Typy a príklady molekulárnej geometrie

molekulárnej geometrie alebo molekulárna štruktúra je priestorové rozloženie atómov okolo centrálneho atómu. Atómy predstavujú oblasti, kde je vysoká elektronická hustota, a preto sa považujú za elektronické skupiny bez ohľadu na prepojenia, ktoré sa vytvárajú (jednoduché, dvojité alebo trojité)..

Tento koncept sa rodí z kombinácie a experimentálnych údajov dvoch teórií: z valenčnej väzby (TEV) a odpudzovania elektronických párov valenčného plášťa (VSPR). Zatiaľ čo prvý definuje väzby a ich uhly, druhý určuje geometriu, a teda molekulovú štruktúru.

Aké geometrické tvary sú molekuly schopné prijať? Dve predchádzajúce teórie poskytujú odpovede. Podľa VSEPR musia byť atómy a páry voľných elektrónov usporiadané v priestore takým spôsobom, aby sa minimalizovalo elektrostatické odpudzovanie medzi nimi..

Takže geometrické tvary nie sú ľubovoľné, ale hľadajú najstabilnejší dizajn. Napríklad v hornom obrázku je možné vidieť trojuholník vľavo a osemnástnik vpravo. Zelené bodky predstavujú atómy a oranžové pruhy odkazov.

V trojuholníku sú tri zelené body orientované vo vzdialenosti 120º. Tento uhol, ktorý sa rovná uhlu väzby, umožňuje, aby sa atómy navzájom odpudzovali čo najmenej. Preto molekula s centrálnym atómom pripojeným k trom iným prijme geometriu trigonálnych rovín.

VSCR však predpovedá, že voľný pár elektrónov v centrálnom atóme deformuje geometriu. Pre prípad trigonálnej roviny tento pár zatlačí tri zelené body, čo vedie k trigonálnej pyramidovej geometrii..

To isté sa môže stať aj s oktaedronom obrazu. V ňom sú všetky atómy oddelené najstabilnejším možným spôsobom.

index

• 1 Ako vopred poznať molekulárnu geometriu atómu X?
• 2 Typy
  • 2.1 Lineárny
  • 2.2 Uhol
  • 2.3 Tetrahedral
  • 2.4 Trigonálny bipyramid
  • 2,5 Octahedral
  • 2.6 Iné molekulárne geometrie
• 3 Príklady
  • 3.1 Lineárna geometria
  • 3.2 Uhlová geometria
  • 3.3 Trigonálny plán
  • 3.4 Tetrahedral
  • 3.5 Trigonálna pyramída
  • 3.6 trigonal Bipyramid
  • 3.7 Kmitanie
  • 3.8 Tvar T
  • 3.9 Octahedral
• 4 Odkazy

Ako vopred poznať molekulárnu geometriu atómu X?

Za týmto účelom je potrebné zvážiť aj páry voľných elektrónov ako elektronické skupiny. Tieto spolu s atómami definujú, čo je známe ako elektronická geometria, ktorý je neoddeliteľnou súčasťou molekulárnej geometrie.

Z elektronickej geometrie a po zistení pármi voľných elektrónov Lewisovou štruktúrou môžeme určiť, aká bude molekulárna geometria. Súčet všetkých molekulárnych geometrií poskytne prehľad globálnej štruktúry.

typ

Ako je vidieť na hlavnom obraze, molekulárna geometria závisí od toho, koľko atómov obklopuje centrálny atóm. Ak je však pár elektrónov prítomný bez zdieľania, zmení geometriu, pretože zaberá veľa objemu. Preto má sterický účinok.

Podľa toho geometria môže predstavovať rad charakteristických tvarov pre mnoho molekúl. A tu vznikajú rôzne typy molekulárnej geometrie alebo molekulárnej štruktúry.

