МОЛЕКУЛАРНА ГЕОМЕТРИЈА: КОНЦЕПТ, ВРСТЕ И ПРИМЕРИ - ХЕМИЈА - 2025

Геометрија молекула или молекуларна структура је просторном распореду атома око централног атома. Атоми представљају регионе у којима постоји велика густина електрона, па се стога сматрају електронским групама, без обзира на везе које формирају (једноструке, двоструке или троструке).

Молекуларна геометрија елемента може да карактерише нека његова физичка или хемијска својства (тачка кључања, вискозност, густина итд.). На пример, молекуларна структура воде одређује њену растворљивост.

Извор: Габриел Боливар

Овај концепт произилази из комбинације и експерименталних података две теорије: валенцијске везе (ТЕВ) и одбијања електронских парова валентне љуске (РПЕЦВ). Док први дефинише везе и њихове углове, други успоставља геометрију и, самим тим, молекуларну структуру.

Које су геометријске форме молекули способни да усвоје? Две претходне теорије дају одговоре. Према РПЕЦВ, атоми и парови слободних електрона морају бити распоређени у простору на такав начин да минимализују електростатичко одбијање између њих.

Дакле, геометријски облици нису произвољни, већ траже најстабилнији дизајн. На пример, на слици изнад можете видети троугао са леве стране и октаедар са десне стране. Зелене тачкице представљају атоме, а наранџасте пруге везе.

У троуглу су три зелене тачке оријентисане раздаљине 120 °. Овај угао, који је једнак вези везе, омогућава атомима да се одбијају једни друге што је мање могуће. Стога ће молекул са централним атомом везаним за три друга усвојити геометрију тригоналне равни.

Међутим, РПЕЦВ предвиђа да ће слободни пар електрона у централном атому искривити геометрију. У случају тригоналне равни, овај пар ће притиснути три зелене тачке, што ће резултирати геометријом тригоналне пирамиде.

Исто се може десити и са октаедром на слици. У њему су сви атоми одвојени на најстабилнији могући начин.

Како унапред знати молекуларну геометрију Кс-атома?

За то је такође потребно размотрити парове слободних електрона као електронске групе. Они ће заједно са атомима дефинисати оно што је познато као електронска геометрија, а која је нераздвојни пратилац молекуларне геометрије.

Из електронске геометрије и откривањем парова слободних електрона помоћу Левисове структуре могуће је утврдити која ће бити молекуларна геометрија. Збир свих молекуларних геометрија пружиће обрис целокупне структуре.

Врсте молекуларне геометрије

Као што се види на главној слици, молекуларна геометрија зависи од тога колико атома окружује централни атом. Међутим, ако је присутан непокривени пар електрона, он ће модификовати геометрију јер заузима велику запремину. Стога има стерицни ефекат.

Према овом, геометрија може представити низ карактеристичних облика за многе молекуле. И ту настају различите врсте молекуларне геометрије или молекуларне структуре.

Када је геометрија једнака структури? Обоје означавају исто само у случајевима када структура нема више врста геометрије; у супротном треба узети у обзир све присутне типове и структуру дати глобално име (линеарна, разграната, кугласта, равна итд.).

Геометрије су посебно корисне за објашњавање структуре чврстог материјала из његових структурних јединица.

Линеарно

Све ковалентне везе су усмерене, тако да је веза АБ линеарна. Али, да ли ће молекул АБ ₂ бити линеаран ? Ако је то случај, геометрија је представљена једноставно као: БАБ. Два Б атома су раздвојена под углом од 180º, а према ТЕВ-у А мора имати хибридне сп орбитале.

Угаона

Извор: Габриел Боливар

Линеарни геометрија могу претпоставити у првом степену за молекула АБ ₂ ; међутим, прије доношења закључка важно је извући Левисову структуру. Са нацртаном Левис структуром може се идентификовати број непоражених парова електрона (:) на А атому.

Кад је то тако, парови електрона на врху А гурају два атома Б доле и мењају углове. Као резултат, линеарни БАБ молекул завршава претварајући се у В, бумеранг или угаону геометрију (горња слика)

Молекула воде, ХОХ, је идеалан пример за ову врсту геометрије. У атому кисеоника постоје два пара електрона без дељења који су оријентисани под углом од приближно 109 °.

Зашто овај угао? Јер електронска геометрија је тетраедарска, која има четири врха: две за Х атоме и две за електроне. На горњој слици имајте на уму да зелене тачкице и две „режњеви са очима“ цртају тетраедар са плавом тачком у средини.

Да О није имао слободних парова електрона, вода би формирала линеарни молекул, поларитет би се смањивао, а океани, мора, језера итд. Вероватно не би постојали онако како су познати.

