- Hogyan lehet előre megismerni egy X atom molekuláris geometriáját?
- A molekuláris geometria típusai
- Lineáris
- Szögletes
- Tetraéder
- Trigonális bipiramid
- Axiális és egyenlítői pozíciók
- Rezgő és T alakú
- nyolcoldalú
- Egyéb molekuláris geometriák
- Példák a molekuláris geometriára
- Lineáris geometria
- Szöggeometria
- Trigonális sík
- Tetraéder
- Trigonális piramis
- Trigonális bipiramid
- Rezgő
- T alakú
- nyolcoldalú
- Irodalom
A molekuláris geometria vagy a molekuláris szerkezet az atomok térbeli elrendezése egy központi atom körül. Az atomok olyan régiókat képviselnek, ahol nagy az elektronsűrűség, és ezért elektronikus csoportoknak tekintik őket, függetlenül az általuk létrehozott kötésektől (egyszeres, kettős vagy hármas).
Az elem molekuláris geometriája jellemzi annak fizikai vagy kémiai tulajdonságait (forráspont, viszkozitás, sűrűség stb.). Például a víz molekuláris szerkezete határozza meg a víz oldhatóságát.
Forrás: Gabriel Bolívar
Ez a koncepció két elmélet kombinációjából és kísérleti adataiból fakad: a valenciakötés (TEV) és a valenciahéj elektronikus párjainak (RPECV) visszatükrözéséből. Míg az első meghatározza a kötéseket és azok szögeit, a második meghatározza a geometriát és következésképpen a molekuláris szerkezetet.
Milyen geometriai alakzatok képesek elfogadni a molekulákat? A két korábbi elmélet adja a választ. Az RPECV szerint az atomokat és a szabad elektronpárokat a térben úgy kell elrendezni, hogy minimalizálják az egymás közötti elektrosztatikus repulációt.
Tehát a geometriai alakzatok nem önkényesek, hanem inkább a legstabilabb kialakítást keresik. Például a fenti képen látható egy háromszög a bal oldalon, és egy oktaéder a jobb oldalon. A zöld pontok az atomokat jelölik, a narancssárga pedig a kötéseket.
A háromszögben a három zöld pont 120 ° -kal egymástól van elhelyezve. Ez a szög, amely megegyezik a kötés szögével, lehetővé teszi az atomok számára, hogy a lehető legkisebb mértékben visszatükrözzék egymást. Ezért egy olyan molekula, amelynek központi atomja kapcsolódik három másikhoz, trigonális sík geometriát fog elfogadni.
Az RPECV azonban azt jósolja, hogy a szabad atom elektronpár a központi atomban eltorzítja a geometriát. A trigonális sík esetében ez a pár lenyomja a három zöld pontot, és trigonális piramis geometriát eredményez.
Ugyanez történhet a képen látható oktaéderrel. Ebben az atomok a lehető legstabilabb módon vannak elválasztva.
Hogyan lehet előre megismerni egy X atom molekuláris geometriáját?
Ehhez a szabad elektronpárokat is elektronikus csoportokként kell figyelembe venni. Ezek az atomokkal együtt meghatározzák az úgynevezett elektronikus geometriát, amely a molekuláris geometria elválaszthatatlan társa.
Az elektronikus geometria alapján, és a szabad elektronpárokat a Lewis-struktúrával detektálva, meg lehet határozni, hogy mi lesz a molekuláris geometria. Az összes molekuláris geometria összege adja meg a teljes szerkezet vázlatát.
A molekuláris geometria típusai
Amint az a fő képen látható, a molekuláris geometria attól függ, hogy hány atom veszi körül a központi atomot. Ha azonban meg nem osztott elektronpár van jelen, akkor ez módosítja a geometriát, mivel nagyon sok helyet foglal el. Ezért sztereikus hatást fejt ki.
Ennek értelmében a geometria számos molekulára jellemző karakterisztikákat mutathat. És itt merül fel a különféle típusú molekuláris geometria vagy molekuláris szerkezet.