Kedy sa geometria rovná štruktúre? Obidva označujú to isté len v prípadoch, keď štruktúra nemá viac ako jeden typ geometrie; inak sa musia zvážiť všetky súčasné typy a štruktúra musí mať globálny názov (lineárny, rozvetvený, guľový, plochý, atď.).

Geometrie sú obzvlášť užitočné na vysvetlenie štruktúry pevnej látky z jej konštrukčných jednotiek.

lineárne

Všetky kovalentné väzby sú smerové, takže väzba A-B je lineárna. Bude však molekula AB lineárna?₂? Ak áno, geometria je jednoducho reprezentovaná ako: B-A-B. Dva atómy B sú oddelené uhlom 180 °, a podľa TEV, A musí mať sp hybridné orbitály.

uhlový

V prvom prípade je možné predpokladať lineárnu geometriu molekuly AB₂; pred uzavretím záverov je však nevyhnutné nakresliť štruktúru Lewisovej štruktúry. Kreslenie štruktúry Lewis, jeden môže identifikovať počet párov elektrónov bez zdieľania (:) na atóme A.

Keď je to tak, na vrchole elektrónových párov tlačia dva atómy B nadol a menia svoje uhly. Výsledkom je, že lineárna molekula B-A-B končí ako V, bumerang alebo uhlová geometria (vrchný obrázok)

Molekula vody H-O-H je ideálnym príkladom pre tento typ geometrie. V kyslíkovom atóme sú dva páry elektrónov bez zdieľania, ktoré sú orientované v približnom uhle 109 °.

Prečo tento uhol? Pretože elektronická geometria je tetraedrická, ktorá má štyri vrcholy: dva pre atómy H a dve pre elektróny. Na obrázku vyššie si všimnite, že zelené bodky a dva "laloky s očami" kreslia tetraedrón s modrastým bodom v jeho strede.

Ak by O nemal žiadne voľné páry elektrónov, voda by tvorila lineárnu molekulu, jej polarita by sa znížila a oceány, moria, jazerá atď. By pravdepodobne neexistovali, pretože sú známe..

štvorboká

Horný obrázok predstavuje tetrahedrálnu geometriu. Pre molekulu vody je jej elektronická geometria tetraedrická, ale odstránením párov bez elektrónov je možné si všimnúť, že sa transformuje na uhlovú geometriu. Toto sa tiež pozoruje jednoducho odstránením dvoch zelených bodiek; zvyšné dve budú kresliť V s modrou bodkou.

Čo keby namiesto dvoch párov voľných elektrónov existoval iba jeden pár? Potom by existovala trigonálna rovina (hlavný obraz). Vylúčením elektronickej skupiny sa však nevyhne sterickému efektu vytváranému dvojicou voľných elektrónov. Preto deformuje trojuholníkovú rovinu na trojuholníkovú základňu:

Hoci trigonálna a tetrahedrálna molekulárna geometria je odlišná, elektronická geometria je rovnaká: tetrahedral. Trigonálna pyramída sa teda nepovažuje za elektronickú geometriu?

Odpoveď znie nie, pretože je produktom skreslenia spôsobeného „lalokom s očami“ a jeho stérickým efektom a táto geometria neberie do úvahy neskoršie deformácie.

Z tohto dôvodu je vždy dôležité najprv určiť elektronickú geometriu pomocou Lewisových štruktúr pred definovaním molekulárnej geometrie. Molekula amoniaku, NH₃, je príkladom molekulárnej geometrie trigonálnej pyramídy, ale s tetrahedrálnou elektronickou geometriou.

Trigonálny bipyramid

Až doteraz, s výnimkou lineárnej geometrie, v tetraedrách má uhlová a trigonálna pyramída, jej centrálne atómy, sp hybridizáciu³, podľa TEV. To znamená, že ak boli vaše spojovacie uhly určené experimentálne, mali by byť okolo 109º.

