MOLEKYYLIGEOMETRIA: KÄSITE, TYYPIT JA ESIMERKIT - KEMIA - 2026

Molekyyli- geometria tai molekyylirakenne on avaruudellinen järjestely atomien ympäri Keski atomin. Atomit edustavat alueita, joilla on suuri elektronitiheys, ja siksi niitä pidetään elektronisina ryhminä riippumatta muodostetuista sidoksista (yksin-, kaksois- tai kolmoissidonnaiset).

Elementin molekyyligeometria voi karakterisoida joitain sen fysikaalisista tai kemiallisista ominaisuuksista (kiehumispiste, viskositeetti, tiheys jne.). Esimerkiksi veden molekyylirakenne määrää sen liukoisuuden.

Lähde: Gabriel Bolívar

Tämä käsite syntyy kahden teorian yhdistelmästä ja kokeellisista tiedoista: valenssisidoksen (TEV) ja valenssikuoren elektronisten parien (RPECV) torjumisen käsitteestä. Vaikka ensimmäinen määrittelee sidokset ja niiden kulmat, toinen muodostaa geometrian ja sen seurauksena molekyylirakenteen.

Mitä geometrisia muotoja molekyylit pystyvät omaksumaan? Kaksi aikaisempaa teoriaa tarjoavat vastauksia. RPECV: n mukaan vapaiden elektronien atomit ja parit on järjestettävä avaruuteen siten, että niiden välinen sähköstaattinen heijastus minimoidaan.

Joten, geometriset muodot eivät ole mielivaltaisia, vaan pyrkivät vakaimpaan malliin. Esimerkiksi yllä olevassa kuvassa voit nähdä kolmion vasemmalla ja oktaedrin oikealla. Vihreät pisteet edustavat atomeja ja oranssi raidaa sidoksia.

Kolmion kolme vihreää pistettä ovat suunnattu 120 asteen päähän toisistaan. Tämä kulma, joka on yhtä suuri kuin sidoksen kulma, antaa atomien hylätä toisiaan mahdollisimman vähän. Siksi molekyyli, jonka keskiatomi on kiinnitetty kolmeen muuhun, omaksuu trigonaalitasogeometrian.

RPECV kuitenkin ennustaa, että vapaa atomielektroni keskusatomissa vääristää geometriaa. Trigonaalitasoa varten tämä pari työntää kolme vihreää pistettä alaspäin, mikä johtaa trigonaalipyramidin geometriaan.

Sama voi tapahtua myös kuvan oktaaedron kanssa. Siinä kaikki atomit erotetaan vakaimmalla mahdollisella tavalla.

Kuinka tietää etukäteen X-atomin molekyylin geometria?

Tätä varten on myös tarpeen harkita vapaiden elektronien pareja elektronisina ryhminä. Nämä yhdessä atomien kanssa määrittelevät ns. Elektronisen geometrian, joka on erottamaton kumppani molekyylin geometrialle.

Elektronisesta geometriasta ja havaitsemalla vapaiden elektronien parit Lewis-rakenteen avulla on mahdollista selvittää, mikä molekyylin geometria tulee olemaan. Kaikkien molekyyligeometrioiden summa antaa yleiskuvan koko rakenteesta.

Molekyylin geometrian tyypit

Kuten pääkuvasta voidaan nähdä, molekyylin geometria riippuu siitä, kuinka monta atomia ympäröi keskusatomia. Jos kuitenkin on jakamatonta elektroniparia, se muuttaa geometriaa, koska se vie paljon tilaa. Siksi sillä on steerinen vaikutus.

Tämän mukaan geometria voi esittää sarjan ominaisia ​​muotoja monille molekyyleille. Ja tässä syntyy erityyppisiä molekyyligeometrioita tai molekyylirakenteita.

Milloin geometria on yhtä suuri kuin rakenne? Molemmat tarkoittavat samaa vain tapauksissa, joissa rakenteella on vain yksi geometrian tyyppi; muuten kaikkia läsnä olevia tyyppejä tulisi harkita ja rakenteelle antaa globaali nimi (lineaarinen, haaroittunut, pallo, taso jne.).

Geometriat ovat erityisen hyödyllisiä selitettäessä kiinteän aineen rakennetta sen rakenneyksiköistä.

