Hva bestemmer formen på en Kovalent Molecule?

I et molekyl som vann eller adenosintrifosfat, blir atomer holdt sammen av kovalente bindinger. Kovalente bindinger dannes gjennom deling av elektroner. Danne kovalente bindinger frigjør energi, mens bryte en tar energi. Formen på et molekyl bestemmes av interaksjonene mellom atomer. Det finnes flere forskjellige modeller kjemikere bruker for å forstå og forutsi former av molekyler.

VSEPR

Valence skall elektron par frastøting, eller VSEPR, er en enkel måte å tenke på molekyler og er overraskende god til å forutsi geometrien i et molekyl. I utgangspunktet, sier VSEPR at kovalente bindinger dannes fra par av elektroner og elektronparene som ikke tar del i obligasjoner kalles enslige par. Ettersom elektronene frastøte hverandre, obligasjoner og lone parene er anordnet rundt et atom på en slik måte at de er like langt fra hverandre som mulig. I VSEPR, er en dobbeltbinding (to par av elektroner) eller en trippelbinding (tre par elektroner) antas å utøve den samme mengde frastøting som en enkeltbinding, mens et enslig par utøver noe mer. Basert på VSEPR, da ville man forutsi at vinkelen mellom de to OH-bindinger i vann ville være noe mindre enn 109,5 grader, mens alle tre atomer er knyttet til karbonet i formaldehyd vil være i samme plan, med en vinkel på omtrent 120 grader mellom obligasjoner.

Valence Bond Theory

Til tross for sin overraskende nøyaktighet, har VSEPR sine ulemper. For en, er det ikke kvantitativ. For en annen, det gir deg en idé om hva molekylet vil se ut, men det betyr ikke fortelle deg hvorfor. Valence obligasjon teori (VBT) overvinner disse manglene ved å beskrive molekyler i form av kvantemekanikk. I VBT, kan orbitaler (regioner av plass rundt et atom som et elektron kan okkupere) av atomer bli kombinert eller hybridiserte å danne hybrid orbitaler med matematisk veldefinerte former. En bindingen mellom atomene er en region hvor orbitaler overlapper hverandre. Bindinger hvor området ved orbital overlapping ligger langs inter aksen er kalt sigma-bindinger, mens bindinger hvor området ved orbital overlapping har en knutepunktplan (et mellomrom ikke er opptatt av elektroner) langs den inter aksen er kalt rc-bindinger. En dobbeltbinding er dannet fra en sigma binding og en π-binding, mens en enkeltbinding er alltid en sigma binding bare. Former og orienteringer av hybridisert og uhybridiserte orbitaler er det som bestemmer geometrien av molekylet i denne teorien.

Molecular Orbital Theory

VBT gjør en god jobb som beskriver mange av egenskapene til molekyler, men det også har noen mangler. For å ta et eksempel, VBT kan ikke forklare hvorfor oksygen er paramagnetiske (svakt tiltrukket av en magnet, i nærvær av et magnetisk felt). Molekylorbital teori, eller MO, overvinner disse ulempene. I MO teori, antas det at når atomer danner en binding, deres atomorbitalene kombinert for å danne molekylorbitalene fordelt over hele molekylet. En kombinasjon av hvilket som helst antall atomorbitalene vil danne samme antall molekylorbitalene. Dersom en orbital er formet slik at det er en høy sannsynlighet dens to elektroner vil bli funnet mellom atomer i molekylet, bidrar den til å holde molekylet sammen og kalles en binding orbital. En orbital hvor elektronene ikke vil bli funnet mellom atomer (det er en node mellom atomene, med andre ord) bidrar til å destabilisere molekylet og kalles et anti-bindings orbital. Elektroner i en binding orbital har lavere energi enn elektroner i en anti-bindings orbital.

Hva som egentlig skjer?

Kjemi studenter ønsker ofte å vite om molekylorbital teori eller valensbinding teori er et "mer korrekt" måte å beskrive et molekyl. MO teorien er den beste beskrivelsen av molekylære strukturen fordi det overvinner noen av begrensningene i VB teori; Dessuten er det lettere å bruke i beregninger enn VB teori. Både VB teori og MO teori er forskjellige måter å tenke på det samme men, og VB teori er svært nyttig for å forstå strukturen og reaktivitet av mange typer organiske forbindelser. Følgelig organiske kjemikere bruker ofte både VB teori og MO teori - MO teori for beregninger eller for å forstå n-konjugerte systemer som benzen, og VB teori for en kvalitativ forståelse av strukturen av molekylene.