نظریه دافعه زوج الکترون لایه ظرفیتی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

نظریهٔ دافعهٔ زوج الکترون لایه ظرفیتی[۱] (به انگلیسی: Valence shell electron pair repulsion theory) یا یه طور مخفف وی‌اس‌ای‌پی‌آر (به انگلیسی: VSEPR) مدلی در شیمی است که آرایش هندسی اتمها در مولکول یا یون را پیش‌بینی می‌کند. نام این نظریه برای آسانی در تلفظ، وسپر (به انگلیسی: vesper) گفته می‌شود.[۲]

تاریخچه[ویرایش]

ایده وجود ارتباط میان تعداد الکترون‌های ظرفیتی پیوندی و ناپیوندی با شکل فضایی مولکول نخستین بار در سال ۱۹۴۰ در دانشگاه آکسفورد توسط نویل سیدگویک و هربرت پاول بیان شد.[۳] در سال ۱۹۵۷ رونالد سیدنی نیهولم و رونالد گیلسپی از کالج دانشگاهی لندن این ایده را برای رسیدن به نظریه‌ای دقیق‌تر که قادر باشد شکل هندسی را از میان چند شکل پیشنهادی مشخص کند، اصلاح و تکمیل کردند.[۴][۵]

شرح نظریه[ویرایش]

بر اساس این نظریه، شکل فضایی مولکول‌ها با تعداد زوج الکترون‌های لایه ظرفیت اتم مرکزی ارتباط دارد و با دانستن زوج‌الکترون‌های اتم مرکزی می‌توان شکل فضایی مولکول یا یون، و همچنین اوربیتال‌های هیبریدی آن را پیش‌بینی کرد.[۱][۶][۷][۸] این نظریه تنها برای پیوندهای سیگما بیان می‌شود.[۷] دافعه میان این زوج الکترون‌ها (که همه بار منفی دارند) موجب می‌شود تا برای کم کردن نیروی وارد به هم بیشترین فاصله ممکن را از هم بگیرند.[۱][۷][۸] بنابراین شکل‌های هندسی کمترین انرژی ممکن را دارند.[۷] شکل فضایی موکول حاصل این دافعه الکتروستاتیک است.[۱][۸] تمامی زوج الکترون‌های اتم مرکزی فارغ از نوعشان (پیوندی و ناپیوندی) در شکل دخالت دارند، اما جفت الکترون‌های ناپیوندی نیروی بیشتری نسبت به پیوندی‌ها به جفت‌ها وارد می‌کنند.[۸] در الکترون‌های پیوندی نیز فرقی میان پیوندهای یگانه، دوگانه و سه‌گانه نیست، اما پیوندهای دوگانه و سه‌گانه فضای بیشتری اشغال می‌کنند.[۹] با وجود این توصیف شکل هندسی تنها بر پایه مکان هسته اتم‌ها است.[۱]

پیکربندی‌ها[ویرایش]

نام آرایش مجموع جفت
پیوندی و ناپیوندی
جفت
ناپیوندی
مدل خط‌چین–گوه مدل فضاپرکن مثال
خطی ۲ ۰ AX2E0-2D.png AX2E0-3D-balls.png CO۲
سه‌گوش مسطح ۳ ۰ AX3E0-side-2D.png Trigonal-3D-balls.png NO۳
خمیده ۳ ۱ AX2E1-2D.png AX2E1-3D-balls.png SO۲
چهار وجهی منتظم ۴ ۰ AX4E0-2D.png AX4E0-3D-balls.png CH۴
هرم مثلث‌القاعده ۴ ۱ AX3E1-2D.png AX3E1-3D-balls.png NH۳
زاویه‌دار ۴ ۲ AX2E2-2D.png AX2E2-3D-balls.png H۲O
دوهرمی مثلث‌القاعده ۵ ۰ AX5E0-2D.png Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png PCl۵
چهار وجهی نامنتظم ۵ ۱ AX4E1-2D.png AX5E1-3D-balls.png ClF۵
T شکل ۵ ۲ AX3E2-2D.png AX3E2-3D-balls.png ClF۳
خطی ۵ ۳ AX2E3-2D.png AX2E3-3D-balls.png
هشت‌وجهی ۶ ۰ AX6E0-2D.png AX6E0-3D-balls.png SF6
هرم مربع‌القاعده ۶ ۱ AX5E1-2D.png AX5E1-3D-balls.png ClF5
مربع مسطح ۶ ۲ AX4E2-2D.png AX4E2-3D-balls.png XeF4
خطی ۶ ۴ Linear-3D-balls.png XeF2
یادکرد [۷][۱۰]

