Tipovi i primjeri molekularne geometrije
molekularna geometrija ili molekularna struktura je prostorna raspodjela atoma oko središnjeg atoma. Atomi predstavljaju regije u kojima postoji visoka elektronska gustoća i stoga se smatraju elektroničkim skupinama, bez obzira na veze koje tvore (jednokrevetne, dvostruke ili trostruke)..
Ovaj koncept nastaje iz kombinacije i eksperimentalnih podataka dviju teorija: valentne veze (TEV) i odbijanja elektronskih parova valentne ljuske (VSPR). Dok prvi definira veze i njihove kutove, drugi uspostavlja geometriju i, stoga, molekularnu strukturu.
Koji su geometrijski oblici molekule sposobne za usvajanje? Dvije prethodne teorije daju odgovore. Prema VSEPR-u, atomi i parovi slobodnih elektrona moraju biti raspoređeni u prostoru na takav način da minimaliziraju elektrostatsko odbijanje između njih..
Dakle, geometrijski oblici nisu proizvoljni, ali tražite najstabilniji dizajn. Primjerice, u gornjoj se slici vidi lijevi trokut, a desno oktaedar. Zelene točke predstavljaju atome, a narančaste pruge veze.
U trokutu su tri zelene točke orijentirane u razmaku od 120º. Taj kut, koji je jednak kutu veze, omogućuje atomima da se međusobno odbijaju što je manje moguće. Stoga će molekula s centralnim atomom vezanim za tri druge usvojiti trigonalnu geometriju.
Međutim, VSCR predviđa da će slobodni par elektrona u središnjem atomu iskriviti geometriju. Za slučaj trigonalne ravnine, ovaj par će gurnuti tri zelene točke, što će rezultirati geometrijom trigonalne piramide.
Isto se može dogoditi i sa oktaedrom slike. U njemu su svi atomi odvojeni na najstabilniji mogući način.
indeks
- 1 Kako unaprijed znati molekularnu geometriju atoma X?
- 2 Vrste
- 2.1 Linearno
- 2.2 Kutni
- 2.3
- 2.4 Trigonalna bipiramida
- 2,5
- 2.6 Ostale geometrije molekula
- 3 Primjeri
- 3.1 Linearna geometrija
- 3.2 Kutna geometrija
- 3.3 Trigonski plan
- 3.4
- 3.5 Trigonalna piramida
- 3.6 trigonalna bipiramida
- 3.7 Osciliranje
- 3.8 Oblik T
- 3.9
- 4 Reference
Kako unaprijed znati molekularnu geometriju atoma X?
Za to je potrebno uzeti u obzir i parove slobodnih elektrona kao elektroničke skupine. Oni će zajedno s atomima definirati ono što je poznato kao elektronička geometrija, koja je nerazdvojni pratilac molekularne geometrije.
Iz elektronske geometrije, i nakon što je Lewisova struktura otkrila parove slobodnih elektrona, možemo utvrditi kakva će biti molekularna geometrija. Zbroj svih molekularnih geometrija će pružiti pregled globalne strukture.
vrsta
Kao što se vidi na glavnoj slici, molekularna geometrija ovisi o tome koliko atoma okružuje središnji atom. Međutim, ako je par elektrona prisutan bez dijeljenja, on će modificirati geometriju jer zauzima mnogo volumena. Dakle, on ima sterički učinak.
Prema tome, geometrija može predstavljati niz karakterističnih oblika za mnoge molekule. I ovdje se pojavljuju različite vrste molekularne geometrije ili molekularne strukture.
Kada je geometrija jednaka strukturi? Obje označavaju isto samo u slučajevima kada struktura nema više od jedne vrste geometrije; u suprotnom, moraju se uzeti u obzir sve sadašnje vrste, a strukturi dati globalni naziv (linearni, razgranati, globularni, ravni, itd.).
Geometrije su osobito korisne za objašnjenje strukture krutine iz njezinih strukturnih jedinica.
linearan
Sve kovalentne veze su usmjerene, tako da je veza A-B linearna. No hoće li molekula AB biti linearna?2? Ako da, geometrija je jednostavno predstavljena kao: B-A-B. Dva B atoma su odvojena kutom od 180 °, a prema TEV-u A mora imati sp hibridne orbitale.
kutni
U prvom se slučaju može pretpostaviti linearna geometrija AB molekule2; međutim, prije donošenja zaključka nužno je nacrtati Lewisovu strukturu. Crtanjem strukture Lewisa može se identificirati broj parova elektrona bez dijeljenja (:) na atomu A.
Kada je to tako, na vrhu parova elektrona oni guraju dva atoma B dolje, mijenjajući svoje kutove. Kao rezultat toga, linearna molekula B-A-B završava tako da postane V, bumerang ili kutna geometrija (gornja slika)
Molekula vode, H-O-H, je idealan primjer za ovu vrstu geometrije. U atomu kisika postoje dva para elektrona bez dijeljenja koji su orijentirani pod približnim kutom od 109 °.
