10_00CO[1]
Chapter 10ChemicalBonding II
Chemistry: A Molecular Approach, 1st Ed.Nivaldo Tro
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
2
Structure Determines Properties!
properties of molecular substances depend on structures
the structure includes many factors, including:
skeletal structure
Bonding - ionic, polar covalent, or covalent
Shape
bonding theory should allow you to predict the shapes ofmolecules
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
3
Molecular Geometry
Molecules are 3-D
Describe molecular shape using geometric terms
Geometry has characteristic angles that we call bond angles
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
4
Using Lewis Theory to PredictMolecular Shapes
Lewis theory - regions of e- in an atom based on placing sharedpairs and unshared pairs of valence e-
predicts the shapes of molecules based on negatively chargedregions which repel
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
5
VSEPR Theory
e- groups (lone pairs and bonds) are most stable when they are asfar apart as possible – valence shell electron pair repulsiontheory
Maximum separation
the resulting geometric arrangement will allow us to predict theshapes and bond angles in the molecule
3-D representation
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
6
Electron Groups
the Lewis structure predicts the arrangement of valence e- around the centralatom(s)
each lone pair of e- constitutes one e- group on a central atom
each type of bond constitutes one electron group on a central atom
e.g. NO2
there are 3 e- groups on N
1 lone pair
1 single bond
1 double bond (counted as 1 group)
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
7
5 Basic Molecular Geometries
5 arrangements of e- groups
for molecules that exhibit resonance, it doesn’t matter which resonance formyou use – the molecular geometry will be the same
••
••
••
••
••
••
O    S   O
O   S    O
••
••
••
••
••
••
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
8
2 e- Groups: Linear Geometry
occupy positions opposite, around the central atom
linear geometry - bond angle is 180°
e.g. CO2
10_01-01UN[1]
10_01-02[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
9
3 e- Groups: Trigonal Geometry
occupy triangular positions
trigonal planar geometry - bond angle is 120°
e.g. BF3
10_01-05UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
10
Not Quite Perfect Geometry
10_01-06UN[1]
10_01-07UN[1]
3 e groups around centralatom – why not 120° ?
Because the bonds are notidentical, the observed angles areslightly different from ideal.
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
11
4 e- Groups: Tetrahedral Geometry
occupy tetrahedron positions around the central atom
tetrahedral geometry - bond angle is 109.5°
e.g. CH4
10_02-02UN[1]
10_02-01UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
12
5 e- Groups: Trigonal Bipyramidal Geometry
occupy positions in the shape of a two tetrahedra that are base-to-base
trigonal bipyramidal geometry
e.g. PCl5
10_02-04UN[1]
10_02-03b[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
13
6 e- Groups: Octahedral Geometry
occupy positions in the shape of two square-base pyramids that are base-to-base
octahedral geometry
e.g. SF6
10_02-06UN[1]
10_02-05UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
14
The Effect of Lone Pairs
lone pair groups “occupy more space” on the central atom
because their e- density is exclusively on the central atom rather thanshared like bonding electron groups
relative sizes of repulsive force interactions is:
Lone Pair – Lone Pair > Lone Pair – Bonding Pair > Bonding Pair –Bonding Pair
this effects the bond angles, making them smaller than expected
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
15
Effect of Lone Pairs
10_03[1]
The bonding electrons are shared by two atoms,so some of the negative charge is removed fromthe central atom.
The nonbonding electrons are localized on thecentral atom, so area of negative charge takesmore space.
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
16
Effect of Lone Pairs: Derivative Shapes
the molecule’s shape will be one of basic molecular geometries if all the e-groups are bonds and all the bonds are equivalent
molecules with lone pairs or different kinds of surrounding atoms will havedistorted bond angles and different bond lengths, but the shape will be aderivative of one of the basic shapes
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
17
10_T01[1]
3 e- Groups with Lone PairsDerivative of Trigonal Geometry
when there are 3 e- groups around central atom, and 1 of them is a lone pairtrigonal planar - bent shape - bond angle < 120°e.g. SO2
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
18
4 e- Groups with Lone PairsDerivatives of Tetrahedral Geometry
when there are 4 e- groups around the central atom, and 1 is a lone pairtrigonal pyramidal shape  bond angle is 107 °e.g. NH3
10_02-10UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
19
Bond Angle Distortion from Lone Pairs
10_02-12UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
20
HW: Which species has the smaller bond angle,Perchlorate (ClO4-) or Chlorate (ClO3-)?
