Typy i przykłady geometrii molekularnej



The geometria molekularna o struktura molekularna jest przestrzennym rozkładem atomów wokół centralnego atomu. Atomy reprezentują regiony, w których występuje duża gęstość elektroniczna, i dlatego są uważane za grupy elektroniczne, niezależnie od linków, które tworzą (pojedyncze, podwójne lub potrójne).

Koncepcja ta zrodziła się z połączenia i danych eksperymentalnych dwóch teorii: wiązania walencyjnego (TEV) i odpychania par elektronicznych powłoki walencyjnej (VSPR). Podczas gdy pierwszy definiuje połączenia i ich kąty, drugi określa geometrię, a zatem strukturę molekularną.

Jakie kształty geometryczne są w stanie przyjąć cząsteczki? Dwie poprzednie teorie dostarczają odpowiedzi. Według VSEPR atomy i pary wolnych elektronów muszą być rozmieszczone w przestrzeni w taki sposób, aby zminimalizować odpychanie elektrostatyczne między nimi..

Tak więc geometryczne kształty nie są arbitralne, ale szukaj najbardziej stabilnej konstrukcji. Na przykład w górnym obrazie po lewej stronie widoczny jest trójkąt, a po prawej ośmiościan. Zielone kropki reprezentują atomy, a pomarańczowe paski.

W trójkącie trzy zielone punkty są zorientowane w odstępie 120º. Ten kąt, który jest równy kątowi wiązania, pozwala atomom odpychać się jak najmniej. Dlatego cząsteczka z centralnym atomem przyłączonym do trzech innych przyjmie geometrię płaszczyzny trygonalnej.

Jednak VSCR przewiduje, że wolna para elektronów w centralnym atomie zniekształci geometrię. W przypadku płaszczyzny trygonalnej para ta popchnie w dół trzy zielone punkty, w wyniku czego powstanie geometria piramidy trygonalnej.

To samo może się zdarzyć z ośmiościanem obrazu. W nim wszystkie atomy są rozdzielone w najbardziej stabilny sposób.

Indeks

  • 1 Jak z wyprzedzeniem poznać geometrię molekularną atomu X?
  • 2 typy
    • 2.1 Liniowy
    • 2.2 Kątowe
    • 2.3 Czworościenny
    • 2.4 Bipiramida trygonalna
    • 2.5 Octahedral
    • 2.6 Inne geometrie molekularne
  • 3 Przykłady
    • 3.1 Geometria liniowa
    • 3.2 Geometria kątowa
    • 3.3 Plan trygonalny
    • 3.4 Czworościenny
    • 3.5 Piramida trygonalna
    • 3.6 Bipiramida trygonalna
    • 3.7 Oscylacja
    • 3.8 Kształt T
    • 3.9 Octahedral
  • 4 odniesienia

Jak poznać z góry geometrię molekularną atomu X?

W tym celu konieczne jest również rozważenie par wolnych elektronów jako grup elektronicznych. Te, wraz z atomami, będą określać tzw geometria elektroniczna, który jest nieodłącznym towarzyszem geometrii molekularnej.

Z geometrii elektronicznej i po wykryciu przez strukturę Lewisa par wolnych elektronów możemy ustalić, jaka będzie geometria molekularna. Suma wszystkich geometrii molekularnych zapewni zarys globalnej struktury.

Typy

Jak widać na głównym obrazie, geometria molekularna zależy od liczby atomów otaczających centralny atom. Jeśli jednak para elektronów jest obecna bez dzielenia się, zmodyfikuje geometrię, ponieważ zajmuje dużo objętości. Dlatego wywołuje efekt steryczny.

Zgodnie z tym geometria może przedstawiać szereg charakterystycznych kształtów dla wielu cząsteczek. I tu powstają różne rodzaje geometrii molekularnej lub struktury molekularnej.