Lineaarinen

Kaikki kovalenttiset sidokset ovat suunnattuja, joten AB-sidos on lineaarinen. Mutta tuleeko AB ₂ -molekyyli lineaariseksi ? Jos niin, geometria esitetään yksinkertaisesti nimellä: BAB. Kaksi B-atomia erotetaan 180º kulmalla, ja TEV: n mukaan A: lla on oltava hybridi sp-kiertoradat.

kulmikas

Lähde: Gabriel Bolívar

Lineaarinen geometria voidaan olettaa ensisijaisesti molekyyliä AB ₂; on kuitenkin tärkeää piirtää Lewisin rakenne ennen päätelmien tekemistä. Lewis-rakenteen ollessa piirretty, A-atomissa olevien jakautumattomien elektroniparien (:) lukumäärä voidaan tunnistaa.

Kun näin on, A: n päällä olevat elektroniparit työntävät kaksi B-atomia alaspäin muuttaen niiden kulmia. Seurauksena on, että lineaarinen BAB-molekyyli muuttuu V: ​​ksi, bumerangiaksi tai kulmageometriaksi (yläkuva)

Vesimolekyyli, HOH, on ihanteellinen esimerkki tällaiselle geometrialle. Happiatomissa on kaksi paria elektronia jakamatta, jotka ovat suunnattu suunnilleen 109º kulmaan.

Miksi tämä kulma? Koska elektroninen geometria on tetraedrinen, jossa on neljä kärkipistettä: kaksi H-atomeille ja kaksi elektronille. Yläkuvassa huomioi, että vihreät pisteet ja kaksi ”silmän lohkoa” vetävät tetraedron, jonka keskellä on sininen piste.

Jos O: lla ei olisi vapaita elektronipareja, vesi muodostaisi lineaarisen molekyylin, sen napaisuus vähentyisi ja valtameriä, meriä, järviä jne. Ei todennäköisesti olisi olemassa, koska ne tunnetaan.

tetraedri

Lähde: Gabriel Bolívar

Yläkuva edustaa tetraedrista geometriaa. Vesimolekyylin osalta sen elektroninen geometria on tetraedrinen, mutta kun vapaita elektroniparejä eliminoidaan, voidaan nähdä, että se muuttuu kulmageometriseksi. Tämä havaitaan myös yksinkertaisesti poistamalla kaksi vihreää pistettä; loput kaksi piirtävät V: n sinisellä pisteellä.

Entä jos kahden vapaan elektroniparin sijasta olisi vain yksi? Silloin trigonaalitaso jää (pääkuva). Kuitenkin poistamalla elektroninen ryhmä ei vältetä vapaan elektroniparin tuottamaa steeristä vaikutusta. Siksi se vääristää trigonaalitasoa pyramidiin, jolla on kolmionmuotoinen pohja:

Lähde: Gabriel Bolívar

Vaikka trigonaalisen ja tetraedrisen pyramidin molekyyligeometria ovat erilaiset, elektroninen geometria on sama: tetraedrinen. Joten trigonaalipyramidia ei lasketa elektroniseksi geometriaksi?

Vastaus on kieltävä, koska kyseessä on silmien lohkon ja sen steerisen vaikutuksen aiheuttama vääristymä, ja tämä geometria ei ota huomioon myöhempiä vääristymiä.

Tästä syystä on aina tärkeää ensin määrittää elektroninen geometria Lewis-rakenteiden avulla ennen kuin määritetään molekyylin geometria. Ammoniakin molekyyli, NH ₃, on esimerkki trigonal pyramidi molekyyli- geometria, mutta tetraedrisessa elektronin geometria.

Trigonal bipyramid

Lähde: Gabriel Bolívar

Tähän asti, lineaarista geometriaa lukuun ottamatta, tetraeedisessa, kulma- ja trigonaalipyramidissa niiden keskiatomeilla on sp ³ -hybridisaatio, TEV: n mukaan. Tämä tarkoittaa, että jos niiden sidoskulmat määritetään kokeellisesti, niiden tulisi olla noin 109º.

Trigonaalisesta dipyramidaalisesta geometriasta on keskiatomin ympärillä viisi elektronista ryhmää. Yllä olevassa kuvassa se näkyy viidellä vihreällä pisteellä; kolme kolmion alapuolella ja kaksi aksiaaliasennossa, jotka ovat pyramidin ylempi ja alempi kärki.

