MOLEKULARNA GEOMETRIJA: KONCEPT, VRSTE IN PRIMERI - KEMIJA - 2025

Molekularna geometrija ali molekularna struktura je prostorska razporeditev atomov okoli osrednjega atoma. Atomi predstavljajo območja z visoko gostoto elektronov in jih zato štejemo za elektronske skupine, ne glede na vezi, ki jih tvorijo (enojne, dvojne ali trojne).

Molekularna geometrija elementa lahko kaže nekatere njegove fizikalne ali kemijske lastnosti (vrelišče, viskoznost, gostota itd.). Na primer, molekularna struktura vode določa njeno topnost.

Vir: Gabriel Bolívar

Ta koncept izhaja iz kombinacije in eksperimentalnih podatkov dveh teorij: valenčne vezi (TEV) in odboj elektronskih parov valenčne lupine (RPECV). Medtem ko prvi določa vezi in njihove kote, drugi vzpostavlja geometrijo in posledično molekularno strukturo.

Katere geometrijske oblike lahko sprejmejo molekule? Dve prejšnji teoriji ponujata odgovore. Po RPECV morajo biti atomi in pari prostih elektronov razporejeni v prostoru tako, da se čim bolj zmanjša elektrostatična odbojnost med njimi.

Torej, geometrijske oblike niso poljubne, ampak raje iščejo najbolj stabilno zasnovo. Na zgornji sliki lahko na primer vidite levokotni trikotnik, na desni pa oktaedar. Zelene pike predstavljajo atome, oranžne pa trakovi.

V trikotniku so tri zelene točke usmerjene na 120 ° narazen. Ta kot, ki je enak vezi vezi, omogoča, da se atomi čim manj odbijajo. Zato bo molekula z osrednjim atomom, pritrjenim na tri druge, prevzela trigonalno geometrijo ravnine.

RPECV pa predvideva, da bo prosti par elektronov v centralnem atomu izkrivljal geometrijo. V primeru trigonalne ravnine bo ta par potisnil tri zelene točke, kar bo povzročilo geometrijo trigonske piramide.

Enako se lahko zgodi tudi z oktaedrom na sliki. V njej so vsi atomi ločeni na najbolj stabilen možen način.

Kako vnaprej poznati molekularno geometrijo atoma X?

Za to je treba šteti tudi pare prostih elektronov kot elektronske skupine. Ti bodo skupaj z atomi opredelili tisto, kar je znano kot elektronska geometrija, ki je neločljiv spremljevalec molekularne geometrije.

Iz elektronske geometrije in odkrivanja parov prostih elektronov s pomočjo Lewisove strukture je mogoče ugotoviti, kakšna bo molekularna geometrija. Vsota vseh molekulskih geometrij bo dala oris celotne strukture.

Vrste molekularne geometrije

Kot je razvidno iz glavne slike, je molekularna geometrija odvisna od tega, koliko atomov obkroža osrednji atom. Če pa je prisoten nepovezan par elektronov, bo spremenil geometrijo, ker zaseda veliko prostornino. Zato ima stericni ucinek.

Glede na to lahko geometrija predstavlja vrsto značilnih oblik za številne molekule. Tu nastajajo različne vrste molekularne geometrije ali molekularne strukture.

Kdaj je geometrija enaka strukturi? Obe označujeta enako le v primerih, ko struktura nima več kot ene vrste geometrije; v nasprotnem primeru je treba upoštevati vse prisotne vrste in strukturo dati globalno ime (linearna, razvejana, kroglasta, ravna itd.).

Geometrije so še posebej koristne za razlago strukture trdne snovi iz njegovih strukturnih enot.

Linearno

Vse kovalentne vezi so usmerjene, zato je vez AB linearna. Toda ali bo molekula AB ₂ linearna ? V tem primeru je geometrija predstavljena preprosto kot: BAB. Dva atoma B sta ločena pod kotom 180 ° in po TEV mora imeti A hibridne sp orbitale.

Kotne

Vir: Gabriel Bolívar

Za molekulo AB _{2 se} lahko najprej domneva linearna geometrija ; vseeno pa je ključnega pomena sestaviti Lewisovo strukturo, preden dosežemo sklep. Z narisano Lewisovo strukturo je mogoče določiti število neslanih elektronskih parov (:) na A atomu.

Ko je to tako, pari elektronov na vrhu A potisneta oba atoma B navzdol in spreminjata svoje kote. Rezultat tega je, da se linearna molekula BAB spremeni v V, bumerang ali kotno geometrijo (zgornja slika)

Molekula vode, HOH, je idealen primer za to vrsto geometrije. V atomu kisika sta dva para elektronov brez delitve, ki sta usmerjena pod kotom približno 109 °.

Zakaj ta kot? Ker je elektronska geometrija tetraedrska, ki ima štiri točke: dve za H-atome in dve za elektrone. Na zgornji sliki upoštevajte, da zelene pike in dve "mešički z očmi" narišeta tetraeder z modro piko na sredini.

