Strona główna
Chemia
Koncepcja geometrii molekularnej, typy i przykłady

Chemia

Koncepcja geometrii molekularnej, typy i przykłady

Geometria molekularna albo struktura molekularna Jest to przestrzenny rozkład atomów wokół atomu centralnego. Atomy reprezentują regiony, w których występuje wysoka gęstość elektroniczna, a zatem są uważane za grupy elektroniczne, niezależnie od tworzenia się linków (proste, podwójne lub potrójne).

Geometria molekularna pierwiastka może scharakteryzować niektóre jego właściwości fizyczne lub chemiczne (temperatura wrzenia, lepkość, gęstość itp.). Na przykład struktura molekularna wody określa jej rozpuszczalność.

Źródło: Gabriel Bolívar

Ta koncepcja rodzi się na podstawie kombinacji i danych eksperymentalnych dwóch teorii: walencji łącza (TEV) i odpychania par elektronicznych warstwy Walencji (RPECV). Podczas gdy pierwszy definiuje łącza i ich kąty, drugi ustanawia geometrię, a zatem strukturę molekularną.

Jakie kształty geometryczne są w stanie przyjmować cząsteczki? Dwie poprzednie teorie przyczyniają się do odpowiedzi. Według RPECV atomy i pary wolnych elektronów muszą być ułożone w przestrzeni w taki sposób, aby odpychanie elektrostatyczne między nimi zmniejsza się do maksimum.

Tak więc kształty geometryczne nie są dowolne, ale szukają najbardziej stabilnego projektu. Na przykład na górnym obrazie trójkąt można zobaczyć po lewej stronie, a po prawej. Zielone punkty reprezentują atomy i pomarańczowe paski linki.

W trójkącie trzy zielone punkty są zorientowane w separacji 120º. Ten kąt, który jest równy kątowi łącza, pozwala atomom odstraszać się, jak to możliwe. Dlatego cząsteczka z atomem centralnym przymocowanym do trzech innych przyjmie płaską geometrię trygonalną.

Jednak RPECV przewiduje, że para wolnych elektronów w atomie centralnym zniekształci geometrię. W przypadku płaszczyzny trygonalnej moment ten pchnie trzy zielone punkty, co spowoduje trygonalną geometrię piramidy.

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

[TOC]

Jak z góry wiedzieć geometria molekularna atomu x?

W tym celu konieczne jest również rozważenie wolnych elektronów jako grup elektronicznych. Te, wraz z atomami, zdefiniują to, co jest znane jako Geometria elektroniczna, który jest nierozerwalnym towarzyszem geometrii molekularnej.

Od geometrii elektronicznej i po wykryciu pary wolnych elektronów według struktury Lewisa, można ustalić, jaka będzie geometria molekularna. Suma wszystkich geometrii molekularnych zapewni szkic globalnej struktury.

Rodzaje geometrii molekularnej

Jak widać na głównym obrazie, geometria molekularna zależy od tego, ile atomów otacza atom środkowy. Jeśli jednak kilka elektronów jest obecnych bez udostępniania, modyfikuje geometrię, ponieważ zajmuje wiele objętości. Dlatego wywiera efekt steryczny.

Zgodnie z tym geometria może przedstawić serię charakterystycznych form dla wielu cząsteczek. I tutaj pojawiają się różne rodzaje geometrii molekularnej lub struktury molekularnej.

Kiedy geometria jest równa strukturze? Oba oznaczają to samo tylko w przypadkach, w których struktura nie ma więcej niż jednego rodzaju geometrii; W przeciwnym razie wszystkie obecne typy muszą być rozpatrywane i nadać strukturze globalną nazwę (liniowe, rozgałęzione, kuliste, płaskie itp.).

Może ci służyć: hydrace

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

Liniowy

Wszystkie wiązania kowalencyjne są kierunkowe, więc link A-B jest liniowy. Ale czy cząsteczka AB będzie liniowa₂? Jeśli tak, geometria jest po prostu reprezentowana jako: B-a-B. Dwa atomy B są oddzielone kątem 180º, a według TEV A musi mieć hybrydowe orbitale SP.

Kątowy

Źródło: Gabriel Bolívar

Liniową geometrię dla cząsteczki AB można założyć w pierwszej kolejności₂; Jednak konieczne jest narysowanie struktury Lewisa przed wyciągnięciem wniosków. Narysuj strukturę Lewisa, możesz zidentyfikować liczbę nietypowych par elektronów (:) na atomie.