Mikor egyenlő a geometria a szerkezettel? Mindkettőt csak akkor jelölik, ha a szerkezetnek egynél több geometria van; különben minden létező típust figyelembe kell venni, és a szerkezetnek globális nevet kell adni (egyenes, elágazó, gömbös, lapos stb.).
A geometriák különösen hasznosak a szilárd anyag szerkezetének megmagyarázásáért annak szerkezeti egységeiből.
Lineáris
Az összes kovalens kötés irányított, tehát az AB kötés lineáris. De az AB 2 molekula lineáris lesz-e ? Ha igen, a geometria egyszerűen: BAB. A két B-atomot 180º-os szög választja el egymástól, és a TEV szerint az A-nak hibrid sp-pályával kell rendelkeznie.
Szögletes
Forrás: Gabriel Bolívar
Az AB 2 molekulára elsősorban lineáris geometriát lehet feltételezni; a következtetés meghozatala előtt azonban alapvető fontosságú a Lewis-struktúra rajzolása. A Lewis-struktúrával meg lehet határozni az A-atomon lévő meg nem osztott elektronpárok (:) számát.
Ha ez így van, az A tetején lévő elektronpárok lefelé nyomják a B két atomját, megváltoztatva szögeiket. Ennek eredményeként a lineáris BAB molekula V, bumeranggá vagy szöggeometriává válik (felső kép)
A vízmolekula, a HOH, ideális példa az ilyen típusú geometriára. Az oxigénatomban két elektronpár van megosztás nélkül, amelyek körülbelül 109º szögben vannak orientálva.
Miért ez a szög? Mivel az elektronikus geometria tetraéder, amelynek négy csúcsa van: kettő H atomokhoz és kettő elektronokhoz. A felső képen vegye figyelembe, hogy a zöld pontok és a két „szemmel lebeny” egy tetraédert rajzolnak, amelynek középpontjában a kék pont található.
Ha O-nak nem lennének szabad elektronpárok, a víz egy lineáris molekulát képez, polaritása csökken, és valószínűleg nem léteznek óceánok, tengerek, tavak stb.
Tetraéder
Forrás: Gabriel Bolívar
A felső kép a tetraéder geometriáját ábrázolja. A vízmolekula elektronikus geometriája tetraéder, de a szabad elektronpárok kiküszöbölésekor megjegyzendő, hogy szöggeometriavá alakul. Ezt a két zöld pont eltávolításával is megfigyelhetjük; a fennmaradó kettő a kék ponttal rajzolja a V értéket.
Mi lenne, ha két pár szabad elektron helyett csak egy lenne? Ekkor megmarad egy trigonális sík (fő kép). Azonban egy elektronikus csoport eltávolításával nem kerülhető el a szabad elektronpáros szterikus hatás. Ezért eltorzítja a trigonális síkot egy háromszög alapú piramisra:
Forrás: Gabriel Bolívar
Bár a trigonális és a tetraéder piramis molekuláris geometria különbözik, az elektronikus geometria ugyanaz: a tetraéder. Tehát a trigonális piramis nem számít elektronikus geometriának?
A válasz nem, mivel a „szemmel ellátott lebeny” által okozott torzulás és sztérikus hatása eredménye, és ez a geometria nem veszi figyelembe a későbbi torzulásokat.
Ezért mindig fontos, hogy a molekuláris geometria meghatározása előtt Lewis-struktúrák segítségével meghatározzuk az elektronikus geometriát. Az ammónia molekula, NH 3, egy példa a trigonális piramis molekuláris geometriát, de tetraéderes elektron geometria.
Trigonális bipiramid
Forrás: Gabriel Bolívar
A TEV szerint eddig, a lineáris geometria kivételével, a tetraéderes, szögletes és trigonális piramisok központi atomja sp 3 hibridizációval rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy ha kötési szögeiket kísérletileg meghatározták, akkor azoknak 109º körül kell lenniük.
A trigonális dipiramidális geometria alapján öt központi csoport van a központi atom körül. A fenti képen látható az öt zöld ponttal; három a háromszög alapjában és kettő tengelyirányban, ami a piramis felső és alsó csúcsa.