200px-Chlorate-2D.png
Perchlorate-2D-dimensions.png
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
21
4 e- Groups with Lone PairsDerivatives of Tetrahedral Geometry
when there are 4 e- groups around the central atom, and 2 are lone pairstetrahedral-bent shapee.g. H2O
it looks similar to the trigonal planar-bent shape, except the angles aresmaller
image002.gif
water.jpg
104.5°
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
22
Tetrahedral-Bent Shape
10_03-01UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
23
Bond Angle Distortion from Lone Pairs
10_03-02UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
24
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
25
5 e- Groups with Lone PairsDerivatives of Trigonal Bipyramidal Geometry
when there are 5 e- groups around the central atom, and some are lonepairs, they will occupy the equatorial positions because there is more room
when there are 5 e- groups around the central atom, and 1 is a lone pair, theresult is called see-saw shape
aka distorted tetrahedron
when there are 5 e- groups around the central atom, and 2 are lone pairs, theresult is called T-shaped
when there are 5 e- groups around the central atom, and 3 are lone pairs, theresult is called a linear shape
the bond angles between equatorial positions is  < 120°
the bond angles between axial and equatorial positions is < 90°
linear = 180° axial-to-axial
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
26
Replacing Atoms with Lone Pairsin the Trigonal Bipyramid System
10_04-02UN[1]
10_04-03UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
27
See-Saw Shape
10_04-03UN[1]
10_04-03UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
28
T-Shape
10_04-04UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
29
Linear Shape
10_04-05UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
30
10_04-07UN[1]
when there are 6 e- groups around the central atom, and 1 is a lone pair, theresult is called a square pyramid shape
the bond angles between axial and equatorial positions is < 90°
6 e- Groups with Lone PairsDerivatives of Octahedral Geometry
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
31
when there are 6 e- groups around the central atom, and 2 are lone pairs, theresult is called a square planar shape
the bond angles between equatorial positions is 90°
6 e- Groups with Lone PairsDerivatives of Octahedral Geometry
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
32
10_T01[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
33
Predicting the ShapesAround Central Atoms
1)Draw the Lewis Structure
2)Determine the Number of Electron Groups around the CentralAtom
3)Classify Each Electron Group as Bonding or Lone pair, andCount each type
remember, multiple bonds count as 1 group
4)Use Table 10.1 to Determine the Shape and Bond Angles
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
34
Practice – Predict the Molecular Geometry andBond Angles in SiF5-
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
35
Practice – Predict the Molecular Geometry andBond Angles in SiF5
Si = 4e
F5 = 5(7e) = 35e
(─) = 1e
total = 40e
5 Electron Groups on Si
5 Bonding Groups
0 Lone Pairs
Shape = Trigonal Bipyramid
-
Bond Angles
Feq-Si-Feq = 120°
Feq-Si-Fax = 90°
Si Least Electronegative
Si Is Central Atom
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
36
Practice – Predict the Molecular Geometry andBond Angles in ClO2F (Chloryl Fluoride)
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
37
Practice – Predict the Molecular Geometry andBond Angles in ClO2F
Cl = 7e
O2 = 2(6e) = 12e
F = 7e
Total = 26e
4 Electron Groups on Cl
3 Bonding Groups
1 Lone Pair
Shape = Trigonal Pyramidal
Bond Angles
O-Cl-O < 109.5°
O-Cl-F < 109.5°
Cl Least Electronegative
Cl Is Central Atom
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
38
Representing 3-Dimensional Shapes on a 2-Dimensional Surface
one of the problems with drawing molecules is trying to showtheir dimensionality
by convention, the central atom is put in the plane of the paper
put as many other atoms as possible in the same plane andindicate with a straight line
for atoms in front of the plane, use a solid wedge
for atoms behind the plane, use a hashed wedge
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
39
10_04-18UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
40
10_02-06UN[1]
SF6
S
F
F
Wide upward diagonal
F
F
F
F
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
41
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
42
Multiple Central Atoms
many molecules have larger structures with many interior atoms
we can think of them as having multiple central atoms
when this occurs, we describe the shape around each central atom in sequencee.g. acetic acid
