MOLEKYLÆR GEOMETRI: KONCEPT, TYPER OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

Den molekylære geometri eller den molekylære struktur er det rumlige arrangement af atomer omkring et centralt atom. Atomer repræsenterer regioner, hvor der er en høj elektrondensitet, og betragtes derfor som elektroniske grupper, uanset hvilke bindinger de danner (enkelt, dobbelt eller tredobbelt).

Et elements molekylære geometri kan karakterisere nogle af dets fysiske eller kemiske egenskaber (kogepunkt, viskositet, densitet osv.). F.eks. Bestemmer molekylstrukturen af ​​vand dets opløselighed.

Kilde: Gabriel Bolívar

Dette koncept stammer fra kombinationen og eksperimentelle data fra to teorier: valensbindingens (TEV) og afvisningen af ​​de elektroniske par af valensskallen (RPECV). Mens den første definerer bindingerne og deres vinkler, etablerer den anden geometrien og følgelig den molekylære struktur.

Hvilke geometriske former er molekyler, der er i stand til at optage? De to foregående teorier giver svarene. I henhold til RPECV skal atomer og par frie elektroner være arrangeret i rummet på en sådan måde, at den elektrostatiske frastødelse mellem dem minimeres.

Så geometriske former er ikke vilkårlige, men snarere søger det mest stabile design. På billedet ovenfor kan du for eksempel se en trekant til venstre og en oktaedre til højre. De grønne prikker repræsenterer atomerne og de orange striber båndene.

I trekanten er de tre grønne punkter orienteret 120º fra hinanden. Denne vinkel, der er lig med bindingen, giver atomerne mulighed for at afvise hinanden så lidt som muligt. Derfor vil et molekyle med et centralt atom bundet til tre andre vedtage en trigonal plangeometri.

RPECV forudser imidlertid, at et frit par elektroner i det centrale atom vil fordreje geometrien. For tilfældet med det trigonale plan vil dette par skubbe de tre grønne punkter ned, hvilket resulterer i en trigonal pyramidegeometri.

Det samme kan også ske med octahedronen på billedet. I det adskilles alle atomer på den mest stabile måde, der er mulig.

Hvordan kan man på forhånd vide den molekylære geometri af et X-atom?

Til dette er det også nødvendigt at betragte parene med frie elektroner som elektroniske grupper. Disse sammen med atomerne definerer, hvad der er kendt som elektronisk geometri, som er en uadskillelig ledsager af molekylær geometri.

Fra elektronisk geometri og efter at have opdaget parene med frie elektroner ved hjælp af Lewis-strukturen, er det muligt at bestemme, hvad den molekylære geometri vil være. Summen af ​​alle molekylære geometrier giver en oversigt over den samlede struktur.

Typer af molekylær geometri

Som det kan ses i hovedbilledet, afhænger molekylær geometri af, hvor mange atomer der omgiver det centrale atom. Hvis der imidlertid er et ikke-delet elektronpar, vil det ændre geometrien, fordi det optager meget volumen. Derfor udøver det en sterisk effekt.

I henhold til dette kan geometrien præsentere en række karakteristiske former for mange molekyler. Og det er her de forskellige typer molekylær geometri eller molekylær struktur opstår.

Hvornår er geometrien lig med strukturen? Begge betegner det samme kun i tilfælde, hvor strukturen ikke har mere end en type geometri; ellers skal alle tilstedeværende typer overvejes, og strukturen gives et globalt navn (lineær, forgrenet, kugleformet, flad osv.).

Geometrier er især nyttige til at forklare strukturen af ​​et fast stof fra dets strukturelle enheder.

Lineær

Alle kovalente bindinger er retningsbestemte, så AB-bindingen er lineær. Men vil AB _2- molekylet være lineært ? I så fald repræsenteres geometrien simpelthen som: BAB. De to B-atomer er adskilt med en vinkel på 180º, og ifølge TEV skal A have hybrid sp orbitaler.

Kantet

Kilde: Gabriel Bolívar

En lineær geometri kan antages i første omgang for molekylet AB ₂; det er dog vigtigt at tegne Lewis-strukturen, før man når en konklusion. Med Lewis-strukturen trukket kan antallet af ikke-delte elektronpar (:) på A-atomet identificeres.

Når dette er tilfældet, skubber elektronparrene oven på A de to atomer i B ned og ændrer deres vinkler. Som et resultat ender det lineære BAB-molekyle med at blive en V, en boomerang eller en vinkelgeometri (øverste billede)

Vandmolekylet, HOH, er det ideelle eksempel på denne type geometri. I oxygenatomet er der to par elektroner uden deling, der er orienteret i en vinkel på cirka 109º.