Milyen hibridizációval jár a kék pont? Öt hibrid pályára van szükség az egyes kötések (narancssárga) kialakításához. Ezt az öt sp 3 d pályán keresztül érik el (egy s, három p és egy d orbital keverékének terméke).
Öt elektronikus csoport figyelembe vételével a geometria az már exponált, de mivel vannak elektronpárok megosztás nélkül, ez ismét torzulásokat szenved, amelyek más geometriákat generálnak. Hasonlóképpen, a következő kérdés merül fel: elfoglalhatnak-e ezek a párok a piramis bármely helyzetét? Ezek: axiális vagy egyenlõi.
Axiális és egyenlítői pozíciók
A háromszög alapját képező zöld pontok egyenlítői helyzetben vannak, míg a felső és az alsó vég két tengelyirányban helyezkedik el. Hol helyezkedik el előnyösen a meg nem osztott elektronpár? Ebben a helyzetben, amely minimalizálja az elektrosztatikus visszatérést és a sztérikus hatást.
Tengelyirányban az elektronpárok merőlegesen (90º) nyomnának a háromszög alapra, miközben ekvatoriális helyzetben lenne, az alapon fennmaradó két elektronikus csoport egymástól 120 ° -ra helyezkedne el, és a két végét 90 ° -on nyomja meg (három, mint az alapnál).
Ezért a központi atom igyekszik a szabad elektronpárokat az egyenlítői pozíciókba orientálni, hogy stabilabb molekuláris geometriákat hozzon létre.
Rezgő és T alakú
Forrás: Gabriel Bolívar
Ha a trigonális bipiramid geometria egy vagy több atomját szabad elektronpárokkal helyettesítjük, akkor is eltérő molekuláris geometriák lennének.
A felső kép bal oldalán a geometria oszcilláló alakvá változik. Ebben a szabad elektronpár a négy atom többi részét ugyanabba az irányba tolja, és kötelékeiket balra hajlítja. Vegye figyelembe, hogy ez a pár és az atomok kettő ugyanabban a háromszögletű síkban fekszik, mint az eredeti bipiramid.
És a kép jobb oldalán a T-alakú geometria.Ez a molekuláris geometria annak eredménye, hogy két atomot két elektronpárt helyettesítünk, amelynek eredményeként a fennmaradó három atom ugyanabba a síkba igazodik, amely pontosan egy betűt húz. T.
Ezután egy AB 5 típusú molekula esetében a trigonális bipiramid geometriát veszi át. Ugyanezen elektronikus geometriával rendelkező AB 4 azonban átveszi az oszcilláló geometriát; és AB 3, a T-alakú geometria. Mindegyikben A fog (általában) van sp 3 d hibridizáció.
A molekuláris geometria meghatározásához meg kell rajzolni a Lewis szerkezetét, és ennek következtében annak elektronikus geometriáját. Ha ez egy trigonális bipiramid, akkor a szabad elektronpárokat el kell dobni, de ezeknek az atomok többi részére gyakorolt sztérikus hatása nem. Így tökéletesen meg lehet különböztetni a három lehetséges molekuláris geometriát.
nyolcoldalú
Az oktaéderes molekuláris geometria a főkép jobb oldalán látható. Ez a fajta geometria megfelel az AB 6 vegyületeknek. Az AB 4 négyzet alakú alapot alkot, míg a fennmaradó két B tengelyirányban van elhelyezve. Így több egyenlő oldalú háromszög alakul ki, amelyek az oktaéder felületei.
Itt is lehet (mint minden elektronikus geometriában) szabad elektronpárok, és ezért más molekuláris geometriák ebből a tényből származnak. Például az 5-ös oktaéderes elektrongeometriájú AB 5 négyzet alakú alapú piramisból és AB 4 négyzet alakú síkból áll:
Forrás: Gabriel Bolívar
Az oktaéderes elektrongeometria esetében ez a két molekuláris geometria az elektrosztatikus taszítás szempontjából a legstabilabb. Négyszögletes geometria esetén a két elektronpár 180º-os távolságra van.