Zašto ovaj kut? Zato što je elektronska geometrija tetraedarska, koja ima četiri vrha: dva za H atome, a dva za elektrone. Na gornjoj slici vidimo da zelene točkice i dva "režnja s očima" crta tetraedar sa plavičastom točkom u njegovom središtu.
Ako O nema slobodnih elektronskih parova, voda će tvoriti linearnu molekulu, njezin polaritet će se smanjiti, a oceani, mora, jezera itd. Vjerojatno ne bi postojali kao što su poznati.
tetrahedralnog
Gornja slika predstavlja tetraedralnu geometriju. Za molekulu vode, njena elektronička geometrija je tetraedarska, ali uklanjanjem parova bez elektrona može se uočiti da se transformira u kutnu geometriju. To se također promatra jednostavno uklanjanjem dvije zelene točke; preostala dva će nacrtati V s plavom točkom.
Što ako je umjesto dva para slobodnih elektrona postojao samo jedan? Tada bi postojala trigonalna ravnina (glavna slika). Međutim, eliminirajući elektronsku grupu, sterički efekt koji stvara par slobodnih elektrona nije izbjegnut. Zbog toga izobličava trigonsku ravninu do trokutaste bazne piramide:
Iako su trigonalna i tetraedarska piramidalna molekularna geometrija različite, elektronička geometrija je ista: tetraedarska. Tako se trigonalna piramida ne računa kao elektronička geometrija?
Odgovor je ne, jer je proizvod izobličenja uzrokovanog "režnjem s očima" i njegovim steričkim učinkom, a ta geometrija ne uzima u obzir kasnije izobličenja.
Stoga je uvijek važno odrediti elektronsku geometriju pomoću Lewisovih struktura prije definiranja geometrije molekula. Molekula amonijaka, NH3, je primjer trigonalne piramidalne molekularne geometrije, ali s tetraedarskom elektronskom geometrijom.
Trigonal Bipyramid
Do sada, s izuzetkom linearne geometrije, u tetraedarnoj, kutnoj i trigonalnoj piramidi njezini središnji atomi imaju sp hibridizaciju3, prema TEV-u. To znači da ako su kutevi vaše veze određeni eksperimentalno, trebali bi biti oko 109º.
Iz trigonalne dipiramidalne geometrije postoji pet elektronskih grupa oko središnjeg atoma. Na gornjoj slici možete vidjeti s pet zelenih točaka; tri u trokutastoj bazi i dvije u aksijalnim položajima, koje su gornji i donji vrh piramide.
Koja hibridizacija tada ima plava točka? Potrebno je pet hibridnih orbitala da bi se formirale jednostavne veze (narančasta). To se postiže kroz pet sp orbitala3d (proizvod mješavine orbitalne s, tri p i d).
Kada razmatramo pet elektronskih grupa, geometrija je ona koja je već izložena, ali imajući parove elektrona bez dijeljenja, ova opet trpi distorzije koje generiraju druge geometrije. Također, postavlja se sljedeće pitanje: mogu li ti parovi zauzeti bilo koji položaj u piramidi? To su: aksijalni ili ekvatorijalni.
Aksijalni i ekvatorijalni položaji
Zelene točke koje čine trokutastu bazu su u ekvatorijalnim položajima, dok su dvije na gornjem i donjem kraju, u aksijalnim položajima. Gdje se, po mogućnosti, nalazi par elektrona bez dijeljenja? U tom položaju minimizira elektrostatsko odbijanje i sterički učinak.
U aksijalnom položaju par elektrona bi "pritisnuo" okomito (90º) na trokutastu bazu, dok bi, ako bi bio u ekvatorijalnom položaju, dvije preostale elektronske skupine baze bile udaljene 120º i pritisnule oba kraja na 90º (umjesto tri, kao kod baze.
Stoga će središnji atom nastojati usmjeriti svoje parove bez elektrona u ekvatorijalnim položajima kako bi generirao stabilnije geometrije molekula.
Oscilirajući i T oblik
Da bi trigonska geometrija bipiramida zamijenila jedan ili više atoma s parovima bez elektrona, također bi imala različite geometrije molekula.
Lijevo od gornje slike, geometrija se mijenja u oscilirajući oblik. U njemu slobodni par elektrona potiskuje ostatak četiri atoma u istom smjeru, preklapajući svoje veze ulijevo. Napominjemo da ovaj par i dva atoma leže u istoj trokutastoj ravnini izvorne dipiramide.
I desno od slike, geometrija T-oblika.Ova molekularna geometrija je rezultat zamjene dva atoma za dva para elektrona, dovodeći kao posljedicu da su preostala tri atoma poravnata u istoj ravnini koja izvlači točno jedno slovo T.
