MOLEKULINĖ GEOMETRIJA: SAMPRATA, TIPAI IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Molekulinė geometrija arba molekulinė struktūra yra erdvinis atomų vietą aplink centrinę atomo. Atomai žymi regionus, kuriuose yra didelis elektronų tankis, todėl yra laikomi elektroninėmis grupėmis, nepriklausomai nuo jų sudarytų jungčių (viengubos, dvigubos ar trigubos).

Elemento molekulinė geometrija gali apibūdinti kai kurias jo fizines ar chemines savybes (virimo tašką, klampumą, tankį ir kt.). Pavyzdžiui, vandens molekulinė struktūra lemia jo tirpumą.

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Ši koncepcija kyla iš dviejų teorijų derinio ir eksperimentinių duomenų: valentinio ryšio (TEV) ir valentinio apvalkalo elektroninių porų atstūmimo (RPECV). Kol pirmasis apibūdina jungtis ir jų kampus, antrasis nustato geometriją ir atitinkamai molekulinę struktūrą.

Kokias geometrines figūras molekulės gali priimti? Dvi ankstesnės teorijos pateikia atsakymus. Remiantis RPECV, laisvųjų elektronų atomai ir poros turi būti išdėstyti erdvėje taip, kad būtų kuo mažesnė elektrostatinė atstumas tarp jų.

Taigi, geometrinės figūros nėra savavališkos, greičiau siekia stabiliausio dizaino. Pvz., Aukščiau esančiame paveikslėlyje kairėje galite pamatyti trikampį, o dešinėje - oktaedrą. Žali taškai žymi atomus, o oranžiniai juostelės juosteles.

Trikampyje trys žali taškai yra nukreipti vienas nuo kito 120º kampu. Šis kampas, lygus jungties kampui, leidžia atomams kuo mažiau atstumti vienas kitą. Todėl molekulė, kurios centrinis atomas yra prijungtas prie trijų kitų, įgaus trigonaliosios plokštumos geometriją.

Tačiau RPECV prognozuoja, kad laisva elektronų pora centriniame atome iškraipys geometriją. Jei tai trigonalinė plokštuma, ši pora stumia žemyn tris žaliuosius taškus ir susidarys trigonalinės piramidės geometrija.

Tas pats gali nutikti ir su paveikslėlyje esančiu oktaedru. Jame visi atomai yra atskirti stabiliausiu įmanomu būdu.

Kaip iš anksto žinoti X atomo molekulinę geometriją?

Tam taip pat būtina laikyti laisvųjų elektronų poras elektroninėmis grupėmis. Jie kartu su atomais apibūdins tai, kas vadinama elektronine geometrija, kuri yra neatsiejama molekulinės geometrijos kompanionė.

Iš elektroninės geometrijos ir aptikę laisvųjų elektronų poras Lewiso struktūros pagalba, galima nustatyti, kokia bus molekulinė geometrija. Visų molekulinių geometrijų suma suteiks bendros struktūros brėžinį.

Molekulinės geometrijos tipai

Kaip matyti pagrindiniame paveiksle, molekulinė geometrija priklauso nuo to, kiek atomų supa centrinį atomą. Tačiau jei yra nedaloma elektronų pora, ji pakeis geometriją, nes užima daug tūrio. Todėl jis daro sterilų efektą.

Remiantis tuo, geometrija gali parodyti būdingą daugelio molekulių formą. Štai čia atsiranda skirtingos molekulinės geometrijos ar molekulinės struktūros rūšys.

Kada geometrija lygi struktūrai? Abu žymi tą patį tik tais atvejais, kai konstrukcijoje nėra daugiau nei vieno tipo geometrijos; priešingu atveju reikėtų atsižvelgti į visus esamus tipus, o struktūrai suteikti bendrąjį pavadinimą (linijinis, šakotas, rutulinis, plokščias ir tt).

Geometrijos yra ypač naudingos paaiškinant kietosios medžiagos struktūrą iš jos struktūrinių vienetų.