Mi az A atom hibridizációja ezekben a geometriákban (vagy struktúrákban, ha ez az egyetlen)? Ismét, a TEV kimondja, hogy sp 3 d 2, hat hibrid pályák, amelyek lehetővé teszik a orientálódni az elektronikus csoportok a csúcsai egy oktaéder.
Egyéb molekuláris geometriák
Az eddig említett piramisok alapjainak módosításával néhány összetettebb molekuláris geometriát lehet elérni. Például az ötszögletű bipiramidnak ötszöge van bázisához, és az azt alkotó vegyületek az AB 7 általános képlettel rendelkeznek.
A többi molekuláris geometriához hasonlóan, a B-atomok szabad elektronpárokkal történő helyettesítése torzítja a geometriát más formákra.
Az AB 8 vegyületek geometriákat is elfogadhatnak, például négyzetes antiprizmát. Egyes geometriák nagyon bonyolultak lehetnek, főleg az AB 7 képleteknél (az AB 12-ig).
Példák a molekuláris geometriára
Az alábbiakban vegyületek sorozatát említjük az egyes fő molekuláris geometriákra. Gyakorlatként fel lehet rajzolni a Lewis-struktúrákat az összes példa számára, és igazolni, hogy az elektronikus geometria figyelembe vételével a molekuláris geometriákat az alábbiakban felsorolt módon kapjuk-e meg.
Lineáris geometria
-Etilén, H 2 C = CH 2
-Beryllium-klorid, BeCl 2 (Cl-BeCl)
-Szén-dioxid, CO 2 (O = C = O)
-Nitrogén, N 2 (N≡N)
- Higadibromid, HgBr 2 (Br-Hg-Br)
-Triiodid-anion, I 3 - (III)
-Hidrogénsav, HCN (HN≡C)
Szögeiknek 180 ° -nak kell lenniük, ezért sp hibridizációval kell rendelkezni.
Szöggeometria
- víz
-Kén-dioxid, SO 2
-Nitrogén-dioxid, NO 2
- ózon, O 3
-Amid anion, NH 2 -
Trigonális sík
-Bróm-trifluorid, BF 3
-Alumínium-triklorid, AICI 3
-Nitrát anion, NO 3 -
-Karbonát anion, CO 3 2–
Tetraéder
-Metán gáz, CH 4
Cx-tetraklorid, CCI 4
-Ammónium kation, NH 4 +
-Szulfát-anion, SO 4 2-
Trigonális piramis
-Amonia, NH 3
-Kation hidrónium, H 3 O +
Trigonális bipiramid
-Foszfor-pentafluorid, PF 5
- Animon-pentaklorid, SbF 5
Rezgő
Kén-tetrafluorid, SF 4
T alakú
-Iodine triklorid, ICl 3
-Klór-trifluorid, ClF 3 (mindkét vegyületet interhalogéneknek nevezzük)
nyolcoldalú
-Sulfur hexafluorid, SF 6
-Szelén-hexafluorid, SeF 6
-Hexafluor-foszfát, PF 6 -
Összefoglalva, a molekuláris geometria magyarázza az anyag kémiai vagy fizikai tulajdonságainak megfigyelését. Ennek ellenére az elektronikus geometria szerint van orientálva, tehát az utóbbit mindig az előbbi előtt kell meghatározni.
Irodalom
- Whitten, Davis, Peck és Stanley. Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Learning, 194–198.
- Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás, 23., 24., 80., 169. o.). Mc Graw Hill.
- Mark E. Tuckerman. (2011). Molekuláris geometria és a VSEPR elmélet. Helyreállítva: nyu.edu
- Virtuális szakkönyv, Charles E. Ophardt. (2003). Bevezetés a molekuláris geometriába. Helyreállítva: chemistry.elmhurst.edu
- Kémia LibreTexts. (2016. szeptember 8.) A molekulák geometriája. Helyreállítva: chem.libretexts.org