A molekulák térszerkezete, polaritása
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 atomból kovalens 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: Mr, 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°
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.: NBr3, NH3
SO2 esetében 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.