Linijinis

Visos kovalentinės jungtys yra kryptinės, todėl AB jungtis yra tiesinė. Bet ar AB ₂ molekulė bus tiesinė ? Jei taip, geometrija vaizduojama tiesiog kaip: BAB. Du B atomai yra atskirti 180º kampu, o pagal TEV, A turi turėti hibridines sp-bitalės.

Kampinis

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Pirmiausia galima daryti prielaidą, kad molekulė AB _{2 yra} tiesinė geometrija ; tačiau prieš padarydami išvadą, labai svarbu nubrėžti Lewis struktūrą. Sudarius Lewiso struktūrą, galima nustatyti nesuskirstytų elektronų porų (:) skaičių ant A atomo.

Kai taip yra, elektronų poros viršuje A stumia du B atomus žemyn, keisdami jų kampus. Dėl to linijinė BAB molekulė virsta V, bumerangu arba kampine geometrija (vaizdas viršuje)

Vandens molekulė HOH yra idealus tokio tipo geometrijos pavyzdys. Deguonies atome yra dvi poros elektronų be dalijimosi, kurie orientuoti maždaug 109º kampu.

Kodėl šis kampas? Nes elektroninė geometrija yra tetraedrinė, turinti keturias viršūnes: dvi H atomams ir dvi elektronams. Viršutiniame paveikslėlyje atkreipkite dėmesį, kad žali taškai ir dvi „skiltelės su akimis“ nubrėžtas tetraedras, kurio centre yra mėlynas taškas.

Jei O neturėtų laisvų elektronų porų, vanduo sudarytų linijinę molekulę, sumažėtų jo poliškumas, o vandenynai, jūros, ežerai ir kt. Greičiausiai neegzistuotų, nes jie yra žinomi.

Tetraedras

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Viršutinis paveikslėlis parodo tetraedrinę geometriją. Vandens molekulės elektroninė geometrija yra tetraedrinė, tačiau pašalinus laisvas elektronų poras galima pastebėti, kad ji virsta kampine geometrija. Tai taip pat pastebima pašalinus du žalius taškus; likę du nubraižys V su mėlynu tašku.

Kas būtų, jei vietoj dviejų porų laisvųjų elektronų būtų tik vienas? Tada liktų trigonalinė plokštuma (pagrindinis vaizdas). Tačiau, pašalinus elektroninę grupę, neišvengiamas laisvosios elektronų poros sukuriamas sterinis efektas. Todėl jis iškreipia trigonalinę plokštumą į piramidę su trikampiu pagrindu:

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Nors trigonalinės ir tetraedrinės piramidės molekulinė geometrija skiriasi, elektroninė geometrija yra ta pati: tetraedrinė. Taigi trigonalinė piramidė neskaičiuojama kaip elektroninė geometrija?

Atsakymas yra ne, nes tai yra „skilties su akimis“ sukeltas iškraipymas ir jo sterinis poveikis, o šioje geometrijoje neatsižvelgiama į vėlesnius iškraipymus.

Dėl šios priežasties prieš nustatant molekulinę geometriją visada svarbu pirmiausia nustatyti elektroninę geometriją naudojant Lewiso struktūras. Amoniako molekulė NH ₃ yra trigonalinės piramidės molekulinės geometrijos pavyzdys, tačiau su tetraedrine elektronų geometrija.

Trigoninė bipiramidė

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Iki šiol, išskyrus linijinę geometriją, tetraedrinėje, kampinėje ir trigonalinėje piramidėse jų centriniai atomai turi sp ³ hibridizaciją , teigia TEV. Tai reiškia, kad jei jų jungties kampai būtų nustatyti eksperimentiniu būdu, jie turėtų būti maždaug 109º.

Iš trigoninės dipiramidinės geometrijos aplink centrinį atomą išskiriamos penkios elektroninės grupės. Virš esančiame paveikslėlyje galima pamatyti penkis žalius taškus; trys trikampio pagrindu ir dvi ašimis, kurios yra viršutinės ir apatinės piramidės viršūnės.

