MOLEKULĀRĀ ĢEOMETRIJA: JĒDZIENS, VEIDI UN PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Molekulārā ģeometrija vai molekulārā struktūra ir telpiskais izkārtojums atomiem ap centrālo atomu. Atomi apzīmē reģionus, kur ir augsts elektronu blīvums, un tāpēc tos uzskata par elektroniskām grupām neatkarīgi no saitēm, kuras tie veido (vienreizējas, divkāršas vai trīskāršas).

Elementa molekulārā ģeometrija var raksturot dažas tā fizikālās vai ķīmiskās īpašības (viršanas temperatūra, viskozitāte, blīvums utt.). Piemēram, ūdens molekulārā struktūra nosaka tā šķīdību.

Avots: Gabriel Bolívar

Šī koncepcija rodas no divu teoriju apvienojuma un eksperimentālajiem datiem: valences saites (TEV) un valences apvalka elektronisko pāru (RPECV) atgrūšanas. Kamēr pirmais nosaka saites un to leņķus, otrais nosaka ģeometriju un attiecīgi arī molekulāro struktūru.

Kādas ģeometriskās formas molekulas spēj pieņemt? Abas iepriekšējās teorijas sniedz atbildes. Saskaņā ar RPECV, brīvo elektronu atomiem un pāriem jābūt izvietotiem telpā tā, lai samazinātu elektrostatisko atgrūšanos starp tiem.

Tātad, ģeometriskās formas nav patvaļīgas, bet drīzāk meklē visstabilāko dizainu. Piemēram, attēlā virs kreisajā pusē var redzēt trīsstūri un labajā pusē oktaedru. Zaļie punkti apzīmē atomus, un oranžais saista saites.

Trīsstūrī trīs zaļie punkti ir orientēti 120 ° attālumā viens no otra. Šis leņķis, kas ir vienāds ar saites leņķi, ļauj atomiem atvairīt viens otru pēc iespējas mazāk. Tāpēc molekula ar centrālo atomu, kas piestiprināta trim citiem, pieņems trigonālās plaknes ģeometriju.

Tomēr RPECV prognozē, ka brīvs elektronu pāris centrālajā atomā kropļos ģeometriju. Trigonālās plaknes gadījumā šis pāris nospiež trīs zaļos punktus, iegūstot trigonālās piramīdas ģeometriju.

Tas pats var notikt arī ar attēlā esošo oktaedru. Tajā visi atomi ir atdalīti iespējami stabilākā veidā.

Kā iepriekš zināt X atoma molekulāro ģeometriju?

Šim nolūkam ir jāapsver arī brīvo elektronu pāri kā elektroniskas grupas. Tie kopā ar atomiem definēs to, kas ir pazīstams kā elektroniskā ģeometrija, kas ir neatņemams molekulārās ģeometrijas pavadonis.

Izmantojot elektronisko ģeometriju un atklājot brīvo elektronu pārus, izmantojot Lūisa struktūru, ir iespējams noteikt, kāda būs molekulārā ģeometrija. Visu molekulāro ģeometriju summa sniegs vispārējās struktūras izklāstu.

Molekulārās ģeometrijas veidi

Kā redzams galvenajā attēlā, molekulārā ģeometrija ir atkarīga no tā, cik atomi ieskauj centrālo atomu. Tomēr, ja atrodas nedalīts elektronu pāris, tas lielā ģeogrāfiskā tilpuma dēļ mainīs ģeometriju. Tāpēc tas rada sterisku efektu.

Saskaņā ar to ģeometrija var parādīt daudzām molekulām raksturīgu formu sēriju. Un šeit rodas dažāda veida molekulārā ģeometrija vai molekulārā struktūra.

Kad ģeometrija ir vienāda ar struktūru? Abi apzīmē vienu un to pašu tikai tajos gadījumos, kad struktūrai nav vairāk nekā viena veida ģeometrija; pretējā gadījumā jāņem vērā visi esošie veidi, un struktūrai jāpiešķir vispārējs nosaukums (lineārs, sazarots, globular, plakans utt.).

Ģeometrijas ir īpaši noderīgas, lai izskaidrotu cietās vielas struktūru no tās struktūrvienībām.