Mitä hybridisaatiota sinisellä pisteellä sitten on? Yksittäisten sidosten (oranssi) muodostaminen vie viisi hybridirataa. Tämä saavutetaan viiden sp ³ d orbitaaleja (tuote seoksen yhden s, kolme s ja yksi d kiertoradan).

Kun tarkastellaan viittä elektronista ryhmää, geometria on jo valotettu, mutta koska elektroniparit ovat jakamatta, se kärsii jälleen vääristymistä, joita muut geometriat tuottavat. Samoin nousee esiin seuraava kysymys: voivatko nämä parit sijoittaa minkä tahansa paikan pyramidissa? Nämä ovat: aksiaalinen tai päiväntasaaja.

Aksiaalinen ja päiväntasaaja-asemat

Kolmiomaisen perustan muodostavat vihreät pisteet ovat päiväntasaajan asemissa, kun taas ylä- ja alapäässä olevat kaksi ovat aksiaaliasennossa. Missä jakamaton elektronipari ensisijaisesti sijaitsee? Siinä asennossa, joka minimoi staattisen heikentymisen ja steerisen vaikutuksen.

Aksiaalisessa asennossa elektronipari “paineisi” kohtisuoraan (90º) kolmion alapuolelle, kun taas, jos se olisi päiväntasaavassa asemassa, kaksi jäljellä olevaa elektronista ryhmää pohjassa olisivat 120º etäisyydellä toisistaan ​​ja painaisivat molempia päitä 90º: n sijaan (kolme, kuten pohjassa).

Siksi keskiatomi pyrkii suunnistamaan vapaat elektroniparinsa päiväntasaajan paikoissa stabiilien molekyyligeometrioiden muodostamiseksi.

Oskilloiva ja T-muoto

Lähde: Gabriel Bolívar

Jos trigonaalisessa bipyramidigeometriassa yksi tai useampi sen atomeista korvataan vapailla elektronipareilla, meillä olisi myös erilaisia ​​molekyylin geometrioita.

Yläkuvan vasemmalla puolella geometria muuttuu värähtelevään muotoon. Siinä vapaa elektronipari työntää loput neljä atomia samaan suuntaan taivuttamalla niiden sidoksia vasemmalle. Huomaa, että tämä pari ja kaksi atomista sijaitsevat samassa kolmiontasossa kuin alkuperäinen bipyramid.

Ja kuvan oikealla puolella on T-muotoinen geometria.Tämä molekyyligeometria on seurausta kahden atomin korvaamisesta kahdelle elektroniparille, jolloin kolme jäljellä olevaa atomia kohdistuvat samaan tasoon, joka vetää tarkalleen yhden kirjaimen T.

Sitten tyypin AB ₅ molekyylin kohdalla se ottaa käyttöön trigonaalisen bipyramidigeometrian. Kuitenkin AB ₄, jolla on sama elektroninen geometria, ottaa värähtelevän geometrian; ja AB ₃, T-muotoinen geometria. Kun ne kaikki A (yleensä) on sp ³ d hybridisaatio.

Molekyylin geometrian määrittämiseksi on tarpeen piirtää Lewisin rakenne ja siten sen elektroninen geometria. Jos tämä on trigonaalinen bipyramid, silloin vapaat elektroniparit hylätään, mutta ei niiden steerisiä vaikutuksia muihin atomiin. Siten voidaan erottaa täydellisesti kolmen mahdollisen molekyylin geometrian välillä.

octahedral

Oktaedrinen molekyylin geometria on esitetty pääkuvan oikealla puolella. Tämäntyyppinen geometria vastaa AB ₆ -yhdisteitä. AB ₄ muodostaa neliön pohjan, kun taas loput kaksi B: tä on sijoitettu aksiaaliseen asentoon. Siten muodostuu useita tasasivuisia kolmioita, jotka ovat oktaedron pinnat.