Hvorfor denne vinkel? Fordi elektronisk geometri er tetrahedral, der har fire hjørner: to for H-atomer og to for elektroner. Bemærk i det øverste billede, at de grønne prikker og de to "lober med øjne" tegner en tetrahedron med den blå prik i midten.

Hvis O ikke havde nogen frie elektronpar, ville vandet danne et lineært molekyle, dets polaritet ville falde, og oceanerne, havene, søerne osv., Ville sandsynligvis ikke eksistere som de er kendt.

Tetrahedron

Kilde: Gabriel Bolívar

Det øverste billede repræsenterer tetraedrisk geometri. For vandmolekylet er dets elektroniske geometri tetraedralt, men når de frie par elektron elimineres, kan det bemærkes, at det omdannes til en vinkelgeometri. Dette observeres også simpelthen ved at fjerne to grønne prikker; de resterende to tegner V'en med den blå prik.

Hvad hvis der i stedet for to par gratis elektroner kun var en? Derefter forbliver et trigonalt plan (hovedbillede). Ved at fjerne en elektronisk gruppe undgås imidlertid den steriske virkning, der produceres af det frie elektronpar, ikke. Derfor forvrænger det det trigonale plan til en pyramide med en trekantet base:

Kilde: Gabriel Bolívar

Selvom den trigonale og tetraedriske pyramidemolekylgeometri er forskellige, er den elektroniske geometri den samme: tetrahedral. Så den trigonale pyramide tæller ikke som elektronisk geometri?

Svaret er nej, da det er produktet af forvrængningen forårsaget af "loppen med øjne" og dens steriske virkning, og denne geometri tager ikke højde for efterfølgende forvrængninger.

Af denne grund er det altid vigtigt først at bestemme den elektroniske geometri ved hjælp af Lewis-strukturer, før den molekylære geometri defineres. Ammoniakmolekylet, NH ₃, er et eksempel på trigonal pyramide molekylær geometri, men med tetraedrisk elektron geometri.

Trigonal bipyramid

Kilde: Gabriel Bolívar

Indtil nu, med undtagelse af lineær geometri, har den centrale atomer i den tetrahedrale, vinkelagtige og trigonale pyramiden sp ^3- hybridisering ifølge TEV. Dette betyder, at hvis deres bindingsvinkler blev bestemt eksperimentelt, skulle de være omkring 109º.

Fra den trigonale dipyramidale geometri er der fem elektroniske grupper omkring det centrale atom. På billedet ovenfor kan det ses med de fem grønne punkter; tre i den trekantede base og to i aksiale positioner, som er den øverste og nedre hjørne af pyramiden.

Hvilken hybridisering har den blå prik derefter? Det kræver fem hybride orbitaler for at danne enkeltbindingerne (orange). Dette opnås gennem de fem sp ³ d orbitaler (produkt af blandingen af ​​en s, tre p og en d orbital).

Når man overvejer fem elektroniske grupper, er geometrien den, der allerede er eksponeret, men da der er par elektroner uden at dele, lider den igen af ​​forvrængninger, som andre geometrier genererer. Ligeledes opstår følgende spørgsmål: kan disse par indtage nogen position i pyramiden? Disse er: den aksiale eller ækvatoriale.

Axiale og ækvatoriale positioner

De grønne punkter, der udgør den trekantede base, er i ækvatorpositioner, mens de to i de øverste og nedre ender er i aksiale positioner. Hvor vil det udelte elektronpar fortrinsvis være placeret? I den position, der minimerer elektrostatisk frastødning og sterisk virkning.

I aksial position ville elektronparret "trykke" vinkelret (90º) på den trekantede base, mens hvis det var i en ækvatorial position, ville de to resterende elektroniske grupper på basen være 120 ° fra hinanden og trykke på de to ender på 90º (i stedet for tre, som med basen).

Derfor vil det centrale atom søge at orientere sine frie par elektroner i ækvatorpositionerne for at generere mere stabile molekylære geometrier.

Oscillerende og T-form

Kilde: Gabriel Bolívar

Hvis i den trigonale bipyramidgeometri et eller flere af dets atomer blev erstattet af frie elektronpar, ville vi også have forskellige molekylære geometrier.

Til venstre for det øverste billede ændres geometrien til den svingende form. I det skubber det frie elektronpar par resten af ​​de fire atomer i samme retning og bøjer deres bindinger til venstre. Bemærk, at dette par og to af atomer ligger i det samme trekantede plan som den oprindelige bipyramid.

Og til højre for billedet, den T-formede geometri. Denne molekylære geometri er resultatet af at to atomere erstattes med to elektroner, hvilket resulterer i, at de tre resterende atomer justerer sig i det samme plan, der tegner nøjagtigt et bogstav T.

