GEOMETRIA MOLEKULARNA: POJĘCIE, TYPY I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Geometrię cząsteczki lub struktury molekularnej jest układ przestrzenny atomów wokół centralnego atomu. Atomy reprezentują regiony, w których występuje duża gęstość elektronów i dlatego są uważane za grupy elektronowe, niezależnie od wiązań, które tworzą (pojedyncze, podwójne lub potrójne).

Geometria molekularna pierwiastka może scharakteryzować niektóre jego właściwości fizyczne lub chemiczne (temperatura wrzenia, lepkość, gęstość itp.). Na przykład struktura molekularna wody determinuje jej rozpuszczalność.

Źródło: Gabriel Bolívar

Koncepcja ta wynika z połączenia i danych eksperymentalnych dwóch teorii: wiązania walencyjnego (TEV) i odpychania par elektronowych powłoki walencyjnej (RPECV). Podczas gdy pierwsza określa wiązania i ich kąty, druga określa geometrię, a tym samym strukturę molekularną.

Jakie kształty geometryczne mogą przyjąć cząsteczki? Odpowiedzi dostarczają dwie poprzednie teorie. Według RPECV atomy i pary wolnych elektronów muszą być rozmieszczone w przestrzeni w taki sposób, aby zminimalizować odpychanie elektrostatyczne między nimi.

Tak więc kształty geometryczne nie są dowolne, ale raczej szukają najbardziej stabilnego projektu. Na przykład na powyższym obrazku widać trójkąt po lewej i ośmiościan po prawej. Zielone kropki reprezentują atomy, a pomarańczowe paski wiązania.

W trójkącie trzy zielone punkty są zorientowane co 120 ° od siebie. Ten kąt, który jest równy kątowi wiązania, pozwala atomom odpychać się tak mało, jak to możliwe. Dlatego cząsteczka z centralnym atomem połączonym z trzema innymi przyjmie geometrię płaszczyzny trygonalnej.

Jednak RPECV przewiduje, że wolna para elektronów w centralnym atomie zniekształci geometrię. W przypadku płaszczyzny trygonalnej ta para przesunie w dół trzy zielone punkty, w wyniku czego powstanie trójkątna geometria piramidy.

To samo może się zdarzyć z ośmiościanem na obrazie. W nim wszystkie atomy są rozdzielone w możliwie najbardziej stabilny sposób.

Jak z wyprzedzeniem poznać geometrię molekularną atomu X?

W tym celu konieczne jest również rozważenie par wolnych elektronów jako grup elektronowych. Te, wraz z atomami, określą to, co jest znane jako geometria elektronowa, która jest nieodłącznym towarzyszem geometrii molekularnej.

Na podstawie geometrii elektronowej i po wykryciu par wolnych elektronów w strukturze Lewisa można ustalić geometrię molekularną. Suma wszystkich geometrii molekularnych zapewni zarys całej struktury.

Rodzaje geometrii molekularnej

Jak widać na głównym obrazie, geometria molekularna zależy od tego, ile atomów otacza centralny atom. Jeśli jednak obecna jest nieudzielona para elektronów, zmodyfikuje geometrię, ponieważ zajmuje dużo miejsca. Dlatego wywiera efekt steryczny.

Zgodnie z tym geometria może przedstawiać szereg charakterystycznych kształtów dla wielu cząsteczek. I tutaj powstają różne typy geometrii molekularnej lub struktury molekularnej.

Kiedy geometria jest równa strukturze? Oba oznaczają to samo tylko w przypadkach, gdy konstrukcja nie ma więcej niż jednego typu geometrii; w przeciwnym razie należy wziąć pod uwagę wszystkie obecne typy i nadać strukturze nazwę globalną (liniowa, rozgałęziona, kulista, płaska itp.).

Geometrie są szczególnie przydatne do wyjaśniania struktury bryły na podstawie jej jednostek konstrukcyjnych.