Lineārs

Visas kovalentās saites ir virziena, tāpēc AB saite ir lineāra. Bet vai AB ₂ molekula būs lineāra ? Ja tā, ģeometriju attēlo vienkārši šādi: BAB. Divus B atomus atdala ar 180 ° leņķi, un saskaņā ar TEV A jābūt hibrīdajām sp orbitālām.

Leņķa

Avots: Gabriel Bolívar

Pirmkārt, molekulā AB ₂ var pieņemt lineāru ģeometriju ; tomēr pirms secinājumu izdarīšanas ir svarīgi izdarīt Lūisa struktūru. Izmantojot Lūisa struktūru, var identificēt nedalītu elektronu pāru (:) skaitu uz A atoma.

Kad tas tā ir, elektronu pāri, kas atrodas virs A, nospiež divus B atomus uz leju, mainot to leņķus. Tā rezultātā lineārā BAB molekula pārvēršas par V, bumerangu vai leņķisko ģeometriju (augšējais attēls)

Ūdens molekula HOH ir ideāls piemērs šāda veida ģeometrijai. Skābekļa atomā ir divi elektronu pāri bez dalīšanās, kas ir orientēti aptuveni 109º leņķī.

Kāpēc šis leņķis? Tā kā elektroniskā ģeometrija ir tetraedriska, kurai ir četras virsotnes: divas H atomiem un divas elektroniem. Augšējā attēlā ņemiet vērā, ka zaļie punkti un divas “daivas ar acīm” uzzīmē tetraedru ar zilu punktu tā centrā.

Ja O nebūtu brīvu elektronu pāru, ūdens veidotu lineāru molekulu, tā polaritāte samazinātos, un okeāni, jūras, ezeri utt., Iespējams, nepastāvētu, jo tie ir zināmi.

Tetraedrons

Avots: Gabriel Bolívar

Augšējais attēls attēlo tetraedrisko ģeometriju. Ūdens molekulai tās elektroniskā ģeometrija ir tetraedriska, bet, novēršot brīvos elektronu pārus, var redzēt, ka tā pārvēršas leņķiskā ģeometrijā. To novēro arī vienkārši noņemot divus zaļus punktus; atlikušie divi zīmēs V ar zilo punktu.

Ko darīt, ja divu brīvo elektronu pāri vietā būtu tikai viens? Tad paliktu trigonāla plakne (galvenais attēls). Tomēr, noņemot elektronisko grupu, nevar izvairīties no brīvo elektronu pāra radītā steriskā efekta. Tāpēc tas izkropļo trigonālo plakni uz piramīdu ar trīsstūrveida pamatni:

Avots: Gabriel Bolívar

Kaut arī trigonālās un tetraedriskās piramīdas molekulārā ģeometrija ir atšķirīga, elektroniskā ģeometrija ir vienāda: tetraedriskā. Tātad trigonālā piramīda nav uzskatāma par elektronisko ģeometriju?

Atbilde ir nē, jo tā ir izkropļojuma, ko rada “daiva ar acīm”, un tā steriskā iedarbība, un šī ģeometrija neņem vērā turpmākos kropļojumus.

Šī iemesla dēļ pirms molekulārās ģeometrijas noteikšanas vienmēr ir svarīgi vispirms noteikt elektronisko ģeometriju, izmantojot Lūisa struktūras. Amonjaka molekula NH ₃ ir trigonālās piramīdas molekulārās ģeometrijas piemērs, bet ar tetraedriskā elektronu ģeometriju.

Trigonāla bipiramīda

Avots: Gabriel Bolívar

Līdz šim, izņemot TEV, tetraedriskajā, leņķiskajā un trigonālajā piramīdā to centrālajiem atomiem ir sp ³ hibridizācija , izņemot lineāro ģeometriju . Tas nozīmē, ka, ja to saites leņķi tika noteikti eksperimentāli, tiem vajadzētu būt aptuveni 109º.

No trigonālās dipiramidālās ģeometrijas ap centrālo atomu ir piecas elektroniskas grupas. Augšējā attēlā to var redzēt ar pieciem zaļajiem punktiem; trīs trīsstūrveida pamatnē un divi aksiālā stāvoklī, kas ir piramīdas augšējie un apakšējie virsotnes.

Kāda hibridizācija tad ir ar zilo punktu? Vienu saišu (oranža) veidošanai nepieciešami pieci hibrīdi orbitāli. To panāk, izmantojot piecas sp ³ d orbitāles (vienas s, trīs p un vienas d orbitāles maisījuma produkts).

