צורות וקוטביות של מולקולות

צורה של מולקולה וקוטביות המולקולה

למה צריך להכיר צורות של מולקולות?
הצורה של המולקולה קובעת את סוג כוחות המשיכה הפועלים בין המולקולות דבר הקובע תכונות רבות של החומר כגון נקודת רתיחה והתכה ובמסיסות בחומרים שונים.

אם נתבונן במולקולת של HF, היא מורכבת משני אטומים הקשורים קשר קוולנטי קוטבי. ברור לנו שהמולקולה עצמה קוטבית, כלומר, יש בה חלקים עם מטענים הפוכים: מטען חלקי שלילי סביב אטום הפלואור ומטען חיובי חלקי סביב למימן.

קל להבין שכאשר תפגשנה שתי מולקולות של HF הן תימשכנה על ידי המטענים החלקיים ההפוכים, כלומר אטום פלואור יימשך לאטום מימן של המולקולה השנייה.

קוטביות הוא גודל בעל כיוון (ממטען אחד לשני) ולכן אנו נסמן אותו בעזרת חץ . החץ מתחיל באטום עם המטען החיובי וראש החץ לכיוון האטום השלילי כפי שרואים בדוגמה של מולקולת HF. 

במולקולות דו-אטומיות, קל לקבוע אם המולקולה קוטבית ומה כיוון הקוטביות  כי יש רק שני אטומים אולם במולקולה רב אטומית, הקוטביות נקבעת על ידי הצורה ולכן עלינו להבין איך מזהים את צורת המולקולה.

צורות של מולקולות - תורת דחיית זוגות אלקטרונים

כפי שראינו, האלקטרונים במולקולה, מסתדרים בזוגות בין אם הם אלקטרונים קושרים (בקשרים) ובין אם הם לא קושרים (מחוץ לאזור הקשר). 

זוגות אלקטרונים דוחים אחד את השני כתוצאה מכוחות דחייה חשמליים בין מטענים בעלי אותו סימן.

התוצאה היא שהקשרים סביב לכל אטום שואפים להיות כמה שיותר מרוחקים ולכן הזוויות בין הקשרים יהיו כמה שיותר גדולים. זוגות האלקטרונים הלא קושרים באטום גם דוחים את זוגות האלקטרונים שבקשרים ולכן צריך להתחשב בהם בקביעת הצורה הסופית.

בסרטון ניתן לראות את תופעת דחיית זוגות האלקטרונים ביצירת מולקולת מים. ניתן לראות שהצורה הסופית היא זוויתית ולא קווית כתוצאה משני זוגות אלקטרונים לא קושרים בחמצן אשר דוחים את זוגות אלקטרוני הקשר.

טבלת סיכום של צורות מולקולות

צורת המולקולה נקבעת סביב אטום מרכזי בודד.
אנו נגזור את צורת המולקולה לפי מספר האטומים הקשורים לאטום המרכזי ומספר זוגות האלקטרונים הלא קושרים באטום זה.

בטבלה המתוארים מודלים של הצורות השונות שנלמד, שמותן, מספר האטומים הקשורים לאטום המרכזי ומספר זוגות אלקטרונים לא קושרים באטום המרכזי.

על פי תכנית הלימודית לבגרות, התלמיד לא יידרש לזהות את צורת המולקולה אבל צריך להכיר את הצורות השונות.

טבלת צורות של מולקולות: קווי, זוויתי, משולש מישורי, פירמידה משולשת וטטרהדר, כולל מודלים ודוגמאות

תרגול

  1. נתונות נוסחאות התרכובות הבאות, תקבעו מה הצורה של המולקולה סביב כל אטום מרכזי:
       i. ii.iii.iv.v.      vi          
SiH4  CH2OSBr2CH2CH2CHCH AsCl3   
פירמידהמשולשזוויתיתמשולשקוויתפירמידה   
 משולשתמישורימישורימישורי משולשת   

קוטביות של מולקולות

קוטביות של מולקולה היא הפרדת מטענים הפוכים באזורים שונים במולקולה.

קוטביות המולקולה נובעת מקוטביות הקשרים וצורת המולקולה.

קוטביות המולקולה היא הסכום של כל הדו-קטבים של הקשרים שיש בה.
אם הסכום הוא אפס, המולקולה לא קוטבית ואם הסכום שונה מאפס המולקולה קוטבית.