Тетрахедрон

Извор: Габриел Боливар

Горња слика представља тетраедарску геометрију. За молекулу воде његова је електронска геометрија тетраедарска, али при уклањању слободних парова електрона може се приметити да се трансформише у угаону геометрију. То се такође примећује једноставним уклањањем две зелене тачке; преостала два ће нацртати В плавом тачком.

Шта ако је уместо два пара слободних електрона постојао само један? Тада би остала тригонална равнина (главна слика). Међутим, уклањањем електронске групе, не избегава се стерски ефекат који производи пар слободних електрона. Стога изобличава тригоналну равнину на пирамиду са троугластом основом:

Извор: Габриел Боливар

Иако су молекуларне геометрије тригоналне и тетраедарске пирамиде различите, електронска геометрија је иста: тетраедарска. Дакле, тригонална пирамида се не рачуна као електронска геометрија?

Одговор је не, јер је то продукт изобличења које је проузроковао "режањ са очима" и његово стерично дејство, а ова геометрија не узима у обзир накнадне изобличења.

Из тог разлога, увек је важно прво одредити електронску геометрију уз помоћ Левис-ових структура пре него што се дефинише молекуларна геометрија. Амонијак молекул, НХ ₃ , представља пример тригонално геометрија молекула пирамиде, али тетраедарске електрона геометрија.

Тригонална бипирамида

Извор: Габриел Боливар

До сада, са изузетком линеарног геометрије, у тетраедарске, угаоно и тригонално пирамида њихове централне атоми имају сп ³ хибридизацију према ТЕВ. То значи да ако су њихови углови везе одређени експериментално, требали би бити око 109 °.

Из тригоналне дипирамидне геометрије, пет централних атома има пет електронских група. На слици изнад може се видети са пет зелених тачака; три у троугластој бази и две у аксијалном положају, а то су горњи и доњи оси пирамиде.

Какву хибридизацију онда има плава тачка? Потребно је пет хибридних орбитала да формирају једноструке везе (наранџасте). То се постиже кроз пет сп ³ д орбитала (продукт смеше једне с, три п и једне д орбитале).

Када се узму у обзир пет електронских група, геометрија је она која је већ изложена, али пошто постоје парови електрона без дељења, поново пати од изобличења која генеришу остале геометрије. Исто тако, поставља се следеће питање: могу ли ти парови заузети било који положај у пирамиди? То су: аксијални или екваторијални.

Аксијални и екваторијални положаји

Зелене тачке које чине трокутасту базу налазе се у екваторијалном положају, док су две на горњем и доњем крају у аксијалном положају. Где ће преференцијално бити непоражени пар електрона? У том положају који минимизира електростатичко одбијање и стерицни ефекат.

У аксијалном положају, пар електрона би „притискао“ окомито (90 °) на трокутасту базу, док би у екваторијалном положају две преостале електронске групе на бази биле удаљене 120 ° и притискале би два краја на 90 ° (уместо три, као код базе).

Стога ће средишњи атом покушати оријентирати своје слободне парове електрона у екваторијалне положаје како би створио стабилније молекуларне геометрије.

Осцилирајући и Т облик

Извор: Габриел Боливар

Ако би у тригоналној бипирамидној геометрији један или више његових атома били замењени слободним паровима електрона, такође бисмо имали различите молекуларне геометрије.

Лево од горње слике геометрија се мења у осцилирајући облик. У њему слободни пар електрона гура остале четири атома у истом смеру, савијајући своје везе улево. Имајте на уму да овај пар и два атома леже у истој троугластој равнини оригиналне бипирамиде.

И десно од слике, геометрија у облику слова Т. Ова молекуларна геометрија резултат је супституције два атома за два пара електрона, што резултира тако да се три преостала атома поравнају у истој равнини која црта тачно једно слово Т.

Затим за молекул типа АБ ₅ усваја геометрију тригоналне бипирамиде. Међутим, АБ ₄ , са истом електронском геометријом, ће усвојити осцилирајућу геометрију; анд АБ ₃ , геометрија Т-облика. У свима А це (углавном) имају сп ³ д хибридизацију .

За одређивање молекуларне геометрије потребно је нацртати Левисову структуру и самим тим њену електроничку геометрију. Ако је ово тригонална бипирамида, тада ће се слободни парови електрона одбацити, али не и њихови стерицки ефекти на остале атоме. Тако се може савршено разабрати између три могуће молекуларне геометрије.