Liniowy

Wszystkie wiązania kowalencyjne są kierunkowe, więc wiązanie AB jest liniowe. Ale czy cząsteczka AB ₂ będzie liniowa ? Jeśli tak, geometria jest przedstawiana po prostu jako: BAB. Dwa atomy B są oddzielone kątem 180º i zgodnie z TEV, A musi mieć hybrydowe orbitale sp.

Kątowy

Źródło: Gabriel Bolívar

W pierwszej kolejności można założyć liniową geometrię dla cząsteczki AB ₂ ; jednakże przed wyciągnięciem wniosków konieczne jest narysowanie struktury Lewisa. Dzięki narysowanej strukturze Lewisa można zidentyfikować liczbę niedzielonych par elektronów (:) na atomie A.

Kiedy tak jest, pary elektronów na górze A popychają dwa atomy B w dół, zmieniając ich kąty. W rezultacie liniowa cząsteczka BAB zamienia się w V, bumerang lub geometrię kątową (górne zdjęcie)

Cząsteczka wody, HOH, jest idealnym przykładem tego typu geometrii. W atomie tlenu znajdują się dwie pary elektronów nie dzielących się, które są ustawione pod kątem około 109º.

Dlaczego ten kąt? Ponieważ geometria elektronowa jest tetraedryczna, która ma cztery wierzchołki: dwa dla atomów H i dwa dla elektronów. Na górnym obrazku zwróć uwagę, że zielone kropki i dwa „płatki z oczami” rysują czworościan z niebieską kropką pośrodku.

Gdyby O nie miał wolnych par elektronów, woda utworzyłaby cząsteczkę liniową, jej polaryzacja zmniejszyłaby się, a oceany, morza, jeziora itp. Prawdopodobnie nie istniałyby tak, jak są znane.

Czworościan

Źródło: Gabriel Bolívar

Górny obraz przedstawia geometrię czworościenną. W przypadku cząsteczki wody jej geometria elektronowa jest tetraedryczna, ale eliminując wolne pary elektronów można zauważyć, że przekształca się ona w geometrię kątową. Można to również zaobserwować po prostu usuwając dwie zielone kropki; pozostałe dwie narysują V z niebieską kropką.

A co by było, gdyby zamiast dwóch par wolnych elektronów był tylko jeden? Wtedy pozostałaby płaszczyzna trygonalna (zdjęcie główne). Jednak poprzez usunięcie grupy elektronowej nie można uniknąć efektu sterycznego wytwarzanego przez wolną parę elektronów. Dlatego zniekształca płaszczyznę trygonalną do piramidy o trójkątnej podstawie:

Źródło: Gabriel Bolívar

Chociaż geometria molekularna piramidy trygonalnej i czworościennej są różne, geometria elektronowa jest taka sama: tetraedryczna. Więc piramida trygonalna nie liczy się jako geometria elektronowa?

Odpowiedź brzmi: nie, ponieważ jest to efekt zniekształcenia spowodowanego „płatem z oczami” i jego efektem sterycznym, a ta geometria nie uwzględnia późniejszych zniekształceń.

Z tego powodu zawsze ważne jest, aby najpierw określić geometrię elektronową za pomocą struktur Lewisa, zanim zdefiniujemy geometrię molekularną. Cząsteczka amoniaku, NH ₃ , jest przykładem geometrii molekularnej piramidy trygonalnej, ale z tetraedryczną geometrią elektronów.

Trójkątna dwupiramida

Źródło: Gabriel Bolívar

Aż do teraz, z wyjątkiem geometrii liniowej, na czworościan, graniasty trójkątny piramidy ich centralne atomy mają sp ³ hybrydyzacji według TEV. Oznacza to, że jeśli ich kąty wiązania zostały określone doświadczalnie, powinny wynosić około 109º.

Z geometrii dwupiramidowej trygonalnej wynika, że ​​wokół centralnego atomu znajduje się pięć grup elektronowych. Na powyższym obrazku można to zobaczyć z pięcioma zielonymi punktami; trzy w trójkątnej podstawie i dwa w pozycjach osiowych, które są górnym i dolnym wierzchołkiem piramidy.