shape around left C is tetrahedral
shape around center C is trigonal planar
shape around right O is tetrahedral-bent
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
43
10_04-25UN[1]
Describing the Geometryof Methanol
10_04-26UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
44
Describing the Geometryof Glycine
10_04-23UN[1]
10_04-24UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
45
Practice – Predict the Molecular Geometries inH3BO3
46
Practice – Predict the Molecular Geometries inH3BO3
B = 3e
O3 = 3(6e) = 18e
H3 = 3(1e) = 3e
Total = 24e
3 Electron Groups on B
B has
3 Bonding Groups
0 Lone Pairs
Shape on B = Trigonal Planar
B Least Electronegative
B Is Central Atom
oxyacid, so H attached to O
4 Electron Groups on O
O has
2 Bonding Groups
2 Lone Pairs
Shape on O = Bent
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
47
Practice – Predict the Molecular Geometries inC2H4
48
Practice – Predict the Molecular Geometries inC2H4
C = 2(4e) = 8e ─
H = 4(1e) = 4e
Total = 12e
3 Electron Groups on C
Shape on each C =Trigonal Planar
0 Lone Pairs
Ethene.png
Ethylene-3D-balls.png
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
49
Practice – Predict the Molecular Geometries inCH3OCH3
50
Practice – Predict the Molecular Geometries inDimethyl Ether (CH3OCH3)
C = 2(4e) = 8e ─
H = 6(1e) = 6e
O = 6(1e) = 6e
Total = 20e
4 Electron Groups on C
Shape on each C = Tetrahedral
2 Lone Pairs on O
Shape on O = Bent
valel_dimethylether.png
800px-Dimethyl-ether-3D-balls.png
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
51
Reminder about Eletronegativity!
Electronegativity, is a chemical property that describes the tendency of anatom to e- towards itself
electronegativity-chart.jpg
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
52
Polarity of Molecules
in order for a molecule to be polar it must
1)have polar bonds
electronegativity difference
dipole moments (charge x distance)
2)have an unsymmetrical shape
vector addition
polarity affects the intermolecular forces of attraction
therefore boiling points and solubilities
like dissolves like
nonbonding pairs strongly affect molecular polarity
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
53
Molecule Polarity
10_04-28UN[1]
The H-Cl bond is polar
Bonding e- are pulled toward the Cl end of the molecule
Net result is a polar molecule.
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
54
10_04-33UN[1]
Vector Addition
10_04-31UN[1]
10_04-32UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
55
10_T02[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
56
Molecule Polarity
The O-C bond is polar
The bonding  e- are pulled equally toward both O’s
Symmetrical molecule
Net result is a nonpolar molecule
10_04-29UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
57
Molecule Polarity
The H-O bond is polarBoth sets of bonding e- are pulled toward the O
Net result is a polar molecule
10_04-30UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
58
Molecule Polarity
buret.gif
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
59
Molecule Polarity
The H-N bond is polar
All the sets of bonding electrons are pulled toward the N
Not symmetrical
Net result is a polar molecule
10_04-36UNb[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
60
Molecule Polarity
10_02-02UN[1]
The C-H bond is polar
Four equal dipoles cancel each other out due to symmetry
Net result is a non-polar molecule
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
61
Molecular Polarity AffectsSolubility in Water
polar molecules are attracted to other polarmolecules
since water is a polar molecule, other polarmolecules dissolve well in water
and ionic compounds as well
10_05[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
62
Molecular Polarity AffectsSolubility in Water
Oil and water do not mix!
10_05-01UN[1]
Mutual attractioncauses polarmolecules to clumptogether
004_oil_N_water.jpg
Water shrinks on melting (ice floatson water)
Unusually high melting point
Unusually high boiling point
Unusually high surface tension
Unusually high viscosity
Unusually high heat of vaporization
Unusually high specific heatcapacity
And more…
2-2
Unique Properties
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
64
Molecular Polarity AffectsSolubility in Water
some molecules have both polar and nonpolar partse.g. soap
10_05-03UN[1]
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
65
Practice - Decide Whether the Following Are Polar
EN
O = 3.5
N = 3.0
Cl = 3.0
S = 2.5
Tro, Chemistry: A Molecular Approach
66
Practice - Decide Whether the Following Are Polar
polar
nonpolar
1) polar bonds, N-O
2) asymmetrical shape
1) polar bonds, all S-O
2) symmetrical shape
Trigonal
Bent
Trigonal
Planar
Cl
N
O
3.0
3.0
3.5
O
O
O
S
3.5
3.5
3.5
2.5