

Oktaéder:

• kötésszög 90°

• kötő elektronpárok száma 6
• pl.: SF₆

Szabályos térszerkezetet módosító nemkötő elektronpárok: V-alakú:

• kötésszög <105° (<109,5°)

• kötő elektronpárok száma 2

• nemkötő elektronpárok száma 2
• pl.: H₂S, H₂O

Háromszög alapú piramis:

• kötésszög <107° (<109,5°)

• kötő elektronpárok száma 3

• nemkötő elektronpárok száma 1
• pl.: NBr_3, NH₃

SO₂esetében a kötésszög kisebb,mint 120°, 4 kötő és 1 nemkötő elektronpárt találunk. Többféle ligandum esetén a polaritást az egyes kötésekre külön-külön kell megállapítani (pl.: CHCl₃; CH₂O; HCN). A molekulák egy részére jellemző a delokalizált elektronok jelenléte. Fontosak például a fotoszintetikus pigmenteknél, ahol a delokalizált π-elektornrendszer képes gerjesztett állapotba kerülni a konjugált kettős kötésekben, ez biztosítja a foton által közölt energia továbbítását. A delokalizált elektronok jellemzőek a következő csoportokra:

• Konjugált diének (pl.: buta-1,3-dién, izoprén)

• Konjugált poliének (pl.: ß-karotin, likopin, kaucsuk)

• Aromás szénhidrogének (pl.: benzol, benzolhomológok [toluol, xilol, stb.], naftalin)

• Aromás heterociklusos vegyületek (pl.: piridin, pirimidin, pirrol, imidazol, purin)

Molekulákból összetett ionok is képződhetnek, gyakran keletkeznek például sav-bázis reakciókban. + vagy – töltésűek, delokalizáció is előfordulhat. Komplex ionok fémionok molekulákkal vagy anionokkal történő összekapcsolódásakor jöhetnek létre.