Z trigonálnej dipiramídovej geometrie je okolo centrálneho atómu päť elektronických skupín. V hornom obrázku vidíte päť zelených bodov; tri v trojuholníkovej základni a dve v axiálnych polohách, ktoré sú horným a dolným vrcholom pyramídy.

Aká hybridizácia má potom modrú bodku? Na vytvorenie jednoduchých väzieb (oranžová) potrebuje päť hybridných orbitálov. To sa dosahuje prostredníctvom piatich sp orbitálov³d (produkt zmesi orbitálu s, tri p a d).

Keď uvažujeme o piatich elektronických skupinách, geometria je tá, ktorá je už exponovaná, ale s pármi elektrónov bez zdieľania, toto opäť trpí skresleniami, ktoré generujú iné geometrie. Vyvstáva tiež nasledujúca otázka: môžu tieto dvojice obsadiť akúkoľvek pozíciu v pyramíde? Sú to: axiálne alebo rovníkové.

Axiálne a ekvatoriálne polohy

Zelené body, ktoré tvoria trojuholníkovú základňu, sú v rovníkových polohách, zatiaľ čo dva na hornom a dolnom konci v axiálnych polohách. Kde sa výhodne nachádza pár elektrónov bez zdieľania? V tejto polohe minimalizuje elektrostatické odpudzovanie a sterický efekt.

V axiálnej polohe by pár elektrónov "stlačil" kolmo (90 °) na trojuholníkovú základňu, zatiaľ čo keby bol v rovníkovej polohe, dve zostávajúce elektronické skupiny základne by boli od seba vzdialené 120 ° a stlačili by oba konce pri 90 ° (namiesto tri, rovnako ako základňa).

Centrálny atóm sa preto bude snažiť orientovať svoje páry bez elektrónov v ekvatoriálnych polohách, aby sa vytvorili stabilnejšie molekulárne geometrie.

Oscilačný a tvar T

Ak by trigonálna bipyramidová geometria mala nahradiť jeden alebo viac atómov elektrónmi bez párov elektrónov, mala by tiež rôzne molekulárne geometrie..

Vľavo od horného obrázka sa geometria mení na oscilačný tvar. Voľný pár elektrónov v ňom tlačí zvyšok štyroch atómov v rovnakom smere, pričom ich spoje vľavo. Všimnite si, že tento pár a dva atómy ležia v rovnakej trojuholníkovej rovine pôvodného dipyramidu.

Na pravej strane obrazu je geometria v tvare písmena T. Táto molekulárna geometria je výsledkom nahradenia dvoch atómov dvomi pármi elektrónov, čo má za následok, že zostávajúce tri atómy sú zarovnané v rovnakej rovine, ktorá kreslí presne jedno písmeno. T.

Takže pre molekulu typu AB₅, prijíma trigonálnu bipyramidovú geometriu. Avšak AB₄, s rovnakou elektronickou geometriou prijme oscilujúcu geometriu; a AB₃, Geometria tvaru T. Vo všetkých z nich A bude mať (všeobecne) sp hybridizáciu³d.

Na určenie molekulárnej geometrie je potrebné nakresliť Lewisovu štruktúru a teda jej elektronickú geometriu. Ak sa jedná o trigonálny bipyramid, potom páry bez elektrónov budú vyradené, ale nie ich sterické účinky na zvyšok atómov. Je teda možné dokonale rozlíšiť tri možné molekulárne geometrie.

octahedral

Okrúhlová molekulárna geometria je znázornená na pravej strane hlavného obrazu. Tento typ geometrie zodpovedá zlúčeninám AB₆. AB₄ tvoria štvorcovú základňu, zatiaľ čo zvyšné dve B sú umiestnené v axiálnych polohách. Vzniká tak niekoľko rovnostranných trojuholníkov, ktoré sú čelnými plochami oktaedronu.

