Polariteit van moleculen op basis van de ruimtelijke structuur

Blok 1: Stappenplan voor het bepalen van polariteit van moleculen

Stapsgewijze Werkwijze

Definitie

Het bepalen van de polariteit van een molecule op basis van de ruimtelijke structuur is het systematisch analyseren van het molecuul om vast te stellen of het geheel van de aanwezige chemische bindingen resulteert in een moleculaire dipool, uitgedrukt als een niet-nul dipoolmoment. Hierbij wordt rekening gehouden met de verdeling van de elektronen, de geometrie van het molecuul en de oriëntatie en sterkte van individuele bindingen, die samen het vectorieel optellen van de bindingsdipolen bepalen.

Belangrijke concepten

1. Lewisstructuur opstellen De Lewisstructuur geeft alle valentie-elektronen en covalente bindingen weer. Enkel door een correcte Lewisstructuur kunnen formele ladingen, vrije elektronenparen en mogelijke delocalisatie-effecten adequaat in rekening gebracht worden. Deze stap is cruciaal om zowel het aantal als de aard (en type) van bindingen en resterende elektronenparen te kunnen identificeren.

2. Bepalen van de ruimtelijke structuur (moleculaire geometrie) Op basis van de Lewisstructuur én het aantal vrije elektronenparen rond het centrale atoom, wordt de driedimensionale vorm van het molecuul vastgesteld (bijvoorbeeld lineair, trigonaal vlak, tetraëdrisch, trigonale bipiramide, octaëdrisch, etc.). De exacte ruimtelijke structuur beïnvloedt de richting en de oriëntatie van de diverse bindingsvectoren.

3. Polariteit per binding vaststellen Voor elk atoompaar binnen het molecuul wordt de elektronegativiteit vergeleken om na te gaan of de binding polair is. Enkel bindingen waarbij een significante elektronegativiteitsverschil aanwezig is, dragen bij aan het ontstaan van partiële ladingen: het elektronegatievere element wordt gedeeltelijk negatief (δ−), het elektropoztievere gedeeltelijk positief (δ+).

4. Tekenen van vectoren van δ+ naar δ− Iedere polaire binding binnen het molecuul wordt voorgesteld door een vector, die geoefend moet worden van het elektropositieve atoom (δ+) naar het elektronegatieve atoom (δ−). De lengte van de vector is evenredig aan het verschil in elektronegativiteit en de bindingssterkte. Notatie: δ+ → δ−

5. Optellen van de vectoren De vectoren van alle polaire bindingen worden vectorieel (dus rekening houdend met hun richtingen in de ruimte) bij elkaar opgeteld. Dit vereist kennis van driehoeksmeting, eventueel het toepassen van de cosinusregel of projectie op assen afhankelijk van de geometrie. Als de som (resultante) van alle vectoren exact gelijk is aan $nul$, is het netto dipoolmoment van het molecuul $0$: er is geen moleculaire polariteit. Indien de som ongelijk is aan $nul$, bezit het molecuul een dipoolmoment en is het polair. Standaardnotatie:

   • Resultante = 0: geen dipoolmoment (apolair)

   • Resultante ≠ 0: dipoolmoment ≠ 0 (polair molecuul)

Formules en berekeningen

• Dipoolmoment per binding (μ): $\mu = \delta \cdot d$ waarbij $\delta$ de grootte van de partiële lading is en $d$ de afstand tussen de kernen.

• Vectoriële optelling van bindingsdipolen: Voor $n$ polaire bindingen met elk een vector $\mu_i$ in een ruimtelijke configuratie: Totale dipoolmoment [INLINE_EQUATION]\vec{\mu} = \Sigma \vec{\mu}_i[/INLINE_EQUATION] Dit vereist soms ontbinding van vectors in componenten, bijvoorbeeld via $\mu_{resultante} = \sqrt{\mu_x^2 + \mu_y^2 + \mu_z^2}$, waarbij $\mu_x = \Sigma \mu_i \cdot \cos(\theta_{i,x})$, enzovoort, afhankelijk van de ruimtelijke oriëntatie.

• Criterium: Als $\vec{\mu} = 0$ (vectorieel), dan is het molecuul apolair.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Koolstofdioxide (CO₂)

1. Lewisstructuur: O=C=O, lineair, geen vrije elektronenparen op het centrale atoom.

2. Ruimtelijke structuur: Lineaire geometrie (180° bindingshoek).

3. Polariteit per binding: C=O is polair: O (δ−), C (δ+); beide bindingen zijn identiek.

4. Vectoren: Trek twee vectoren van C naar O aan beide zijden.

5. Optellen vectoren: Beide bindingsdipolen zijn qua grootte gelijk, maar exact tegengesteld gericht (180° tegenover elkaar). Resultaat: vectoren heffen elkaar volledig op → $\vec{\mu} = 0$. Besluit: CO₂ is apolair ondanks de polaire individuele bindingen.

Voorbeeld 2: Dichloorfluormethaan (CH₂ClF)

1. Lewisstructuur: Centraal C-atoom met twee H, één Cl, één F.

2. Ruimtelijke structuur: Tetraëdrisch, C centraal, H, H, Cl, F in hoeken.

3. Polariteit per binding: C−Cl: Cl is sterker elektronegatief dan C (δ+ op C, δ− op Cl). C−F: F is nog sterker elektronegatief (nog grotere dipool dan Cl). C−H: zwak polair, meestal genegeerd in deze context.

4. Vectoren: Teken vectoren van C naar F, van C naar Cl, beide in verschillende richtingen (onder tetraëdrische hoeken, 109,5°).