Apsverot piecas elektroniskās grupas, ģeometrija ir tā, kas jau ir pakļauta, bet, tā kā ir elektronu pāri bez dalīšanās, tā atkal cieš traucējumus, kas rada citas ģeometrijas. Tāpat rodas šāds jautājums: vai šie pāri var ieņemt kādu vietu piramīdā? Tie ir: aksiālais vai ekvatoriālais.

Aksiālās un ekvatoriskās pozīcijas

Zaļie punkti, kas veido trīsstūrveida pamatni, atrodas ekvatoriālā stāvoklī, bet augšējā un apakšējā galā divi atrodas aksiālā stāvoklī. Kur vēlamāk atradīsies nesadalīts elektronu pāris? Šajā pozīcijā, kas samazina elektrostatisko atgrūšanos un sterisko efektu.

Aksiālā stāvoklī elektronu pāris “spiedīs” perpendikulāri (90 °) uz trīsstūrveida pamatni, savukārt, ja tas atrastos ekvatoriālā stāvoklī, divas atlikušās pamatnes elektroniskās grupas būtu 120 ° attālumā viena no otras un saspiestu abus galus 90 ° (nevis trīs, tāpat kā ar pamatni).

Tāpēc centrālais atoms centīsies savus brīvos elektronu pārus orientēt ekvatoriālajās pozīcijās, lai iegūtu stabilākas molekulārās ģeometrijas.

Svārstīga un T forma

Avots: Gabriel Bolívar

Ja trigonālajā bipiramīda ģeometrijā vienu vai vairākus tā atomus aizstātu ar brīvajiem elektronu pāriem, mums būtu arī dažādas molekulārās ģeometrijas.

Pa kreisi no augšējā attēla ģeometrija mainās uz svārstīgo formu. Tajā brīvais elektronu pāris nospiež pārējos četrus atomus tajā pašā virzienā, saliekot to saites pa kreisi. Ņemiet vērā, ka šis pāris un divi no atomiem atrodas tajā pašā oriģinālās bipiramīdas trīsstūrveida plaknē.

Attēla labajā pusē ir T formas ģeometrija.Šī molekulārā ģeometrija ir rezultāts, kad divi atomi tiek aizstāti ar diviem elektronu pāriem, kā rezultātā trīs atlikušie atomi izlīdzinās vienā plaknē, kas iezīmē precīzi vienu burtu. T.

Tad molekulai, kuras tips ir AB ₅ , tā pieņem trigonālās bipiramīdas ģeometriju. Tomēr AB ₄ ar tādu pašu elektronisko ģeometriju izmantos svārstīgo ģeometriju; un T-veida ģeometrija AB _3. Visos tajos A būs (parasti) sp ³ d hibridizācija .

Lai noteiktu molekulāro ģeometriju, ir jānozīmē Lūisa struktūra un tātad arī tā elektroniskā ģeometrija. Ja šī ir trigonāla bipiramīda, tad tiks izmesti brīvie elektronu pāri, bet ne to steriskā ietekme uz pārējiem atomiem. Tādējādi var lieliski saskatīt trīs iespējamās molekulārās ģeometrijas.

Oktaedrija

Oktaedriskā molekulārā ģeometrija ir attēlota pa labi no galvenā attēla. Šis ģeometrijas tips atbilst AB ₆ savienojumiem . AB ₄ veido kvadrātveida pamatni, bet atlikušie divi B ir novietoti aksiālā stāvoklī. Tādējādi veidojas vairāki vienādmalu trīsstūri, kas ir oktaedra sejas.

Šeit atkal var būt (tāpat kā visās elektroniskajās ģeometrijās) brīvo elektronu pāri, un tāpēc no šī fakta izriet arī citas molekulārās ģeometrijas. Piemēram, AB ₅ ar oktaedrisku elektronu ģeometriju sastāv no piramīdas ar kvadrātveida pamatni un AB ₄ no kvadrātveida plaknes:

Avots: Gabriel Bolívar

Oktaedriskā elektronu ģeometrijas gadījumā šīs divas molekulārās ģeometrijas ir visstabilākās elektrostatiskās atgrūšanas ziņā. Kvadrātveida plaknes ģeometrijā divi elektronu pāri atrodas 180º attālumā viens no otra.