Aj tu môžu byť (ako vo všetkých elektronických geometriách) voľné elektrónové páry, a preto z tejto skutočnosti vyplývajú aj iné molekulárne geometrie. Napríklad AB₅ s oktaedrickou elektronickou geometriou pozostáva z pyramídy so štvorcovou základňou a AB₄ štvorcovej roviny:

Pre prípad oktaedrickej elektronickej geometrie sú tieto dve molekulárne geometrie najstabilnejšie z hľadiska elektrostatického odpudzovania. V štvorcovej rovinnej geometrii sú dva páry elektrónov 180 ° od seba.

Aká je hybridizácia atómu A v týchto geometriách (alebo štruktúrach, ak je jediná)? TEV opäť potvrdzuje, že ide o sp³d², šesť hybridných orbitálov, ktoré umožňujú A orientovať elektronické skupiny na vrcholoch oktaedronu.

Iné molekulárne geometrie

Modifikáciou báz doteraz spomínaných pyramíd možno získať niektoré zložitejšie molekulárne geometrie. Napríklad päťuholníkový bipyramid je založený na päťuholníku a zlúčeniny, ktoré ho tvoria, majú všeobecný vzorec AB₇.

Podobne ako ostatné molekulárne geometrie, nahradenie atómov B elektrónmi bez párov deformuje geometriu na iné formy.

Tiež zlúčeniny AB₈ môžu prijať geometrie, ako je štvorcový antiprizmus. Niektoré geometrie môžu byť veľmi komplikované, najmä pre vzorce AB₇ (až do AB. \ t₁₂).

Príklady

Ďalej bude uvedená séria zlúčenín pre každú z hlavných molekulových geometrií. Ako cvičenie, môžete kresliť Lewis štruktúry pre všetky príklady a potvrdiť, ak, vzhľadom k elektronickej geometrie, dostanete molekulárnej geometrie, ako je uvedené nižšie..

Lineárna geometria

-Etylén, H₂C = CH₂

-Chlorid berylnatý, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

-Oxid uhličitý, CO₂ (O = C = O)

-Dusík, N₂ (N≡N)

-Dibromid ortuti, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anión trijodid, I₃^- (I-I-I)

-Kyanovodík, HCN (H-N ° C)

Jeho uhly musia byť 180 °, a preto majú sp hybridizáciu.

Uhlová geometria

-Voda

-Oxid siričitý, SO₂

-Oxid dusičitý, NO₂

-Ozón, O₃

-Anion amiduro, NH₂^-

Trigonálna rovina

-Trifluorid brómu, BF₃

-Chlorid hlinitý, AlCl₃

-Nitrátový anión, NO₃^-

-Aniónový uhličitan, CO₃^2-

štvorboká

-Metánový plyn, CH₄

-Tetrachlórmetán, CCl₄

-Katión amónny, NH₄⁺

-Síran sodný, SO₄^2-

Trigonálna pyramída

-Amoniak, NH₃

-Kation hydronium, H₃O⁺

Trigonálny bipyramid

-Pentafluorid fosforečný, PF₅

-Pentachlorid antimónu, SbF₅

oscilačná

Tetrafluorid síry, SF₄

Tvar T

-Trichlorid jódu, ICl₃

-Chlorid trifluorid, ClF₃ (obe zlúčeniny sú známe ako interhalogény)

octahedral

-Hexafluorid síry, SF₆

-Hexafluorid selénu, SeF₆

-Hexafluórfosfát, PF₆^-

Vyvrcholením molekulárnej geometrie je to, čo vysvetľuje pozorovanie chemických alebo fyzikálnych vlastností hmoty. Je však orientovaná podľa elektronickej geometrie, takže táto musí byť vždy určená pred prvou.

referencie

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, str. 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chémia (Štvrté vydanie, str. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekulárna geometria a teória VSEPR. Zdroj: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Úvod do molekulárnej geometrie. Zdroj: chemistry.elmhurst.edu
5. Chémia LibreTexts. (8. septembra 2016). Geometria molekúl. Zdroj: chem.libretexts.org