היות וקוטביות הוא גודל עם כיוון, הסכום צריך להביא בחשבון גם את הכיוון ולא רק הגודל.
מסיבה זו, רק מולקולות בעלות סימטריה בין הקשרים הקוולנטים אינן קוטביות. אם המולקולות לא סימטריות, סכום דו הקטבים של הקשרים שונה מאפס ולמולקולה יש דו קוטב קבוע (מולקולה קוטבית).

בטבלה הוספנו את הקוטביות של מולקולות על פי הצורה והסימטריה.
על מנת שמולקולה תהיה סימטרית לצורך בדיקת הקוטביות, האטומים הקשורים לאטום המרכזי חייבים להיות זהים או בעלי אותה אלקטרושליליות. 
יש מספר צורות שיכולות להיות סימטריות לצורך בדיקת קוטביות: "קווית", "משולש מישורי" ו"טטרהדר".
שאר הצורות ("זוויתית" ו"פירמידה משולשת") תמיד קוטביות אלא אם כן הקשרים לא קוטביים (כל האטומים בעלי אותה אלקטרושליליות).

בטבלה הוספנו את הקוטביות של מולקולות על פי הצורה והסימטריה.
על מנת שמולקולה תהיה סימטרית לצורך בדיקת הקוטביות, האטומים הקשורים לאטום המרכזי חייבים להיות זהים או בעלי אותה אלקטרושליליות. 
יש מספר צורות שיכולות להיות סימטריות לצורך בדיקת קוטביות: "קווית", "משולש מישורי" ו"טטרהדר".
שאר הצורות ("זוויתית" ו"פירמידה משולשת") תמיד קוטביות

טבלת צורות של מולקולות וקוטביות

המשך תרגול

2.  נתונות נוסחאות התרכובות הבאות וצורת המולקולות שלהן, תקבעו לאילו מהתרכובות יש מולקולות קוטביות ולאילו יש מולקולות לא קוטביות.

        i.  ii. iii.         iv. v.        
PBr3   BF2Cl CO2 CHOOH SeH2
פירמידה משולש קווית משולש זוויתית
 משולשת מישורי   מישורי  

א. קוטביות רגעית בלבד:  i, iii, v  גם קוטביות רגעית וגם קבועה: ii, iv
ב. קוטביות רגעית בלבד:  i, iii     גם קוטביות רגעית וגם קבועה: ii, iv, v
ג. קוטביות רגעית בלבד:  iii       גם קוטביות רגעית וגם קבועה: ii, iv, v , i
ד. קוטביות רגעית בלבד:  i, v      גם קוטביות רגעית וגם קבועה: ii, iv , i

3. ציירו את המודל של כל המולקולות מהסעיף הקודם בהתאם לצורות הנותנות ותוסיפו מטען חלקי חיובי ושלילי באזור המתאים במולקולה הקוטביות.

       i.  ii. iii.         iv. v.        
PBr3   BF2Cl CO2 CHOOH SeH2

מודל של מולקולת PBr3

 

מודל של מולקולת BF2Cl

 

מודל של מולקולה CO2

 

מודל של מולקולת SeH2

 זוויתית
         

4. נתונות המולקולות הבאות בהן R – הוא CH2CH3– וכל מה ששנינו הוא הקבוצה הפונקציונלית. תקבעו מה הצורה של המולקולה סביב לאטום  המסומן עם קו תחתית

       i.  ii. iii.          iv. v.        

RNH2

 

 ROH

 

RCHCH2

 

 RCOOH

 

RCH3

פירמידה זוויתית משולש משולש טטרהדר
 משולשת   מישורי מישורי  

5. אילו קבוצות פונקציונליות בסעיף הקודם, גורמות לקוטביות קבועה משמעותית (לא זניחה)  של המולקולה?
א. אמין, אלקן, כוהלית וקרבוקסילית
ב. כוהלית וקרבוקסילית בלבד
ג. אמין וכוהלית בלבד
ד.אמין, קרבוקסילית וכוהלית בלבד

6. להלן נוסחאות מולקולריות של מספר חומרים וצורת המולקולה. תקבעו אילו מולקולות בעלות קוביות קבועה ואילו לא.

מולקולות וצורתן - תרגיל קוטביות של מולקולות

השארת תגובה