Kiedy tak jest, na parach elektronów dwa atomy B w dół, zmieniając ich kąty. W rezultacie cząsteczka liniowa B-A-B staje się V, bumerang lub geometria kątowa (obraz doskonały)

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

Dlaczego ten kąt? Ponieważ geometria elektroniczna jest czworościenna, która ma cztery wierzchołki: dwa dla atomów H i dwa dla elektronów. Na lepszym obrazie zauważ, że zielone punkty i dwa „płaty z oczami” rysują tetrahedron z niebieskawym punktem pośrodku.

Gdyby lub nie miały wolnych elektronów, woda utworzyłaby cząsteczkę liniową, jej biegunowość zmniejszyłaby się, a oceany, morza, jeziora itp., Prawdopodobnie nie istniałyby tak, jak się znają.

Tetrahedralny

Źródło: Gabriel Bolívar

Górny obraz reprezentuje geometrię czworościenną. W przypadku cząsteczki wody jej elektroniczna geometria jest czworościenna, ale poprzez eliminowanie pary wolnych od elektronów można zauważyć, że jest przekształcana w geometrię kątową. Obserwuje się to również poprzez wyeliminowanie dwóch zielonych punktów; Pozostałe dwa narysują V z niebieskim punktem.

Co jeśli zamiast dwóch pary wolnych elektronów był tylko jeden? Wtedy będzie płaszczyzna trygonalna (główny obraz). Jednak poprzez wyeliminowanie grupy elektronicznej nie unika się efektu sterycznego wytwarzanego przez parę wolnych elektronów. Dlatego zniekształca płaszczyznę trygonalną do trójkątnej bazowej piramidy:

Źródło: Gabriel Bolívar

Chociaż geometria molekularna trygonalna i tetraedralna piramida jest różna, geometria elektroniczna jest taka sama: czworościenna. Tak więc piramida trygonalna nie liczy się jako geometria elektroniczna?

Odpowiedź brzmi nie, ponieważ jest to produkt zniekształceń spowodowany przez „płat z oczami” i jego działanie steryczne, i wspomniane geometria nie bierze pod uwagę późniejszych zniekształceń.

Z tego powodu zawsze ważne jest określenie pierwszej geometrii elektronicznej za pomocą struktur Lewisa przed zdefiniowaniem geometrii molekularnej. Cząsteczka amoniaku, NH₃, Jest przykładem geometrii molekularnej piramidy trygonalnej, ale z czworościenną geometrią elektroniczną.

Trygonalny dwupiramid

Źródło: Gabriel Bolívar

Do tej pory, z wyjątkiem geometrii liniowej, w piramidzie czworościennej, kątowej i trygonalnej. Ich atomy centralne mają hybrydyzację SP SP³, Według TEV. Oznacza to, że jeśli jego kąty łącza zostały eksperymentalnie określone, powinny wynosić około 109º.

Może ci służyć: chemia stosowana: obiekt studiów, gałęzie, znaczenie, przykłady

Z trygonalnej geometrii diferydalnej istnieje pięć grup elektronicznych wokół atomu centralnego. Na górnym obrazie można zobaczyć z pięcioma zielonymi punktami; trzy w trójkątnej podstawie i dwa w pozycjach osiowych, które są górnymi i dolnymi wierzchołkami piramidy.

Jaka hybrydyzacja ma wtedy niebieski punkt? Potrzebuje pięciu hybrydowych orbitali, aby utworzyć proste (pomarańczowe) wiązania. To osiąga to przez pięć orbitali sp³D (Produkt mieszanki orbity S, trzy P i jeden D).

Rozważając pięć grup elektronicznych, geometria jest już ujawniona, ale mając pary elektronów bez udostępniania, ponownie cierpi zniekształcenia, które generują inne geometrie. Podobnie pojawia się następujące pytanie: te pary mogą zajmować dowolną pozycję piramidy? Są to: osiowy lub równikowy.

Pozycje osiowe i równikowe

Zielone punkty, które tworzą trójkątną podstawę, znajdują się w pozycjach równikowych, podczas gdy dwa na górnych i dolnych końcach, w pozycjach osiowych. Gdzie preferencyjnie para elektronów będzie zlokalizowana bez udostępniania? W tej pozycji, która zmniejsza się do maksymalnego odpychania elektrostatycznego i efektu sterycznego.

W pozycji osiowej para elektronów spowodowałaby „ciśnienie” prostopadłe (90º) na zasadzie trójkątnej, podczas gdy gdyby znajdowały się w pozycji równikowej, pozostałe elektroniczne grupy podstawy byłyby rozdzielone 120º i nacisnęłyby dwa końce na 90º (zamiast w trzy, jak w przypadku bazy).

Dlatego środkowy atom będzie starał się poprowadzić swoich rówieśników wolnych od elektronów w pozycjach równikowych, aby wygenerować bardziej stabilne geometrie molekularne.