Kāda ir A atoma hibridizācija šajās ģeometrijās (vai struktūrās, ja tā ir vienīgā)? Arī šajā gadījumā TEV norāda, ka tā ir sp ³ d ² , seši hibrīda orbitālēm, kas ļauj no A līdz orientēt elektronisko grupas pie virsotnes oktaedriski.

Citas molekulārās ģeometrijas

Pārveidojot līdz šim pieminēto piramīdu pamatus, var iegūt dažas sarežģītākas molekulārās ģeometrijas. Piemēram, piecstūrveida bipiramīdā ir piecstūris tās pamatnei, un savienojumiem, kas to veido, ir vispārējā formula AB ₇ .

Tāpat kā citas molekulārās ģeometrijas, B atomu aizstāšana ar brīvajiem elektronu pāriem izkropļos ģeometriju citās formās.

Arī AB ₈ savienojumi var izmantot tādas ģeometrijas kā kvadrātveida antiprisms. Dažas ģeometrijas var būt ļoti sarežģītas, it īpaši formulu AB _{7 un} turpmākas (līdz AB ₁₂ ).

Molekulārās ģeometrijas piemēri

Savienojumu sērijas turpmāk tiks minētas katrai galvenajai molekulārajai ģeometrijai. Kā vingrinājumu visiem piemēriem varētu uzzīmēt Lūisa struktūras un apliecināt, vai, ņemot vērā elektronisko ģeometriju, molekulārās ģeometrijas ir iegūtas, kā norādīts turpmāk.

Lineārā ģeometrija

-Ethylene, H ₂ C≡CH ₂

-Beryllium hlorīds, BeCl ₂ (Cl-BeCl)

-Oglekļa dioksīds, CO ₂ (O = C = O)

-Slāpeklis, N ₂ (N≡N)

-Merkurālais dibromīds, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodīda anjons, I ₃ ^- (III)

-Ūdeņražskābe, HCN (HN≡C)

Viņu leņķiem jābūt 180º, un tāpēc tiem jābūt ar hibridizāciju.

Leņķiskā ģeometrija

- ūdens

-Sēra dioksīds, SO ₂

-Slāpekļa dioksīds, NO ₂

-Ozons, O ₃

-Amīda anjons, NH ₂ ^-

Trigonāla plakne

-Bromo trifluorīds, BF ₃

-Alumīnija trihlorīds, AlCl ₃

-Nitrātu anjons, NO ₃ ^-

-Karbonāta anjons, CO ₃ ^2–

Tetraedrons

-Metāna gāze, CH ₄

- oglekļa tetrahlorīds, CCl ₄

-Monija katjons, NH ₄ ⁺

-Sulfāta anjons, SO ₄ ²

Trigonāla piramīda

-Amonjaka, NH ₃

-Katjonu hidronijs, H ₃ O ⁺

Trigonāla bipiramīda

-Fosfora pentafluorīds, PF ₅

-Animona pentahlorīds, SbF ₅

Svārstīgs

Sēra tetrafluorīds, SF ₄

T forma

-Joda trihlorīds, ICl ₃

-Hlora trifluorīds, ClF ₃ (abi savienojumi ir zināmi kā starphalogēni)

Oktaedrija

-Sulfur heksafluorīds, SF ₆

- selēna heksafluorīds, SeF ₆

-Heksafluorfosfāts, PF ₆ ^-

Jāsecina, ka molekulārā ģeometrija izskaidro vielas ķīmisko vai fizikālo īpašību novērojumus. Tomēr tas ir orientēts pēc elektroniskās ģeometrijas, tāpēc pēdējais vienmēr jānosaka pirms pirmā.

Atsauces

1. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās, 194.-198. Lpp.
2. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums. 23., 24., 80., 169. lpp.). Mc Graw Hill.
3. Marks E. Tuckermans. (2011). Molekulārā ģeometrija un VSEPR teorija. Atgūts no: nyu.edu
4. Virtuālais žurnāls, Čārlzs E. Ophards. (2003). Ievads molekulārajā ģeometrijā. Atgūts no: chemics.elmhurst.edu
5. Ķīmija LibreTexts. (2016. gada 8. septembris). Molekulu ģeometrija. Atgūts no: chem.libretexts.org