5. Optellen vectoren: Door het verschil in grootte (F > Cl) en de oriëntatie, zal de resultante vector niet nul zijn. Er ontstaat een netto dipoolmoment in de richting waar F en Cl liggen. Resultaat: $\vec{\mu} \neq 0$. Besluit: CH₂ClF is een polair molecuul.

Veel gemaakte fouten

• Vergeten om vectoren als vectoriële grootheden op te tellen, en dus enkel scalarisch te benaderen, wat tot verkeerde conclusies omtrent polariteit leidt.

• Ruimtelijke structuur verkeerd inschatten, bijvoorbeeld denken dat een molecuul vlak is terwijl het tetraëdrisch is (methaan-analogen).

• Aannemen dat de aanwezigheid van polaire bindingen automatisch leidt tot een polair molecuul, zonder na te gaan of de vectoren elkaars effect niet opheffen.

• Onjuiste richting van bindingsvectoren tekenen: vectoren moeten van δ+ naar δ−, niet omgekeerd.

• Negeren van kleine maar significante bijdragen door zwakke polaire bindingen, zoals C−H in moleculen zonder symmetrie.

Samenvatting

• Het bepalen van de polariteit van een molecuul verloopt via vijf opeenvolgende, te respecteren stappen: Lewisstructuur opstellen, ruimtelijke structuur bepalen, polariteit per binding vaststellen, vectoren tekenen van δ+ naar δ−, en uiteindelijk vectorieel optellen.

• Enkel als de resulterende som van alle bindingsvectoren ($\vec{\mu}$) niet nul is, heeft het molecuul een permanent dipoolmoment: het molecuul is polair.

• De beoordeling vereist kennis van elektronegativiteitsverschillen en de exacte driedimensionale oriëntatie van bindingen om correct de resultante te bepalen.

• Falen om vectorieel te werken of asymmetrie te negeren leidt tot foutieve conclusies.

Oefenvragen

1. Bepaal het dipoolmoment van waterstofcyanide (HCN): Geef een volledig uitgewerkt stappenplan (alle vijf stappen) en besluit of het molecuul polair is. Antwoord:

   • Lewisstructuur: H−C≡N (lineair, geen vrije koppels op C)

   • Ruimtelijke structuur: lineair

   • Polariteit bindingen: H−C matig polair, C−N sterk polair (N is meest elektronegatief)

   • Vectoren: beide vectoren in dezelfde lijn, van H naar C (richting C), van C naar N (richting N)

   • Optellen: beide vectoren wijzen in dezelfde richting (van H via C naar N), resultante ≠ 0

   Conclusie: HCN is polair.

2. Leg uit waarom bortrifluoride (BF₃) ondanks de polaire B−F bindingen geen dipoolmoment vertoont. Antwoord:

   • Lewisstructuur: B centraal met drie F via enkele bindingen

   • Ruimtelijke structuur: trigonaal vlak, 120° tussen elke binding

   • Polariteit per binding: elke B−F binding is polair, F (δ−), B (δ+)

   • Vectoren: drie identieke vectoren, elk 120° uit elkaar in het vlak

   • Optellen: door symmetrie heffen de drie vectoren elkaar perfect op ($\vec{\mu} = 0$)

   Conclusie: BF₃ is apolair.

3. Een moleculair ion met formule ClO₂⁻ heeft een geknikte structuur. Bepaal of het molecuul polair is en motiveer je antwoord. Antwoord:

   • Lewisstructuur: Cl centraal, twee O via enkele bindingen met vrije elektronenparen (totaal drie elektronendomeinen, geknikte structuur)

   • Ruimtelijke structuur: V-vormig/gebogen, bindingshoek kleiner dan 120°

   • Polariteit bindingen: Cl−O bindingen zijn individueel polair (O is elektronegatiever)

   • Vectoren: beide vectoren zijn niet collineair door de geknikte structuur

   • Optellen: vectoren heffen elkaar niet volledig op, netto vector ≠ 0

   Conclusie: ClO₂⁻ is polair.

4. Stel dat SF₆ volledig symmetrisch is. Heeft dit molecuul een dipoolmoment? Licht je antwoord toe met betrekking tot de ruimtelijke structuur en vectoriële optelling. Antwoord:

   • Lewisstructuur: S centraal, zes F atomen

   • Ruimtelijke structuur: octaëdrisch, symmetrisch

   • Polariteit bindingen: elke S−F binding is polair (F δ−)

   • Vectoren: zes identieke vectoren vanuit S naar elke F naar de hoeken van een octaëder, symmetrisch rond het S-atoom

   • Optellen: Door de hoge symmetrie heffen alle bindingsvectoren elkaar volledig op ($\vec{\mu} = 0$)

   Conclusie: SF₆ is apolair ondanks polaire bindingen.

5. Geef een voorbeeld van een molecule waarvan alle bindingen apolair zijn, en beargumenteer waarom er geen moleculair dipoolmoment is. Antwoord:

   • Bijvoorbeeld: O₂ of N₂

   • Lewisstructuur: O=O, N≡N (dubbele respectievelijk drievoudige binding)

   • Ruimtelijke structuur: lineair

   • Polariteit bindingen: beide atoomsoorten identiek, elektronegativiteitsverschil = 0, dus geen polariteit per binding

   • Vectoren: geen vectoren, want geen partiële lading

   • Optellen: niets om op te tellen

   Conclusie: Zowel O₂ als N₂ zijn apolair door de afwezigheid van polaire bindingen.