Oscylacja i forma t

Źródło: Gabriel Bolívar

Gdyby jeden lub więcej jego atomów wolnych od elektronów zostanie zastąpione w trygonalnej geometrii dwupiramidowej, różne geometrie molekularne również miałyby.

Po lewej stronie górnego obrazu geometria zmienia się w kształcie oscylacyjny. W nim moment obrotowy pozbawiony elektronów popycha resztę czterech atomów w tym samym kierunku, pochylając swoje połączenia z lewą. Zwróć uwagę, że ten moment obrotowy i dwa atomy leżą w tej samej trójkątnej płaszczyźnie pierwotnego bipiiramidu.

I po prawej stronie obrazu geometria w kształcie t. Ta geometria molekularna jest wynikiem zastąpienia dwóch atomów dwiema parami elektronów, co wynika, że pozostałe trzy atomy wyrównają się w tej samej płaszczyźnie, która rysuje dokładnie literę t.

Tak więc dla cząsteczki typu AB₅, To przyjmuje trygonalną geometrię bipiramidową. Jednak ab₄, Przy tej samej geometrii elektronicznej przyjmuje geometrię oscylacyjną; i ab₃, Geometria w kształcie t. We wszystkich z nich będzie (ogólnie) hybrydyzacja SP³D.

Aby określić geometrię molekularną, konieczne jest narysowanie struktury Lewisa, a zatem jej geometrii elektronicznej. Jeśli jest to trygonalna dwupiramida, pary wolne od elektronu zostaną następnie odrzucone, ale nie ich steryi na resztę atomów. W ten sposób można go doskonale rozpoznać między trzema możliwymi geometrią molekularną.

Otaczedralny

Po prawej stronie głównego obrazu reprezentowana jest oktaedryczna geometria molekularna. Ten typ geometrii odpowiada związkom AB₆. Ab₄ Tworzą kwadratową podstawę, podczas gdy pozostałe dwa B pozycjonują się w pozycjach osiowych. Zatem powstaje kilka trójkątów równobocznych, które są twarze oktahedronu.

Może ci służyć: Energia aktywacji

Tutaj ponownie mogą istnieć (jak we wszystkich geometriach elektronowych) pary wolnych elektronów, a zatem z tego faktu pochodzą inne geometrie molekularne. Na przykład AB₅ Z oktronistyczną geometrią elektroniczną składa się z piramidy z kwadratową podstawą i AB₄ kwadratowej płaszczyzny:

Źródło: Gabriel Bolívar

W przypadku oktronistycznej geometrii elektronicznej te dwie geometrie molekularne są najbardziej stabilne pod względem odpychania elektrostatycznego. W kwadratowej płaskiej geometrii dwie pary elektronów są oddzielone 180º.

Co to jest hybrydyzacja atomu w tych geometriach (lub strukturach, jeśli jest to jedyna)? Znowu TEV stwierdza, że jest to SP³D², Sześć hybrydowych orbitali, które pozwala kierować grupami elektronicznymi w wierzchołkach oktahedanu.

Inne geometrie molekularne

Modyfikując podstawy wspomnianych do tej pory do tej pory, można uzyskać bardziej złożone geometrie molekularne. Na przykład dwupiramida pięciokątna opiera₇.

Podobnie jak inne geometrie molekularne, zastąpienie atomów B parami bez elektronów zniekształci geometrię na inne formy.

Również związki ab₈ Mogą przyjmować geometrie, takie jak kwadratowy antypryzm. Niektóre geometrie mogą stać się bardzo skomplikowane, szczególnie w przypadku formuł AB₇ Od teraz₁₂).

Przykłady geometrii molekularnej

Seria związków zostanie wspomniana poniżej dla każdej z głównych geometrii molekularnych. Jako ćwiczenie można narysować struktury Lewis dla wszystkich przykładów i zaświadczyć, jeśli, biorąc pod uwagę geometrię elektroniczną, geometrie molekularne są uzyskane, ponieważ są wymienione poniżej.

Geometria liniowa

-Etylen, godz₂C≡CH₂

-Chlorek berylu, becl₂ (Cl-be-cl)

-Dwutlenek węgla, CO₂ (O = c = o)

-Azot, n₂ (N≡N)

-Dibromure rtęci, HGBR₂ (BR-HG-BR)

-Triyoduro Anion, i₃^-(I-i-i)

-Madehydric kwas, HCN (H-N≡C)

Jego kąty muszą wynosić 180º, a zatem mają hybrydyzację SP.

Geometria kątowa

-Woda

-Dwutlenek siarki, więc₂

-Dwutlenek azotu, nie₂

-Ozon lub₃

-Amiduro anion, NH₂^-