Kiedy geometria jest równa strukturze? Oba oznaczają to samo tylko w przypadkach, gdy struktura nie ma więcej niż jednego rodzaju geometrii; w przeciwnym razie należy wziąć pod uwagę wszystkie obecne typy i nadać strukturę globalną nazwę (liniową, rozgałęzioną, globularną, płaską itd.).

Geometrie są szczególnie przydatne do wyjaśnienia struktury bryły z jej jednostek strukturalnych.

Liniowy

Wszystkie wiązania kowalencyjne są kierunkowe, więc połączenie A-B jest liniowe. Ale czy cząsteczka AB będzie liniowa?2? Jeśli tak, geometria jest po prostu reprezentowana jako: B-A-B. Dwa atomy B są oddzielone kątem 180 ° i zgodnie z TEV, A musi mieć orbitale hybrydowe sp.

Kątowy

W pierwszej kolejności można założyć geometrię liniową dla cząsteczki AB2; jednak istotne jest, aby narysować strukturę Lewisa, zanim dojdzie do konkluzji. Rysując strukturę Lewisa, można zidentyfikować liczbę par elektronów bez współdzielenia (:) na atomie A.

Kiedy tak jest, na szczycie par elektronów popychają dwa atomy B w dół, zmieniając ich kąty. W rezultacie cząsteczka liniowa B-A-B staje się V, bumerangiem lub geometrią kątową (górny obraz)

Cząsteczka wody, H-O-H, jest idealnym przykładem dla tego typu geometrii. W atomie tlenu znajdują się dwie pary elektronów bez dzielenia, które są zorientowane pod kątem około 109º.

Dlaczego ten kąt? Ponieważ geometria elektronowa jest czworościenna, która ma cztery wierzchołki: dwa dla atomów H i dwa dla elektronów. Na powyższym obrazku zauważ, że zielone kropki i dwa „płaty z oczami” rysują czworościan z niebieskawym punktem w środku.

Gdyby O nie miało wolnych par elektronów, woda tworzyłaby cząsteczkę liniową, jej biegunowość spadłaby, a oceany, morza, jeziora itp. Prawdopodobnie nie istniałyby, gdy byłyby znane.

Czworościenny

Górny obraz przedstawia geometrię czworościenną. Dla cząsteczki wody jej geometria elektronowa jest czworościenna, ale poprzez wyeliminowanie par wolnych od elektronów można zauważyć, że przekształca się ona w geometrię kątową. Obserwuje się to również po prostu przez wyeliminowanie dwóch zielonych kropek; pozostałe dwa narysują literę V z niebieską kropką.

A gdyby zamiast dwóch par wolnych elektronów było tylko jedno? Potem byłaby płaszczyzna trygonalna (główny obraz). Jednak eliminując grupę elektronową, nie można uniknąć efektu sterycznego wytwarzanego przez parę wolnych elektronów. Dlatego zniekształca płaszczyznę trygonalną do trójkątnej piramidy bazowej:

Chociaż geometria molekularna piramidy trygonalnej i czworościennej jest różna, geometria elektroniczna jest taka sama: czworościenna. Zatem piramida trygonalna nie liczy się jako geometria elektroniczna?

Odpowiedź brzmi: nie, ponieważ jest wynikiem zniekształcenia spowodowanego przez „płat z oczami” i jego efektem sterycznym, a ta geometria nie uwzględnia późniejszych zniekształceń.

Z tego powodu zawsze ważne jest, aby najpierw określić geometrię elektronową za pomocą struktur Lewisa przed zdefiniowaniem geometrii molekularnej. Cząsteczka amoniaku, NH3, jest przykładem geometrii molekularnej piramidy trygonalnej, ale z czworościenną geometrią elektronową.

Bipiramida trygonalna

Do tej pory, z wyjątkiem geometrii liniowej, w czworościennej piramidzie kątowej i trygonalnej, jej atomy centralne mają hybrydyzację sp3, zgodnie z TEV. Oznacza to, że jeśli twoje kąty łącza zostały określone eksperymentalnie, powinny wynosić około 109º.