نقد نظریه[ویرایش]

نظریه دافعه زوج الکترون لایه ظرفیتی، هنوز هم یک نظریه قدرتمند به شمار می‌رود. در عین حال این نظریه محدودیت‌هایی دارد. این نظریه توان تعیین مقدار زاویه‌های پیوندی و طول پیوند را ندارد. همچنین این نظریه برای تعیین شکل تنها به دافعه الکتروستاتیک اکتفا می‌کند، در حالی که عوامل دیگری نیز در این امر موثر هستند.[۱۱]

این نظریه در بسیاری از موارد با قاعده اوکتت تناقض دارد.[۱] اما پیش‌بینی‌های این نظریه به جز چند استثناء، درست بوده‌اند.[۹] از آن جا که این نظریه کمّی نبود، مدت زیادی مورد نقد واقع می‌شد و گسترشش در مراحل تکامل‌نایافته‌اش متوقف شد؛ با این وجود میدان‌های نیروی مکانیک مولکولی که بر اساس همین نظریه بود، گسترش یافت.[۱۲]

استثناءها[ویرایش]

ترکیب‌های فلزهای واسطه[ویرایش]

به دلیل نبود زوج الکترون ناپیوندی در لایه ظرفیتی و اندرکنش میان لیگاندها و الکترون‌های اوربیتال‌های d؛ آرایش هندسی بسیاری از فلزهای واسطه با این نظریه در تضاد است.[۱۳] شکل چنین ترکیباتی با کمک نظریه والباند پیش‌بینی می‌شود.[۱۴][۱۵]

هالیدهای فلزهای قلیایی خاکی[ویرایش]

ساختار فاز گازی هالیدهای فلزهای قلیای خاکی سنگین مانند کلسیم، استرانسیم و باریم خمیده است، اما این نظریه آن را خطی پیش‌بینی می‌کند.[۱۶] رونالد گیلسپی، برهم‌کنش لیگاندها با هسته الکترون اتم فلزی را که به قطبی‌شدن پوسته داخلی و در نتیجه خارج شدن از تقارن می‌انجامید؛ به عنوان دلیل این اشتباه پیشنهاد داد.[۱۷][۱۳]

برخی از مولکول‌های دارای ۶ زوج پیوندی و یک زوج ناپیوندی[ویرایش]

برخی از مولکول‌های دارای ۶ زوج پیوندی و یک زوج ناپیوندی (AX6E1) مانند ترکیب‌های دارای آنیون تلوریم و بیسموت شکل ۸ وجهی دارند و زوج ناپیوندی روی شکل هندسی بی‌تاثیر است.[۱۸] در توجیه این مساله دو نظر وجود دارد؛ یکی آن که تجمع لیگاندها فضایی برای زوج ناپیوندی باقی نمی‌گذارد،[۱۳] و دیگری اثر زوج بی‌اثر.[۱۹]

برخی از مولکول‌های دارای ۲ زوج پیوندی ۲ یک زوج ناپیوندی[ویرایش]

برخی از مولکول‌های دارای ۲ زوج پیوندی ۲ یک زوج ناپیوندی (AX2E2) اشتباه پیش‌بینی می‌شوند. به طور مثال لیتیم دی اکسید (Li2O) به دلیل درصد بالای یونی بودن، باعث نیروی دافعه بیشتری میان اتم‌های لیتیم می‌شود و ساختار خطی دارد اما زاویه‎دار پیش‎بینی می‌شود.[۲۰] مثال دیگر، مولکول O(SiH3)2 است که در آن زاویه پیوندی Si-O-Si بیش از حد معمول است. رونالد گالیسپی احتمال داد که دلیل این امر، قرارگیری زوج‌های ناپیوندی و توان وارد ساختن نیروی دافعه بیشتر آن‌هاست که زمانی که لیگاند، الکترونگاتیوی نزدیک به الکترونگاتیوی اتم مرکزی یا بزرگ‌تر از آن دارد بیشتر نیز می‌شود. وقتی اتم مرکزی الکترونگاتیوی بیشتری دارد، زوج‌های ناپیوندی فضای کمتری دارند و با وجود دافعه قوی‌تر لیگاند-لیگاند، خمش بیشتری در پیوند Si-O-Si به وجود می‌آید.[۱۳]

منابع[ویرایش]

عمومی[ویرایش]

  • مورتیمر، چارلز. «شکل هندسی مولکول، اوربیتال مولکولی». در شیمی عمومی. ترجمهٔ عیسی یاوری. ویرایش ویرایش ششم (۱۹۸۶). چاپ سی و یکم. تهران: نشر علوم دانشگاهی، ۱۳۸۸. ISBN 964-6186-33-5. 