Če O ne bi imel prostih elektronskih parov, bi voda tvorila linearno molekulo, njena polarnost bi se zmanjšala, oceani, morja, jezera itd. Pa verjetno ne bi obstajali, kot so znani.

Tetrahedron

Vir: Gabriel Bolívar

Zgornja slika predstavlja tetraedrsko geometrijo. Pri molekuli vode je njena elektronska geometrija tetraedrska, toda pri izločanju prostih parov elektronov lahko opazimo, da se transformira v kotno geometrijo. To opazimo tudi preprosto z odstranjevanjem dveh zelenih pik; preostala dva bosta z modro piko narisala V.

Kaj pa, če bi bil namesto dveh parov prostih elektronov samo en? Nato bi ostala trigonska ravnina (glavna slika). Vendar pa se z odstranitvijo elektronske skupine stericni učinek, ki ga ustvarja par prostih elektronov, ne prepreči. Zato izkrivlja trigonsko ravnino na piramido s trikotno osnovo:

Vir: Gabriel Bolívar

Čeprav se molekularna geometrija trigonske in tetraedrske piramide razlikuje, je elektronska geometrija enaka: tetraedra. Torej trigonska piramida ne šteje za elektronsko geometrijo?

Odgovor je ne, saj gre za produkt popačenja, ki ga povzroča "reženj z očmi" in njegov stericni učinek, ta geometrija pa ne upošteva poznejših popačenj.

Zaradi tega je vedno pomembno najprej določiti elektronsko geometrijo s pomočjo Lewisovih struktur, preden določimo molekularno geometrijo. Molekula amonijaka, NH ₃ , je primer molekularne geometrije trigonalnih piramid, vendar s tetraedarsko geometrijo elektronov.

Trigonalna bipiramida

Vir: Gabriel Bolívar

Doslej, razen linearne geometrije, v tetraedrski, kotni in trigonalni piramidi imajo njihovi osrednji atomi sp ³ hibridizacijo , poroča TEV. To pomeni, da če bi bili njihovi koti vezi določeni eksperimentalno, bi morali biti okoli 109 °.

Iz trigonalne dipiramidne geometrije je okrog osrednjega atoma pet elektronskih skupin. Na zgornji sliki se vidi s petimi zelenimi točkami; tri v trikotni podlagi in dve v osnem položaju, ki sta zgornja in spodnja točka piramide.

Kakšno hibridizacijo ima potem modra pika? Za oblikovanje enojnih vezi (oranžne) potrebuje pet hibridnih orbitalov. To dosežemo s petimi sp ³ d orbitalami (zmes mešanice ene s, treh p in ene d orbitale).

Če upoštevamo pet elektronskih skupin, je geometrija tista, ki je že izpostavljena, ker pa obstajajo pari elektronov brez skupne rabe, spet trpi zaradi izkrivljanj, ki jih ustvarjajo druge geometrije. Prav tako se postavlja naslednje vprašanje: ali lahko ti pari zasedejo kateri koli položaj v piramidi? To so: aksialni ali ekvatorialni.

Aksialni in ekvatorialni položaji

Zelene točke, ki tvorijo trikotno podlago, so v ekvatorialnih položajih, medtem ko sta dve na zgornjem in spodnjem koncu v osnem položaju. Kje bo prednostno ločeno neporabljen par elektronov? V tem položaju, ki zmanjša elektrostatično odbojnost in stericni učinek.

V aksialnem položaju bi par elektronov pravokotno pritiskal (90 °) na trikotno osnovo, medtem ko bi bili v ekvatorialnem položaju dve preostali elektronski skupini na dnu na razdalji 120 ° in bi dva konca pritisnili na 90 ° (namesto na trije, kot pri podstavku).

Zato si bo centralni atom prizadeval usmeriti svoje proste pare elektronov v ekvatorialne položaje, da ustvari stabilnejše molekularne geometrije.

Nihajna in T oblika

Vir: Gabriel Bolívar

Če bi v trigonski bipiramidni geometriji enega ali več njegovih atomov zamenjali prosti pari elektronov, bi imeli tudi različne molekularne geometrije.

Levo od zgornje slike se geometrija spremeni v nihajno obliko. V njem prosti par elektronov potisne preostale štiri atome v isto smer in upogne svoje vezi v levo. Upoštevajte, da ta par in dva atoma ležijo v isti trikotni ravnini prvotne bipiramide.

Na desni strani slike je geometrija v obliki črke T. Ta molekularna geometrija je posledica zamenjave dveh atomov za dva para elektronov, kar povzroči, da se trije preostali atomi poravnajo v isti ravnini, ki nariše točno eno črko T.

Nato za molekulo tipa AB ₅ sprejme trigonalno bipiramidno geometrijo. Vendar pa bo AB ₄ z isto elektronsko geometrijo prevzel nihajno geometrijo; in AB _3. geometrija v obliki črke T. V vseh bo A hibridizacija sp ³ d.

