Bindingshoeken en ruimtelijke structuur van moleculen
Blok 1: Definitie van het sterisch getal (SG)
Definitie
Het sterisch getal (SG) van een atoom binnen een molecuul geeft het totaal aantal gebieden van elektrondichtheid weer rond dat atoom. Het sterisch getal wordt bepaald door het aantal atomaire bindingen rond het atoom op te tellen bij het aantal vrije elektronenparen (lone pairs) dat aanwezig is op hetzelfde atoom. Voor de telling geldt dat elke dubbele of drievoudige binding als één binding wordt gerekend, omdat alle gebonden elektronen zich in één enkele gebied van elektrondichtheid bevinden. Het resultaat van deze optelsom bepaalt de totale geometrische indeling rond dat atoom.
Formule voor het sterisch getal:
Sterisch getal (SG) = aantal σ-bindingen (enkel, dubbel, drievoudig – steeds als 1 tellend) + aantal vrije elektronenparen
Belangrijke concepten
Enkel-, dubbele en drievoudige bindingen tussen twee atomen worden bij de bepaling van het sterisch getal telkundig als één gerekend, ongeacht het aantal gedeelde elektronenparen. Dit is cruciaal voor een correcte voorspelling van de moleculaire geometrie.
Vrije elektronenparen (niet-bindende elektronenparen) op het centrale atoom worden steeds afzonderlijk geteld en dragen bij aan het sterisch getal, aangezien ze een vergelijkbare ruimte-innemende invloed hebben op de geometrie als bindende elektronenparen.
Het sterisch getal vormt de essentie voor het bepalen van hybridisatietype en voorspelling van ruimtelijke structuur via VSEPR-theorie (Valence Shell Electron Pair Repulsion).
Formules en berekeningen
De sleutelregel is:
Elke meervoudige binding (dubbel of drievoudig) telt als 1
Elk vrij elektronenpaar telt als 1
Dus: SG = aantal bindingen (enkel, dubbel, drievoudig: elk telt als 1) + aantal vrije elektronenparen op het onderzochte atoom
Voorbeeldberekening:
Voor een centraal atoom met 1 dubbele binding, 1 enkele binding, en 1 vrij elektronenpaar:
Dubbele binding = 1
Enkele binding = 1
Vrij elektronenpaar = 1
SG = 1 + 1 + 1 = 3
Praktijkvoorbeelden
Methanol (CH₃OH), centraal atoom O: - Bindingen rond O: 2 (één naar H, één naar C) - Vrije elektronenparen op O: 2 - SG = 2 + 2 = 4
Formaldehyde (H₂CO), centraal atoom C: - Dubbele binding naar O (telt als 1) - Twee enkele bindingen naar H (telt als 2) - Vrije elektronenparen op C: 0 - SG = 1 + 2 = 3
Veel gemaakte fouten
Foutief tellen van meervoudige bindingen: Studenten tellen een dubbele binding soms verkeerdelijk als 2 in plaats van 1, wrang invloed op SG en uiteindelijk de voorspelde geometrie.
Negeren van vrije elektronenparen: Het niet betrekken van vrije elektronenparen op het centrale atoom leidt tot een systematische onderschatting van het sterisch getal.
Verwarren van SG met aantal atomen rond het centrale atoom: Niet alleen gebonden atomen, maar ook vrije elektronenparen moeten meegeteld worden.
Blok 2: Tabel met hybridisatietype, bindingshoek en molecuulvorm
Definitie
Deze tabel biedt een systematisch overzicht van het verband tussen het sterisch getal, het overeenkomstig hybridisatietype van het centrale atoom, de ideale bindingshoeken, en de bijhorende ruimtelijke vorm van het molecuul.
Belangrijke concepten
Elk sterisch getal correleert met een specifiek hybridisatietype van het centrale atoom.
Het hybridisatietype bepaalt de bindingshoeken, die op hun beurt de ideale moleculaire vorm opleveren.
Minieme afwijkingen in bindingshoeken kunnen ontstaan door aanwezigheid van vrije elektronenparen, maar de getoonde waarden zijn de ideale hoeken zoals bepaald door enkel bindende domeinen.