Z trygonalnej geometrii dipiramidalnej znajduje się pięć grup elektronicznych wokół centralnego atomu. Na górnym obrazie widać pięć zielonych punktów; trzy w trójkątnej podstawie i dwa w położeniach osiowych, które są górnymi i dolnymi wierzchołkami piramidy.

Jaka jest hybrydyzacja niebieskiej kropki? Potrzebuje pięciu hybrydowych orbitali, aby utworzyć proste wiązania (pomarańczowe). Osiąga się to poprzez pięć orbitali sp3d (iloczyn mieszaniny orbitalnej s, trzech p i d).

Rozważając pięć grup elektronicznych, geometria jest już odkryta, ale mając pary elektronów bez współużytkowania, ta ponownie cierpi na zniekształcenia generujące inne geometrie. Pojawia się również następujące pytanie: czy te pary mogą zajmować jakąkolwiek pozycję w piramidzie? Są to: osiowe lub równikowe.

Pozycje osiowe i równikowe

Zielone punkty tworzące trójkątną podstawę są w pozycjach równikowych, podczas gdy dwa w górnym i dolnym końcu, w pozycjach osiowych. Gdzie, najlepiej, będzie zlokalizowana para elektronów bez współdzielenia? W tej pozycji, która minimalizuje odpychanie elektrostatyczne i efekt steryczny.

W pozycji osiowej para elektronów „naciskałaby” prostopadle (90º) na trójkątną podstawę, podczas gdy gdyby była w pozycji równikowej, dwie pozostałe grupy elektroniczne podstawy byłyby oddalone o 120º i nacisnęłyby oba końce o 90º (zamiast trzy, jak z bazą).

Dlatego centralny atom będzie dążył do zorientowania swoich wolnych od elektronów par w pozycjach równikowych, aby wytworzyć bardziej stabilne geometrie molekularne.

Kształt oscylacyjny i T

Gdyby geometria bipiramid trygonalnych miała zastąpić jeden lub więcej atomów parami wolnymi od elektronów, miałaby także inne geometrie molekularne.

Po lewej stronie górnego obrazu geometria zmienia się w oscylujący kształt. W nim wolna para elektronów popycha pozostałe cztery atomy w tym samym kierunku, składając ich linki w lewo. Zauważ, że ta para i dwa atomy leżą w tej samej trójkątnej płaszczyźnie oryginalnej dipiramidy.

I na prawo od obrazu, geometria w kształcie litery T. Ta geometria molekularna jest wynikiem zastąpienia dwóch atomów przez dwie pary elektronów, co powoduje, że pozostałe trzy atomy są wyrównane w tej samej płaszczyźnie, która rysuje dokładnie jedną literę T.

Tak więc dla cząsteczki typu AB5, przyjmuje trygonalną geometrię bipiramid. Jednak AB4, przy tej samej geometrii elektronicznej przyjmie oscylacyjną geometrię; i AB3, geometria w kształcie litery T. We wszystkich z nich A będzie miała (ogólnie) hybrydyzację sp3d.

Aby określić geometrię molekularną, konieczne jest narysowanie struktury Lewisa, a zatem jej geometrii elektronicznej. Jeśli jest to bipiramida trygonalna, wówczas wolne od elektronów pary zostaną odrzucone, ale nie ich efekty steryczne na resztę atomów. Zatem możliwe jest idealne rozróżnienie pomiędzy trzema możliwymi geometriami molekularnymi.

Octahedral

Oktaedryczna geometria molekularna jest przedstawiona po prawej stronie głównego obrazu. Ten typ geometrii odpowiada związkom AB6. AB4 tworzą one kwadratową podstawę, podczas gdy pozostałe dwa B są umieszczone w pozycjach osiowych. W ten sposób powstaje kilka trójkątów równobocznych, które są powierzchniami ośmiościanu.