ویژه[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ ۱٫۳ ۱٫۴ ۱٫۵ مورتیمر. ۱۲۲. 
  2. H. Stephen Stoker. «Molecular Geometry». در General, Organic, and Biological Chemistry. Cengage Learning، 2009. p 119. ISBN 0-547-15281-7, 9780547152813. 
  3. http://www.jstor.org/pss/97507 N.V.Sidgwick and H.M.Powell, Proc.Roy.Soc.A 176, 153-180 (1940) Bakerian Lecture. Stereochemical Types and Valency Groups [ارجاع دست دوم]
  4. R.J.Gillespie and R.S.Nyholm, Quart.Rev. 11, 339 (1957) [ارجاع دست دوم]
  5. R.J.Gillespie, J.Chem.Educ. 47, 18 (1970) [ارجاع دست دوم]
  6. William L. Jolly. Modern Inorganic Chemistry. ویرایش 2 Sub edition. Mcgraw-Hill College، October 1991. ISBN 0-07-032760-2.  [ارجاع دست دوم]
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ ۷٫۲ ۷٫۳ ۷٫۴ Linfeng Xie. «VSEPR Theory». University of Wisconsin–Oshkosh، April 4, 2005. 
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ ۸٫۲ ۸٫۳ Eric V. Anslyn, Dennis A. Dougherty. «A Review of Basic Bonding Concepts». در Modern physical organic chemistry. University Science Books، 2006. pp 7-8. ISBN 1-891389-31-9, 9781891389313. 
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ مورتیمر. ۱۲۷. 
  10. مورتیمر. صص ۱۲۷-۱۲۲. 
  11. "chemical bonding." Encyclopædia Britannica. 2010. Encyclopædia Britannica Online. 01 Feb. 2010 <http://www.britannica.com/EBchecked/topic/684121/chemical-bonding>.
  12. VGS Box. . Journal of Molecular Modeling، ش. 3 (1997): pp 124-141.  [ارجاع دست دوم]
  13. ۱۳٫۰ ۱۳٫۱ ۱۳٫۲ ۱۳٫۳ Models of molecular geometry, Gillespie R. J., Robinson E.A. Chem. Soc. Rev., 2005, 34, 396–407, doi: http://dx.doi.org/10.1039%2Fb405359c [ارجاع دست دوم]
  14. Landis, C. K.; Cleveland, T.; Firman, T. K. Making sense of the shapes of simple metal hydrides. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 1859-1860. [ارجاع دست دوم]
  15. Landis, C. K.; Cleveland, T.; Firman, T. K. Structure of W(CH3)6. Science 1996, 272, 182-183. [ارجاع دست دوم]
  16. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. ویرایش 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann، 1997. ISBN 0-7506-3365-4.  [ارجاع دست دوم]
  17. Core Distortions and Geometries of the Difluorides and Dihydrides of Ca, Sr, and Ba Bytheway I, Gillespie R.J, Tang T.H., Bader R.F. Inorganic Chemistry, 34,9, 2407-2414, 1995. doi: http://dx.doi.org/10.1021%2Fic00113a023 [ارجاع دست دوم]
  18. Wells A.F.. Structural Inorganic Chemistry. ویرایش 5th edition. Oxford Science Publications، 1984. ISBN 0-19-855370-6.  [ارجاع دست دوم]
  19. Catherine E. Housecroft, Alan G. Sharpe. Inorganic Chemistry. Pearson Education، 2005. ISBN 0-13-039913-2.  [ارجاع دست دوم]
  20. A spectroscopic determination of the bond length of the LiOLi molecule: Strong ionic bonding, D. Bellert, W. H. Breckenridge, J. Chem. Phys. 114, 2871 (2001); doi:10.1063/1.1349424 [ارجاع دست دوم]