Tabeloverzicht
Sterisch getal (SG) | Hybridisatie | Bindingshoek | Vorm |
|---|---|---|---|
2 | sp | 180° | lineair |
3 | sp² | 120° | vlak trigonaal |
4 | sp³ | 109° | tetraëder |
sp-hybridisatie (SG=2): Twee gebieden van elektrondichtheid positioneren zich lineair met een bindingshoek van 180°, resulterend in een lineaire vorm.
sp²-hybridisatie (SG=3): Drie gebieden van elektrondichtheid arrangeren zich in een vlak trigonaal met een hoek van 120°.
sp³-hybridisatie (SG=4): Vier gebieden van elektrondichtheid vormen een tetraëder met een ideale hoek van 109°.
Formules en berekeningen
De relatie tussen het aantal hybridisaties en het sterisch getal volgt uit:
sp-hybridisatie: 1 s + 1 p-orbitaal → 2 hybride orbitalen (SG = 2)
sp²-hybridisatie: 1 s + 2 p-orbitalen → 3 hybride orbitalen (SG = 3)
sp³-hybridisatie: 1 s + 3 p-orbitalen → 4 hybride orbitalen (SG = 4)
Praktijkvoorbeelden
Berylliumchloride (BeCl₂): - Centraal atoom: Be - 2 bindingen naar Cl, geen vrije elektronenparen - SG = 2 → sp-hybridisatie → hoek = 180° → vorm: lineair
Boraattriion (BO₃³⁻): - Centraal atoom: B - 3 bindingen naar O, geen vrije elektronenparen - SG = 3 → sp²-hybridisatie → hoek = 120° → vorm: vlak trigonaal
Veel gemaakte fouten
Verwarren van de juiste hybridisatie bij aanwezigheid van vrije elektronenparen: Studenten associëren een SG van 3 bijvoorbeeld foutief altijd met een vlak trigonale vorm, ook als één domein een vrij elektronenpaar is; de feitelijke vorm kan dan "gebogen" zijn.
Negeren van niet-bindende domeinen: Alleen maar bindingen meerekenen en vrije elektronenparen negeren leidt tot verkeerde bepaling van hybridisatietype en geometrie.
Verwarring tussen 'vlak trigonale' en 'trigonale bipiramidale' vormen door incorrecte telling van het sterisch getal.
Blok 3: Voorbeeldtoepassing – berekening van het sterisch getal en ruimtelijke structuur (HCN)
Definitie
De berekeningswijze wordt toegepast op het molecuul HCN (waterstofcyanide) met structuur H–C≡N. Hierbij bepalen we het sterisch getal van het centrale atoom (C) en leiden we daaruit de hybridisatie, ruimtelijke vorm en bindingshoek af.
Belangrijke concepten
Meervoudige bindingen worden als 1 gerekend bij het bepalen van het sterisch getal.
Het sterisch getal van het centrale atoom bepaalt geheel de molecuulstructuur via koppeling aan hybridisatie en vorm.
Molecuulstructuren met een centraal atoom en twee terminale atomen zijn typische voorbeelden van lineaire geometrie bij SG=2.
Formules en berekeningen
Structuurformule: H–C≡N - Centraal atoom: C - Bindingen: - Enkelvoudige binding tussen H en C (telt als 1) - Drievoudige binding tussen C en N (telt als 1) - Geen vrije elektronenparen op C
Sterisch getal berekenen: - Aantal bindingen: 2 (H–C, C≡N → elk telt als 1) - Vrije elektronenparen: 0 - SG = 2 + 0 = 2
Koppeling aan tabel: - SG = 2 → sp-hybridisatie - Bindingshoek = 180° - Vorm = lineair
Conclusie: HCN (H–C≡N): SG bij C = 2 → lineair (sp-hybridisatie, bindingshoek = 180°)
Praktijkvoorbeelden
HCN (waterstofcyanide) - Structuur: H–C≡N - Centraal atoom: C - Aantal bindingen: 2 (enkelvoudige binding naar H, drievoudige binding naar N) - Vrije elektronenparen op C: 0 - SG = 2 - Uit de tabel volgt: sp-hybridisatie, 180°, lineair - Afleiding: SG = 2 → lijnvormig
Koolstofdioxide (CO₂): - Structuur: O=C=O - Centraal atoom: C - Aantal bindingen: 2 (2 × dubbele binding, elke dubbele binding telt als 1) - Vrije elektronenparen op C: 0 - SG = 2 - Vorm: lineair (sp-hybridisatie, 180°)
Veel gemaakte fouten
Tellen van drievoudige binding als 3 in plaats van 1: Studenten verwarren het aantal elektronparen met het aantal bindingsgebieden, waardoor SG onjuist als 4 wordt genoteerd.