Tässäkin voi olla (kuten kaikissa elektronisissa geometrioissa) vapaita elektroneja, ja siksi tästä tosiasiasta johtuvat muut molekyyligeometriat. Esimerkiksi AB _5, jossa on oktaedrinen elektronigeometria, koostuu pyramidista, jonka neliöpohja on, ja AB ₄, neliömäisestä tasosta:

Lähde: Gabriel Bolívar

Oktaedristen elektronien geometrian tapauksessa nämä kaksi molekyylin geometriaa ovat sähköstaattisen heijastuskyvyn kannalta vakaimpia. Neliötasomaisessa geometriassa kaksi elektroniparia ovat 180º: n etäisyydellä toisistaan.

Mikä on atomin A hybridisaatio näissä geometrioissa (tai rakenteissa, jos se on ainoa)? Jälleen, TEV todetaan, että se on sp ³ d ², kuusi hybridi orbitaalit, joiden avulla A suunnata sähköisen ryhmien kärkipisteet, joka oktaedrin.

Muut molekyylin geometriat

Muokkaamalla tähän mennessä mainittujen pyramidien emäksiä voidaan saada joitain monimutkaisempia molekyyligeometrioita. Esimerkiksi viisikulmaisella bipyramidilla on viisikulma sen emäkselle ja sen muodostavilla yhdisteillä on yleinen kaava AB ₇.

Kuten muutkin molekyylin geometriat, B-atomien korvaaminen vapailla elektronipareilla vääristää geometriaa muihin muotoihin.

Myös AB ₈ -yhdisteet voivat omaksua geometrioita, kuten neliömäinen antiprismi. Jotkut geometriat voivat olla hyvin monimutkaisia, etenkin kaavoilla AB ₇ alkaen (aina AB _{12: een}).

Esimerkkejä molekyylin geometriasta

Yhdisteiden sarja mainitaan jäljempänä jokaiselle päämolekyyliselle geometrialle. Harjoituksena voitaisiin piirtää kaikille esimerkeille Lewisin rakenteet ja varmentaa, saadaanko sähköisen geometrian perusteella molekyylin geometriat alla luetellulla tavalla.

Lineaarinen geometria

-Etyleeni, H ₂ = CH ₂

-Beryllium kloridi, BeCI ₂ (Cl-BeCI)

-Hiilidioksidi, CO ₂ (O = C = O)

-Typpi, N ₂ (N≡N)

- elohopeadibromidi, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodidi-anioni, I ₃ ^- (III)

-Suolahappo, HCN (HN HC)

Niiden kulmien on oltava 180º, ja siksi niiden on sp-hybridisoitunut.

Kulmageometria

- vettä

-Rikkidioksidi, SO ₂

-Typpidioksidi, NO ₂

-Otsoni, O ₃

Amidi anioni, NH ₂ ^-

Trigonaalitaso

Bromi aminorikkitrifluoridilla, BF ₃

Alumii- trikloridi, AICI ₃

-Nitraatti-anioni, NO ₃ ^-

-Hiilianioni, CO ₃ ^2–

tetraedri

Metaanin kaasu, CH ₄

Hiilessä tetrakloridi, CCI ₄

-Ammonium kationi, NH ₄ ⁺

-Sulfaatti-anioni, SO ₄ ^2-

Trigonaalipyramidi

-Amonia, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonal bipyramid

-Fosforipentafluoridi, PF ₅

-Antimonpentakloridi, SbF ₅

värähtelevän

Rikkitetrafluoridin, SF ₄

T-muoto

-Iodine trikloridi, ICl ₃

-Kloori- aminorikkitrifluoridilla, CIF ₃ (molemmat yhdisteet tunnetaan interhalogens)

octahedral

-Sulfur heksafluoridiksi SF ₆

-Seleeniheksafluoridi, SeF ₆

-Heksafluorifosfaatti, PF ₆ ^-

Yhteenvetona voidaan todeta, että molekyylin geometria selittää aineen kemiallisten tai fysikaalisten ominaisuuksien havainnot. Se on kuitenkin suunnattu elektronisen geometrian mukaan, joten jälkimmäinen on aina määritettävä ennen ensimmäistä.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. Kemia. (8. painos). CENGAGE Learning, s. 194–198.
2. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos., S. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekyyligeometria ja VSEPR-teoria. Palautettu: nyu.edu
4. Virtuaalikirja, Charles E. Ophardt. (2003). Johdanto molekyyligeometriaan. Palautettu osoitteesta: chemistry.elmhurst.edu
5. Kemia LibreTexts. (8. syyskuuta 2016). Molekyylien geometria. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org