Za določitev molekularne geometrije je potrebno narisati Lewisovo strukturo in s tem njeno elektronsko geometrijo. Če gre za trigonalno bipiramido, se prosti pari elektronov zavržejo, ne pa tudi njihovih stericnih učinkov na preostale atome. Tako lahko popolnoma razločimo med tremi možnimi molekularnimi geometrijami.

Oktaedar

Desno od glavne slike je upodobljena oktaedrska molekularna geometrija. Ta vrsta geometrije ustreza spojinam AB ₆ . AB ₄ tvorita kvadratno osnovo, preostala dva B pa sta nameščena v osnem položaju. Tako nastane več enakostraničnih trikotnikov, ki so ploskve oktaedra.

Tudi tu se lahko (tako kot pri vseh elektronskih geometrijah) nahajajo pari prostih elektronov, zato iz tega dejstva izhajajo tudi druge molekularne geometrije. Na primer, AB ₅ z oktaedrsko geometrijo elektronov je sestavljen iz piramide s kvadratno osnovo in AB ₄ iz kvadratne ravnine:

Vir: Gabriel Bolívar

Za oktaedrsko elektronsko geometrijo sta ti dve molekularni geometriji najbolj stabilni v smislu elektrostatične odbojnosti. V geometriji kvadratne ravnine sta dva para elektronov narazen med 180 °.

Kakšna je hibridizacija za atom A v teh geometrijah (ali strukturah, če je edina)? Spet TEV navaja, da je sp ³ d ² , šest hibridnih orbitalov, ki A omogočajo usmerjanje elektronskih skupin v vrhovih oktaedra.

Druge molekularne geometrije

S spreminjanjem dosedanjih baz piramid lahko dobimo nekatere bolj zapletene molekularne geometrije. Na primer, peterokotni bipiramid ima pentagon za svojo bazo, spojine, ki ga tvorijo, pa imajo splošno formulo AB ₇ .

Tako kot druge molekularne geometrije bo tudi zamenjava atomov B s prostimi pari elektronov izkrivila geometrijo na druge oblike.

Prav tako lahko spojine AB ₈ prevzamejo geometrije, kot je kvadratni antiprizem. Nekatere geometrije so lahko zelo zapletene, zlasti za formule AB ₇ naprej (do AB ₁₂ ).

Primeri molekularne geometrije

Spodaj bo omenjena vrsta spojin za vsako od glavnih molekulskih geometrij. Kot vajo bi lahko narisali Lewisove strukture za vse primere in potrdili, ali so glede na elektronsko geometrijo dobljene molekularne geometrije, kot je navedeno spodaj.

Linearna geometrija

-Etilen H ₂ C = CH ₂

-Beryllium klorid, BeCl ₂ (Ci-BeCl)

-Ogljikov dioksid, CO ₂ (O = C = O)

Dušik, N ₂ (N≡N)

-Živosrebrni dibromid, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Trijodidni anion, I ₃ ^- (III)

-Hidrociana kislina, HCN (HN≡C)

Njihovi koti morajo biti 180 °, zato morajo imeti sp hibridizacijo.

Kotna geometrija

- voda

-Žveplov dioksid, SO ₂

Dušik dioksid, NO ₂

-Ozone, O ₃

-Amidni anion, NH ₂ ^-

Trigonalna ravnina

-Bromo trifluorid, BF ₃

-Aluminum triklorid, ALCL ₃

-Nitratni anion, NO ₃ ^-

-Karbonatni anion, CO ₃ ^2–

Tetrahedron

-Metanfosfinske plin, CH ₄

-Carbon tetraklorid, CCl ₄

-Amonijev kation, NH ₄ ⁺

-Sulfatni anion, SO ₄ ^2-

Trigonalna piramida

-Amonia, NH ₃

-Cation oksonijevih H ₃ O ⁺

Trigonalna bipiramida

-Fosforjev pentafluorid, PF ₅

-Atimonov pentaklorid, SbF ₅

Nihajna

Žveplov tetrafluorid, SF ₄

T oblika

-Iodine triklorid, ICl ₃

-Hlorin trifluorid, ClF ₃ (obe spojini sta znani kot interhalogeni)

Oktaedar

-Žveplov heksafluorid, SF ₆

-Selenij heksafluorid, SeF ₆

-Heksafluorofosfat, PF ₆ ^-

Za zaključek je molekularna geometrija tisto, kar pojasnjuje opažanja kemijskih ali fizikalnih lastnosti materije. Vendar je usmerjena glede na elektronsko geometrijo, zato je treba slednjo vedno določiti pred prvo.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja., Str. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekularna geometrija in teorija VSEPR. Pridobljeno: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Uvod v molekularno geometrijo. Pridobljeno iz: chemistry.elmhurst.edu
5. Kemija LibreTexts. (8. september 2016). Geometrija molekul. Pridobljeno: chem.libretexts.org