Vergeten van niet-bindende elektronen: Studenten nemen aan dat afwezigheid van vrije elektronenparen altijd leidt tot een lineaire structuur, terwijl het sterisch getal in andere moleculen met vrije elektronenparen dezelfde structuur kan opleveren als niet correct meegeteld wordt.
Toewijzen van verkeerde bindingshoek door verwisselen van hybridisatie-schema’s: Het niet correct toepassen van de tabel kan tot tuning leiden naar 120° of 109°.
Samenvatting
Het sterisch getal (SG) is de som van het aantal bindingen (met alle meervoudige bindingen samen gerekend als 1) plus het aantal vrije elektronenparen op het onderzochte atoom.
Het sterisch getal bepaalt het hybridisatietype (sp, sp², sp³), de ideale bindingshoek (180°, 120°, 109°) en de ruimtelijke vorm van het molecuul (lineair, vlak trigonaal, tetraëder).
Praktische bepalingen volgen uit systematisch tellen van bindingen en vrije elektronenparen, waarna vorm en hoeken direct uit de hybride tabel worden afgeleid.
Fouten ontstaan vooral door verkeerd tellen van meervoudige bindingen en zwarte gaten in het tellen van vrije elektronenparen.
Oefenvragen
Geef het sterisch getal, hybridisatietype, ideale bindingshoek en ruimtelijke vorm voor stikstofoxide (NO₂⁻). *Antwoord*: - Centrale atoom: N - N heeft 2 bindingen naar O-atomen (1 enkelvoudig, 1 dubbel, beiden tellen als 1 binding) - 1 vrij elektronenpaar op N - SG = 2 + 1 = 3 - Hybridisatie: sp² - Bindingshoek: ~120° - Vorm: gebogen (aangezien één domein een vrij elektronenpaar is, dus geen ideaal vlak trigonaal, maar afgeleid hieruit)
Bepaal voor ammoniak (NH₃) het sterisch getal, hybridisatietype, ideale bindingshoek en ruimtelijke structuur. *Antwoord*: - Centrale atoom: N - 3 bindingen met H - 1 vrij elektronenpaar op N - SG = 3 + 1 = 4 - Hybridisatie: sp³ - Bindingshoek: 109° (maar in de praktijk iets kleiner door afstoting door het vrij elektronenpaar: ~107°) - Vorm: trigonaal piramidaal
Voor het nitraation (NO₃⁻): Geef per stap het SG, de hybridisatie, de bindingshoek en de vorm. *Antwoord*: - Centrale atoom: N - 3 bindingen naar O (tellen als 3) - Vrije elektronenparen op N: 0 - SG = 3 - Hybridisatie: sp² - Bindingshoek: 120° - Vorm: vlak trigonaal
Koolstofmonoxide (CO): Wat is het SG van C, wat volgt hieruit voor de hybridisatie en structuur? *Antwoord*: - C is gebonden aan 1 O via een drievoudige binding (telt als 1) - 1 vrij elektronenpaar op C - SG = 1 + 1 = 2 - Hybridisatie: sp - Bindingshoek: theoretisch 180° (maar als diatomisch molecuul niet relevant voor ruimtelijke structuur), vorm: lineair
Fosfaat (PO₄³⁻): Bereken SG voor P, hybridisatietype, bindingshoek, ruimtelijke vorm. *Antwoord*: - Centrale atoom: P - 4 bindingen naar O - Geen vrije elektronenparen op P - SG = 4 - Hybridisatie: sp³ - Bindingshoek: 109° - Vorm: tetraëder