Kokią hibridizaciją turi mėlynasis taškas? Vienos jungties (oranžinės) formavimui reikia penkių hibridinių orbitų. Tai pasiekiama per penkias sp ³ d orbitales (vienos s, trijų p ir vienos d orbitalės mišinio produktas).

Nagrinėjant penkias elektronines grupes, geometrija yra tokia, kokia jau eksponuota, tačiau kadangi yra elektronų porų, be dalijimosi, tai vėl patiria iškraipymus, kurie sukuria kitas geometrijas. Panašiai kyla ir šis klausimas: ar šios poros gali užimti kokią nors vietą piramidėje? Tai yra: ašinė arba pusiaujo.

Ašinės ir pusiaujo padėtys

Žali taškai, sudarantys trikampį pagrindą, yra pusiaujo padėtyse, o du viršutiniame ir apatiniame galuose yra ašinės. Kur pirmiausia bus neplatinta elektronų pora? Tokioje padėtyje, kuri sumažina elektrostatinį atstumą ir sterinį efektą.

Ašinėje padėtyje elektronų pora „slėgtų“ statmenai (90º) ties trikampiu pagrindu, tuo tarpu, jei ji būtų pusiaujo padėtyje, dvi likusios bazės elektroninės grupės būtų viena nuo kitos 120º kampu ir paspaustų abu galus 90º kampu (o ne trys, kaip ir su pagrindu).

Todėl centrinis atomas sieks orientuoti savo laisvas elektronų poras pusiaujo padėtyse, kad būtų sukurta stabilesnė molekulinė geometrija.

Svyruojanti ir T forma

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Jei trigonalinėje bipiramidės geometrijoje vienas ar keli jo atomai būtų pakeisti laisvomis elektronų poromis, mes taip pat turėtume skirtingas molekulines geometrijas.

Viršutinio paveikslo kairėje geometrija keičiasi į svyruojančią formą. Jame laisvoji elektronų pora stumia likusius keturis atomus ta pačia kryptimi, lenkdama jų ryšius į kairę. Atminkite, kad ši pora ir du atomai yra toje pačioje originalios bipiramidės trikampio plokštumoje.

Vaizdo dešinėje - T formos geometrija .Ši molekulinė geometrija yra dviejų atomų pakeitimas dviem elektronų poromis, kai trys likę atomai pasiskirsto toje pačioje plokštumoje, kurioje brėžiama tiksliai viena raidė. T.

Tada AB ₅ tipo molekulėms ji parenka trigonalinę bipiramidinę geometriją. Tačiau „AB _4“ su ta pačia elektronine geometrija pasirinks svyruojančią geometriją; ir AB ₃ , T-formos geometrija. Iš viso iš jų valią (paprastai) turi Sp ³ d hibridizacija .

Norint nustatyti molekulinę geometriją, būtina nubrėžti Lewiso struktūrą, taigi ir jos elektroninę geometriją. Jei tai yra trigonalinė bipiramidė, tada laisvos elektronų poros bus išmestos, bet ne jų sterinis poveikis likusiems atomams. Taigi galima puikiai atskirti tris galimas molekulines geometrijas.

Aštuonkampis

Oktaedrinė molekulinė geometrija pavaizduota pagrindinio vaizdo dešinėje. Šis geometrijos tipas atitinka AB ₆ junginius . AB ₄ sudaro kvadratinę bazę, o likusios dvi B yra ašinės padėties. Taigi susidaro keli lygiakraščiai trikampiai, kurie yra oktaedro veidai.

Čia vėlgi (kaip ir visose elektroninėse geometrijose) gali būti laisvųjų elektronų poros, todėl iš šio fakto kyla kitos molekulinės geometrijos. Pavyzdžiui, AB ₅ su oktaedrine elektronų geometrija susideda iš piramidės su kvadrato pagrindu, o AB ₄ - iš kvadratinės plokštumos:

Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Aštuonkampio elektronų geometrijos atveju šios dvi molekulinės geometrijos yra stabiliausios elektrostatinės atstumties atžvilgiu. Kvadratinės plokštumos geometrijoje dvi elektronų poros yra 180º atstumu viena nuo kitos.