Jaką hybrydyzację ma wtedy niebieska kropka? Do utworzenia pojedynczych wiązań (pomarańczowych) potrzeba pięciu orbitali hybrydowych. Osiąga się to poprzez pięć orbitali sp ³ d (iloczyn jednego orbitalu s, trzech p i jednego d).

Biorąc pod uwagę pięć grup elektronowych, geometria jest już odsłonięta, ale ponieważ istnieją pary elektronów, które nie mają wspólnego, ponownie cierpi z powodu zniekształceń generowanych przez inne geometrie. Powstaje też pytanie: czy te pary mogą zająć jakąkolwiek pozycję w piramidzie? Są to: osiowe lub równikowe.

Położenia osiowe i równikowe

Zielone punkty tworzące trójkątną podstawę są w pozycjach równikowych, podczas gdy dwa na górnym i dolnym końcu są w pozycjach osiowych. Gdzie preferencyjnie będzie się znajdować niewspółdzielona para elektronów? W takiej pozycji, która minimalizuje odpychanie elektrostatyczne i efekt steryczny.

W położeniu osiowym para elektronów „naciskałaby” prostopadle (90º) na trójkątną podstawę, podczas gdy gdyby znajdowała się w położeniu równikowym, dwie pozostałe grupy elektroniczne na podstawie byłyby oddalone od siebie o 120º i naciskałyby oba końce pod kątem 90º (zamiast trzy, jak z podstawą).

Dlatego atom centralny będzie starał się zorientować swoje wolne pary elektronów w pozycjach równikowych, aby wygenerować bardziej stabilne geometrie molekularne.

Oscylacja i kształt litery T.

Źródło: Gabriel Bolívar

Gdyby w geometrii dwupiramidowej trygonalnej jeden lub więcej atomów zastąpiono wolnymi parami elektronów, mielibyśmy również inną geometrię molekularną.

Po lewej stronie górnego obrazu geometria zmienia się w kształt oscylacyjny. W nim wolna para elektronów popycha pozostałe cztery atomy w tym samym kierunku, wyginając ich wiązania w lewo. Zauważ, że ta para i dwa atomy leżą w tej samej trójkątnej płaszczyźnie co pierwotna dwupiramida.

Po prawej stronie obrazu, geometria w kształcie litery T. Ta geometria molekularna jest wynikiem zastąpienia dwóch atomów dwoma parami elektronów dwoma atomami, w wyniku czego trzy pozostałe atomy są ustawione w tej samej płaszczyźnie, która rysuje dokładnie jedną literę T.

Następnie dla cząsteczki typu AB ₅ przyjmuje geometrię dwupiramidową trygonalną. Jednak AB ₄ , z tą samą geometrią elektroniczną, przyjmie geometrię oscylacyjną; i AB ₃ , geometria w kształcie litery T, W każdym z nich będzie (zazwyczaj) mają sp ³ d hybrydyzacji .

Aby określić geometrię molekularną, konieczne jest narysowanie struktury Lewisa, a tym samym jej geometrii elektronowej. Jeśli jest to bipiramida trygonalna, wówczas wolne pary elektronów zostaną odrzucone, ale nie ich steryczny wpływ na resztę atomów. W ten sposób można doskonale rozróżnić trzy możliwe geometrie molekularne.

Ośmiościenny

Ośmiościenna geometria molekularna jest przedstawiona po prawej stronie głównego obrazu. Ten typ geometrii odpowiada związkom AB ₆ . AB ₄ tworzą kwadratową podstawę, podczas gdy pozostałe dwa B są ustawione w pozycjach osiowych. W ten sposób powstaje kilka trójkątów równobocznych, które są ścianami ośmiościanu.