Dakle, za molekulu tipa AB5, usvaja trigonalnu geometriju bipiramida. Međutim, AB4, s istom elektronskom geometrijom, prihvatit će oscilacijsku geometriju; i AB3, geometrija T-oblika U svim A imat će (općenito) sp hibridizaciju3d.
Za određivanje geometrije molekula potrebno je nacrtati Lewisovu strukturu, a time i njezinu elektroničku geometriju. Ako je ovo trigonalna bipiramida, tada će se parovi bez elektrona odbaciti, ali ne i njihov sterički učinak na ostale atome. Stoga je moguće savršeno razlikovati tri moguće molekularne geometrije.
oktaedarski
Desno od glavne slike prikazana je oktaedarska geometrija molekula. Ovaj tip geometrije odgovara AB spojevima6. AB4 oni formiraju kvadratnu osnovu, dok se preostala dva B nalaze u aksijalnim položajima. Tako se formira nekoliko jednakostraničnih trokuta, koji su lica oktaedra.
Ovdje, opet, mogu postojati (kao u svim elektroničkim geometrijama) parovi slobodnih elektrona, pa stoga i druge geometrije molekula proizlaze iz te činjenice. Na primjer, AB5 s oktaedarnom elektronskom geometrijom sastoji se od piramide s kvadratnom bazom i AB4 kvadratne ravnine:
U slučaju oktaedarske elektronske geometrije, te dvije geometrije molekula su najstabilnije u smislu elektrostatskog odbijanja. U kvadratno-planarnoj geometriji, dva elektronska para su međusobno udaljena 180 °.
Što je hibridizacija za atom A u tim geometrijama (ili strukturama, ako je jedina)? Opet, TEV utvrđuje da je sp3d2, šest hibridnih orbitala, što omogućuje A da orijentira elektronske skupine na vrhovima oktaedra.
Ostale geometrije molekula
Izmjenom dosadašnjih baza piramida može se dobiti neka složenija molekularna geometrija. Na primjer, pentagonalna bipiramida se temelji na pentagonu, a spojevi koji ga tvore imaju opću formulu AB7.
Kao i ostale geometrije molekula, zamjena atoma B parovima bez elektrona će iskriviti geometriju prema drugim oblicima.
Također, spojevi AB8 oni mogu usvojiti geometrije poput kvadratnog antiprizma. Neke geometrije mogu biti vrlo komplicirane, posebno za AB formule7 nadalje (do AB12).
Primjeri
Zatim će se spomenuti niz spojeva za svaku od glavnih molekularnih geometrija. Kao vježbu, možete nacrtati Lewisove strukture za sve primjere i potvrditi da, s obzirom na elektroničku geometriju, dobijete molekularne geometrije kao što je navedeno u nastavku..
Linearna geometrija
-Etilen, H2C = CH2
-Berilijev klorid, BeCl2 (Ci-Be-Cl)
-Ugljični dioksid, CO2 (O = C = O)
-Dušik, N2 (N≡N)
-Mercury dibromid, HgBr2 (Br-Hg-Br)
-Anion trijodid, I3- (I-I-I)
-Vodikov cijanid, HCN (H-N ° C)
Njegovi kutovi moraju biti 180º, te stoga imaju sp hibridizaciju.
Kutna geometrija
-Voda
-Sumporni dioksid, SO2
-Dušikov dioksid, br2
-Ozon, O3
-Anion amiduro, NH2-
Trigonska ravnina
-Brom trifluorid, BF3
-Aluminijev triklorid, AlCl3
-Nitratni anion, br3-
-Anion karbonat, CO32-
tetrahedralnog
-Metan, CH4
-Ugljik tetraklorid, CCl4
-Kation amonij, NH4+
-Anion sulfat, SO42-
Trigonalna piramida
-Amonijak, NH3
-Kationski hidronijum, H3O+
Trigonal Bipyramid
-Fosfor pentafluorid, PF5
-Antimon-pentaklorid, SbF5
oscilirajući
Sumporni tetrafluorid, SF4
Oblik T
-Jod triklorid, ICl3
-Klorid trifluorid, ClF3 (oba spoja poznata su kao interhalogeni)
oktaedarski
-Sumpor heksafluorid, SF6
-Selen heksafluorid, SeF6
-Heksafluorofosfat, PF6-
Kulminirati, molekularna geometrija je ono što objašnjava opažanja kemijskih ili fizičkih svojstava tvari. Međutim, ona je orijentirana prema elektronskoj geometriji, tako da se ona uvijek mora odrediti prije prve.
reference
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izdanje). CENGAGE Learning, str. 194-198.
- Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija (Četvrto izdanje, str. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
- Mark E. Tuckerman. (2011). Molekularna geometrija i VSEPR teorija. Preuzeto s: nyu.edu
- Virtualni Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Uvod u molekularnu geometriju. Preuzeto s: chemistry.elmhurst.edu
- Kemija LibreTexts. (8. rujna 2016.) Geometrija molekula. Preuzeto s: chem.libretexts.org