For et molekyle af type AB ₅ vedtager det derefter den trigonale bipyramidgeometri. AB ₄, med den samme elektroniske geometri, vil imidlertid indtage den svingende geometri; og AB ₃, den T-formede geometri. I dem alle vil A (generelt) have en ³ d- hybridisering.

For at bestemme den molekylære geometri er det nødvendigt at tegne Lewis-strukturen og derfor dens elektroniske geometri. Hvis dette er en trigonal bipyramid, kasseres de frie par elektroner, men ikke deres steriske virkninger på resten af ​​atomerne. Således kan man perfekt skelne mellem de tre mulige molekylære geometrier.

oktaedriske

Octahedres molekylære geometri er afbildet til højre for hovedbilledet. Denne type geometri svarer til AB _6- forbindelser. AB ₄ danner den firkantede base, mens de resterende to B'er er placeret i aksiale positioner. Således dannes adskillige ligesidede trekanter, der er ansigterne på oktaederen.

Her igen kan der være (som i alle elektroniske geometrier) par frie elektroner, og derfor stammer andre molekylære geometrier herfra. For eksempel består AB ₅ med oktaedrisk elektrongeometri af en pyramide med en kvadratisk base og AB ₄ af et kvadratisk plan:

Kilde: Gabriel Bolívar

Med hensyn til oktaedral elektrongeometri er disse to molekylære geometrier de mest stabile med hensyn til elektrostatisk frastødning. I geometri med firkantet plan er de to elektronpar par 180º fra hinanden.

Hvad er hybridiseringen for atom A i disse geometrier (eller strukturer, hvis det er det eneste)? Igen anfører TEV, at det er sp ³ d ², seks hybride orbitaler, der gør det muligt for A at orientere de elektroniske grupper i hjørnene på en oktaeder.

Andre molekylære geometrier

Ved at modificere baserne af de hidtil nævnte pyramider kan der opnås nogle mere komplekse molekylære geometrier. For eksempel har den femkantede bipyramid en femkant for sin base, og forbindelserne, der danner den, har den generelle formel AB ₇.

Ligesom de andre molekylære geometrier vil erstatning af B-atomerne med frie par elektroner fordreje geometrien til andre former.

Også, AB ₈ Forbindelserne kan vedtage geometrier såsom kvadratiske Antiprism. Nogle geometrier kan være meget komplicerede, især for formler AB ₇ og fremover (op til AB ₁₂).

Eksempler på molekylær geometri

En række forbindelser vil blive nævnt nedenfor for hver af de vigtigste molekylære geometrier. Som en øvelse kunne man tegne Lewis-strukturer for alle eksemplerne og attestere, om de molekylære geometrier, der er givet den elektroniske geometri, opnås som anført nedenfor.

Lineær geometri

-Ethylen, H ₂ C = CH ₂

-Beryllium chlorid, BeCl ₂ (Cl-BeCl)

-Carbondioxid, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

-Mercury dibromid, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodid-anion, I ₃ ^- (III)

-Hydrocyansyre, HCN (HN≡C)

Deres vinkler skal være 180º, og derfor have sp hybridisering.

Vinkelgeometri

- vand

-Svovldioxid, SO ₂

-Nitrogendioxid, NO ₂

-Ozon, O ₃

Amid anion, NH ₂ ^-

Trigonalt fly

-Bromo-trifluorid, BF ₃

-Aluminum trichlorid, AICI ₃

-Nitrat anion, NO ₃ ^-

-Carbonat-anion, CO ₃ ^2–

Tetrahedron

Methan gas, CH ₄

-Carbontetrachlorid, CCl ₄

-Ammonium kation, NH ₄ ⁺

-Sulfatanion, SO ₄ ^2-

Trigonal pyramide

-Amonia, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonal bipyramid

-Phosforpentafluorid, PF ₅

-Antonym pentachlorid, SbF ₅

oscillerende

Svovletetrafluorid, SF ₄

T-form

-Jodtrichlorid, ICl ₃

-Chlortrifluorid, ClF ₃ (begge forbindelser er kendt som interhalogener)

oktaedriske

-Svovlhexafluorid, SF ₆

-Seleniumhexafluorid, SeF ₆

-Hexafluorophosphate, PF ₆ ^-

Som konklusion er molekylær geometri, hvad der forklarer observationer af stoffets kemiske eller fysiske egenskaber. Den er dog orienteret i henhold til elektronisk geometri, så sidstnævnte skal altid bestemmes før førstnævnte.

Referencer

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemi. (8. udgave). CENGAGE Learning, s 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave. S. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekylær geometri og VSEPR-teorien. Gendannes fra: nyu.edu
4. Virtuel Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Introduktion til molekylær geometri. Gendannes fra: chemistry.elmhurst.edu
5. Kemi LibreTexts. (8. september 2016). Geometri af molekyler. Gendannes fra: chem.libretexts.org