Tutaj znowu mogą istnieć (jak we wszystkich geometriach elektronów) pary wolnych elektronów, a zatem inne geometrie molekularne wywodzą się z tego faktu. Na przykład AB ₅ z oktaedryczną geometrią elektronów składa się z piramidy o podstawie kwadratu i AB ₄ z kwadratowej płaszczyzny:

Źródło: Gabriel Bolívar

W przypadku oktaedrycznej geometrii elektronów te dwie geometrie molekularne są najbardziej stabilne pod względem odpychania elektrostatycznego. W geometrii płaszczyzny kwadratowej dwie pary elektronów są oddalone od siebie o 180º.

Jaka jest hybrydyzacja atomu A w tych geometriach (lub strukturach, jeśli jest jedyny)? Znowu TEV stwierdza, że ​​jest to sp ³ d ² , sześć orbitali hybrydowych, które pozwalają A na zorientowanie grup elektronowych na wierzchołkach ośmiościanu.

Inne geometrie molekularne

Modyfikując podstawy wspomnianych do tej pory piramid, można uzyskać bardziej złożone geometrie molekularne. Na przykład pięciokątny podwójnej piramidy ma pięciokąt do jej podstawy, a związki, które ją tworzą mają ogólny wzór AB ₇ .

Podobnie jak w przypadku innych geometrii molekularnych, zastąpienie atomów B wolnymi parami elektronów spowoduje zniekształcenie geometrii do innych kształtów.

Ponadto związki AB ₈ mogą przyjmować geometrie, takie jak kwadratowy antypryzmat. Niektóre geometrie mogą być bardzo skomplikowane, szczególnie w przypadku wzorów od AB ₇ (do AB ₁₂ ).

Przykłady geometrii molekularnej

Poniżej wymieniony zostanie szereg związków dla każdej z głównych geometrii molekularnych. W ramach ćwiczenia można narysować struktury Lewisa dla wszystkich przykładów i poświadczyć, czy biorąc pod uwagę geometrię elektronową, geometrie molekularne zostały uzyskane zgodnie z poniższą listą.

Geometria liniowa

-Etylen, H ₂ C≡CH ₂

-Chlorek berylu, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Dwutlenek węgla, CO ₂ (O = C = O)

-Azot, N ₂ (N≡N)

-Dibromek rtęci, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Anion trójjodkowy, I ₃ ^- (III)

-Kwas cyjanowodorowy, HCN (HN≡C)

Ich kąty muszą wynosić 180º, a zatem muszą mieć hybrydyzację sp.

Geometria kątowa

- woda

-Dwutlenek siarki, SO ₂

-Ditlenek azotu, NO ₂

-Ozon, O ₃

-Anion amidowy, NH ₂ ^-

Płaszczyzna trygonalna

-Trifluorek bromu, BF ₃

-Trichlorek glinu, AlCl ₃

-Anion azotanowy, NO ₃ ^-

-Anion węglanowy, CO ₃ ^2–

Czworościan

-Gaz metanowy, CH ₄

-Tetrachlorek węgla, CCl ₄

-Kation amoniowy, NH ₄ ⁺

-Anion siarczanowy, SO ₄ ^2-

Piramida trójkątna

-Aoniak, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trójkątna dwupiramida

-Pentafluorek fosforu, PF ₅

-Pentachlorek antymonu, SbF ₅

Oscylacja

Czterofluorek siarki, SF ₄

Kształt T.

-Trichlorek jodu, ICl ₃

-Trifluorek chloru, ClF ₃ (oba związki są znane jako międzyhalogenowe)

Ośmiościenny

- Sześciofluorek siarki, SF ₆

- Sześciofluorek selenu, SeF ₆

-Heksafluorofosforan, PF ₆ ^-

Podsumowując, geometria molekularna wyjaśnia obserwacje chemicznych lub fizycznych właściwości materii. Jest on jednak zorientowany zgodnie z geometrią elektronową, więc ta ostatnia musi być zawsze określona przed pierwszą.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 194–198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Wydanie czwarte, str. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria molekularna i teoria VSEPR. Odzyskany z: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Wprowadzenie do geometrii molekularnej. Odzyskany z: chemistry.elmhurst.edu
5. Chemistry LibreTexts. (8 września 2016). Geometria cząsteczek. Odzyskane z: chem.libretexts.org