Tutaj znowu mogą istnieć (jak we wszystkich elektronicznych geometriach) wolne pary elektronów, a zatem z tego faktu wywodzą się inne geometrie molekularne. Na przykład AB5 z oktaedryczną geometrią elektroniczną składa się z piramidy o podstawie kwadratowej i AB4 kwadratowej płaszczyzny:

W przypadku oktaedrycznej geometrii elektronicznej te dwie geometrie molekularne są najbardziej stabilne pod względem odpychania elektrostatycznego. W geometrii kwadratowo-płaskiej dwie pary elektronów są oddalone o 180 °.

Co to jest hybrydyzacja dla atomu A w tych geometriach (lub strukturach, jeśli jest to jedyna)? Ponownie TEV stwierdza, że ​​jest to sp3d2, sześć hybrydowych orbitali, które pozwalają A orientować grupy elektroniczne na wierzchołkach ośmiościanu.

Inne geometrie molekularne

Modyfikując podstawy piramid wymienionych powyżej, można uzyskać bardziej złożone geometrie molekularne. Na przykład pięciokątna bipiramida jest oparta na pięciokącie, a związki, które ją tworzą, mają ogólny wzór AB7.

Podobnie jak inne geometrie molekularne, zastępowanie atomów B parami wolnymi od elektronów zniekształci geometrię na inne formy.

Również związki AB8 mogą przyjąć geometrie, takie jak kwadratowy antyprism. Niektóre geometrie mogą być bardzo skomplikowane, zwłaszcza dla formuł AB7 począwszy (do AB12).

Przykłady

Następnie wymieniona zostanie seria związków dla każdej z głównych geometrii molekularnych. Jako ćwiczenie, możesz narysować struktury Lewisa dla wszystkich przykładów i poświadczyć, czy biorąc pod uwagę geometrię elektroniczną, otrzymasz geometrie molekularne, jak podano poniżej..

Geometria liniowa

-Etylen, H2C≡CH2

-Chlorek berylu, BeCl2 (Cl-Be-Cl)

-Dwutlenek węgla, CO2 (O = C = O)

-Azot, N2 (N≡N)

-Dibromek rtęci, HgBr2 (Br-Hg-Br)

-Trójjodek anionowy, I3- (I-I-I)

-Cyjanowodór, HCN (H-N≡C)

Jego kąty muszą wynosić 180 °, a zatem mają hybrydyzację sp.

Geometria kątowa

-Woda

-Dwutlenek siarki, SO2

-Dwutlenek azotu, NIE2

-Ozon, O3

-Anion amiduro, NH2-

Płaszczyzna trygonalna

-Trifluorek bromu, BF3

-Trichlorek glinu, AlCl3

-Anion azotanowy, NIE3-

-Węglan anionowy, CO32-

Czworościenny

-Gaz metanowy, CH4

-Tetrachlorek węgla, CCl4

-Kation amonowy, NH4+

-Siarczan anionowy, SO42-

Piramida trygonalna

-Amoniak, NH3

-Hydronium kationowe, H3O+

Bipiramida trygonalna

-Pentafluorek fosforu, PF5

-Pentachlorek antymonu, SbF5

Oscylacyjny

Tetrafluorek siarki, SF4

Kształt T

-Trichlorek jodu, IC13

-Trifluorek chlorku, ClF3 (oba związki są znane jako interhalogeny)

Octahedral

-Sześciofluorek siarki, SF6

-Sześciofluorek selenu, SeF6

-Heksafluorofosforan, PF6-

Aby osiągnąć kulminację, geometria molekularna tłumaczy obserwacje właściwości chemicznych lub fizycznych materii. Jest jednak zorientowany zgodnie z geometrią elektroniczną, tak że ta ostatnia musi być zawsze określona przed pierwszym.

Referencje

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia (8 wyd.). CENGAGE Learning, str. 194-198.
  2. Shiver i Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna (Wydanie czwarte., Str. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
  3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria molekularna i teoria VSEPR. Źródło: nyu.edu
  4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Wprowadzenie do geometrii molekularnej. Źródło: chemistry.elmhurst.edu
  5. Chemia LibreTexts. (8 września 2016 r.). Geometria cząsteczek. Źródło: chem.libretexts.org