Оцта Цатхедрал

Октаедрска молекуларна геометрија приказана је десно од главне слике. Ова врста геометрије одговара једињењима АБ ₆ . АБ ₄ формирају квадратну базу, док су преостала два Б постављена у аксијалном положају. Тако је формирано неколико једнакостраничних троуглова који су лица октаедра.

И овде могу да постоје (као у свим електронским геометријама) парови слободних електрона, и стога из ове чињенице произилазе и друге молекуларне геометрије. На пример, АБ ₅ са октаедарском геометријом електрона састоји се од пирамиде са квадратном основом, а АБ ₄ од квадратне равни:

Извор: Габриел Боливар

У случају октаедарске електронске геометрије, ове две молекуларне геометрије су најстабилније у погледу електростатичког одбијања. У геометрији квадратне равни два пара електрона су једнака 180 °.

Која је хибридизација атома А у овим геометријама (или структурама, ако је једина)? Опет, ТЕВ наводи да је сп ³ д ² , шест хибридних орбитала, који омогућавају А да оријентише електронске групе на врховима октаедра.

Остале молекуларне геометрије

Променом до сада наведених база пирамида могу се добити неке сложеније молекуларне геометрије. На пример, петерокутни бипирамид има пентагон за своју базу, а једињења која га формирају имају општу формулу АБ ₇ .

Као и остале молекуларне геометрије, замјена Б атома слободним паровима електрона ће искривити геометрију другим облицима.

Такође, једињења АБ ₈ могу да усвоје геометрије, као што је квадратни антиприсизам. Неке геометрије могу бити веома компликоване, посебно за формуле АБ ₇ па надаље (до АБ ₁₂ ).

Примери молекуларне геометрије

У наставку ће бити поменут низ једињења за сваку од главних молекуларних геометрија. Као вежба може се нацртати Левисова структура за све примере и потврдити да ли су, с обзиром на електронску геометрију, добијене молекуларне геометрије као што је ниже наведено.

Линеарна геометрија

-Етилен, Х ₂ = ЦХ ₂

-Бериллиум хлорид, БеЦл ₂ (Ци-БеЦл)

-Угљендиоксид, ЦО ₂ (О = Ц = О)

-Нитроген, Н ₂ (Н≡Н)

-Животин дибромид, ХгБр ₂ (Бр-Хг-Бр)

-Трииодид анион, И ₃ ^- (ИИИ)

-Хидроцијанска киселина, ХЦН (ХН≡Ц)

Њихови углови морају бити 180 °, и због тога имају сп хибридизацију.

Угаона геометрија

- вода

-Сумпор диоксид, СО ₂

-Азот диоксид, НО ₂

-Озоне, О ₃

-Амиде анион, НХ ₂ ^-

Тригонална равнина

-Бромо трифлуорид, БФ ₃

-Алуминијумским трихлорид, АлЦл ₃

-Нитратни анион, НО ₃ ^-

-Карбонатни анион, ЦО ₃ ^2–

Тетрахедрон

Метан гас, ЦХ ₄

-Царбон тетрахлорид, ЦЦл ₄

Амонијум катјон, НХ ₄ ⁺

-Сулфатни анион, СО ₄ ^2-

Тригонална пирамида

-Амониа, НХ ₃

-Цатион хидронијум, Х ₃ О ⁺

Тригонална бипирамида

-Фосфор пентафлуорид, ПФ ₅

-Атимонов пентахлорид, СбФ ₅

Осцилирајуће

Сумпор тетрафлуорид, СФ ₄

Т облика

- Јод трихлорид, ИЦл ₃

-Хлор-трифлуорид, ЦлФ ₃ (обе једињења су позната као интерхалогени)

Оцта Цатхедрал

-Сумпор хексафлуорид, СФ ₆

-Селенијум хексафлуорид, СеФ ₆

-Хексафлуорофосфат, ПФ ₆ ^-

Закључно, молекуларна геометрија је оно што објашњава опажања хемијских или физичких својстава материје. Међутим, оријентисана је према електронској геометрији, тако да последња увек мора бити одређена пре прве.

Референце

1. Вхиттен, Давис, Пецк и Станлеи. Хемија. (8. изд.). ЦЕНГАГЕ Леарнинг, стр. 194-198.
2. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија. (Четврто издање, стр. 23, 24, 80, 169). Мц Грав Хилл.
3. Марк Е. Туцкерман. (2011). Молекуларна геометрија и ВСЕПР теорија. Опоравак од: ниу.еду
4. Виртуални хембоок, Цхарлес Е. Опхардт. (2003). Увод у молекуларну геометрију. Опоравак од: цхемистри.елмхурст.еду
5. Цхемистри ЛибреТектс. (8. септембар 2016.). Геометрија молекула. Опоравак од: цхем.либретектс.орг