Kokia yra šių atomų A hibridizacija šiose geometrijose (arba struktūrose, jei ji yra vienintelė)? Vėlgi, TEV teigia, kad būtent sp ³ d ² , šeši hibridiniai orbitalės leidžia A orientuoti elektronines grupes oktaedro viršūnėse.

Kitos molekulinės geometrijos

Modifikavus iki šiol paminėtų piramidžių pagrindus, galima gauti sudėtingesnes molekulines geometrijas. Pavyzdžiui, penkiakampė bipiramidė turi penkiakampį savo pagrindui, o jį sudarantys junginiai turi bendrą formulę AB ₇ .

Kaip ir kitos molekulinės geometrijos, pakeitus B atomus laisvomis elektronų poromis, geometrija bus iškraipyta į kitas formas.

Taip pat AB ₈ junginiai gali naudoti tokias geometrijas kaip kvadratinė antiprizmas. Kai kurios geometrijos gali būti labai sudėtingos, ypač formulėms nuo AB ₇ (iki AB ₁₂ ).

Molekulinės geometrijos pavyzdžiai

Toliau bus paminėta junginių serija kiekvienai iš pagrindinių molekulinių geometrijų. Kaip pratimą būtų galima nubrėžti visų pavyzdžių Lewis struktūras ir patvirtinti, ar, atsižvelgiant į elektroninę geometriją, gaunamos tokios molekulinės geometrijos, kaip nurodyta toliau.

Linijinė geometrija

Etilenas, H ₂ C≡CH ₂

-Beryllium chloridas, BeCl ₂ (Cl-BeCl)

-Anglies dioksidas, CO ₂ (O = C = O)

- Azotas, N ₂ (N≡N)

- gyvsidabrio dibromidas, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodido anijonas, I ₃ ^- (III)

-Vandenilio rūgštis, HCN (HN≡C)

Jų kampai turi būti 180º, todėl jie turi hibridizaciją.

Kampinė geometrija

- vanduo

- Sieros dioksidas, SO ₂

- Azoto dioksidas, NO ₂

-Ozonas, O ₃

-Amido anijonas, NH ₂ ^-

Trigonalinė plokštuma

-Bromo trifluoridas, BF ₃

- Aliuminio trichloridas, AlCl ₃

-Nitratinis anijonas, NO ₃ ^-

-Karbonato anijonas, CO ₃ ^2–

Tetraedras

-Metano dujos, CH ₄

-Anglies tetrachlorido, CCl ₄

-Amonis katijonas, NH ₄ ⁺

-Sulfato anijonas, SO ₄ ^2-

Trigoninė piramidė

-Amonija, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigoninė bipiramidė

-Fosforo pentafluoridas, PF ₅

-Antimono pentachloridas, SbF ₅

Svyruoja

Sieros tetrafluoridas, SF ₄

T forma

-Jodo trichloridas, ICl ₃

-Chloro trifluoridas, ClF ₃ (abu junginiai žinomi kaip interhalogenai)

Aštuonkampis

-Sulfur heksafluorido, SF ₆

- seleno heksafluoridas, SeF ₆

-Hafafluorfosfatas, PF ₆ ^-

Baigdamas norėčiau pasakyti, kad molekulinė geometrija paaiškina cheminių ar fizikinių medžiagos savybių stebėjimą. Tačiau jis yra orientuotas pagal elektroninę geometriją, todėl pastaroji visada turi būti nustatyta anksčiau.

Nuorodos

1. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. Chemija. (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis, p. 194–198.
2. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas. 23, 24, 80, 169 psl.). Mc Graw Hill.
3. Markas E. Tuckermanas. (2011). Molekulinė geometrija ir VSEPR teorija. Atgauta iš: nyu.edu
4. „Virtual Chembook“, Charlesas E. Ophardtas. (2003). Įvadas į molekulinę geometriją. Atkurta iš: chemija.elmhurst.edu
5. Chemija „LibreTexts“. (2016 m. Rugsėjo 8 d.). Molekulių geometrija. Atkurta iš: chem.libretexts.org