МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ: ПОНЯТИЕ, ВИДЫ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Молекулярная геометрия или молекулярная структура представляет собой пространственное расположение атомов вокруг центрального атома. Атомы представляют собой области с высокой электронной плотностью и поэтому считаются электронными группами, независимо от того, какие связи они образуют (одинарные, двойные или тройные).

Молекулярная геометрия элемента может характеризовать некоторые из его физических или химических свойств (точку кипения, вязкость, плотность и т. Д.). Например, молекулярная структура воды определяет ее растворимость.

Источник: Габриэль Боливар

Эта концепция возникает из комбинации и экспериментальных данных двух теорий: теории валентной связи (TEV) и теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (RPECV). В то время как первая определяет связи и их углы, вторая устанавливает геометрию и, следовательно, молекулярную структуру.

Какие геометрические формы способны принимать молекулы? Две предыдущие теории дают ответы. Согласно RPECV, атомы и пары свободных электронов должны располагаться в пространстве таким образом, чтобы минимизировать электростатическое отталкивание между ними.

Итак, геометрические формы не случайны, а стремятся к максимально устойчивой конструкции. Например, на изображении выше вы можете увидеть треугольник слева и октаэдр справа. Зеленые точки представляют атомы, а оранжевые полосы - связи.

В треугольнике три зеленые точки ориентированы на 120º друг от друга. Этот угол, равный углу связи, позволяет атомам как можно меньше отталкиваться друг от друга. Следовательно, молекула с центральным атомом, присоединенным к трем другим, примет геометрию тригональной плоскости.

Однако RPECV предсказывает, что свободная пара электронов в центральном атоме исказит геометрию. В случае тригональной плоскости эта пара будет толкать три зеленые точки вниз, в результате чего получается геометрия тригональной пирамиды.

То же самое может произойти и с октаэдром на изображении. В нем все атомы разделены максимально стабильным образом.

Как заранее узнать молекулярную геометрию атома X?

Для этого также необходимо рассматривать пары свободных электронов как электронные группы. Они, вместе с атомами, будут определять так называемую электронную геометрию, которая является неотъемлемым спутником молекулярной геометрии.

Из электронной геометрии и обнаружив пары свободных электронов с помощью структуры Льюиса, можно установить, какой будет молекулярная геометрия. Сумма всех геометрических форм молекул даст очертание общей структуры.

Типы молекулярной геометрии

Как видно на основном изображении, геометрия молекулы зависит от того, сколько атомов окружает центральный атом. Однако, если присутствует неподеленная пара электронов, это изменит геометрию, поскольку занимает большой объем. Следовательно, он оказывает стерический эффект.

В соответствии с этим геометрия может представлять серию характерных форм для многих молекул. И здесь возникают различные типы молекулярной геометрии или молекулярной структуры.

Когда геометрия равна структуре? Оба обозначают одно и то же только в тех случаях, когда конструкция имеет не более одного типа геометрии; в противном случае следует рассмотреть все имеющиеся типы и дать структуре глобальное имя (линейная, разветвленная, шаровидная, плоская и т. д.).

Геометрия особенно полезна для объяснения структуры твердого тела на основе его структурных единиц.

линейный

Все ковалентные связи являются направленными, поэтому связь AB линейна. Но будет ли молекула AB ₂ линейной ? Если это так, геометрия представлена ​​просто как: BAB. Два атома B разделены углом 180º, и согласно TEV, A должен иметь гибридные sp-орбитали.

угловатый

Источник: Габриэль Боливар

В первую очередь можно предположить линейную геометрию молекулы AB ₂ ; тем не менее, прежде чем делать выводы, необходимо провести структуру Льюиса. С помощью структуры Льюиса можно определить количество неподеленных электронных пар (:) на атоме A.

Когда это так, пары электронов на вершине A толкают два атома B вниз, изменяя их углы. В результате линейная молекула BAB принимает форму буквы V, бумеранга или угловой формы (верхнее изображение).

Молекула воды, HOH, является идеальным примером для этого типа геометрии. В атоме кислорода есть две пары электронов без разделения, ориентированные под углом примерно 109º.

Почему именно такой угол? Поскольку электронная геометрия является тетраэдрической, у которой четыре вершины: две для атомов H и две для электронов. Обратите внимание, что на верхнем изображении зеленые точки и две «доли с глазами» рисуют тетраэдр с синей точкой в ​​центре.

Если бы у O не было свободных электронных пар, вода образовала бы линейную молекулу, ее полярность уменьшилась бы, и океаны, моря, озера и т. Д., Вероятно, не существовали бы в том виде, в каком они известны.

Тетраэдр

Источник: Габриэль Боливар

Верхнее изображение представляет геометрию тетраэдра. Для молекулы воды ее электронная геометрия тетраэдрическая, но, исключив свободные пары электронов, можно увидеть, что она переходит в угловую геометрию. Это также наблюдается простым удалением двух зеленых точек; оставшиеся два нарисуют букву V с синей точкой.

Что, если бы вместо двух пар свободных электронов была только одна? Тогда осталась бы тригональная плоскость (основное изображение). Однако удаление электронной группы не позволяет избежать стерического эффекта, создаваемого парой свободных электронов. Таким образом, он искажает тригональную плоскость до пирамиды с треугольным основанием:

Источник: Габриэль Боливар

Хотя геометрия молекул тригональной и тетраэдрической пирамиды различается, электронная геометрия такая же: тетраэдрическая. Значит, тригональная пирамида не считается электронной геометрией?

Ответ - нет, поскольку это результат искажения, вызванного «лепестком с глазами», и его стерического эффекта, и эта геометрия не учитывает последующие искажения.

По этой причине всегда важно сначала определить электронную геометрию с помощью структур Льюиса, прежде чем определять геометрию молекулы. Молекула аммиака, NH ₃ , является примером геометрии молекулы тригональной пирамиды, но с тетраэдрической электронной геометрией.

Тригональная бипирамида

Источник: Габриэль Боливар

До сих пор, за исключением линейной геометрии, в тетраэдрической, угловой и тригональной пирамиде их центральные атомы имеют sp ^3- гибридизацию , согласно TEV. Это означает, что если их валентные углы были определены экспериментально, они должны быть около 109º.

Согласно тригональной дипирамидальной геометрии, вокруг центрального атома имеется пять электронных групп. На изображении выше это видно с пятью зелеными точками; три в треугольном основании и два в осевых положениях, которые являются верхней и нижней вершинами пирамиды.

Какая же тогда гибридизация у синей точки? Для образования одинарных связей (оранжевый) требуется пять гибридных орбиталей. Это достигается с помощью пяти sp ³ d орбиталей (произведение смеси одной s, трех p и одной d орбитали).

При рассмотрении пяти электронных групп геометрия уже раскрыта, но поскольку есть пары электронов, не имеющих общего доступа, она снова страдает от искажений, которые порождают другие геометрии. Аналогичным образом возникает следующий вопрос: могут ли эти пары занимать какую-либо позицию в пирамиде? Это: осевой или экваториальный.

Осевое и экваториальное положение

Зеленые точки, составляющие треугольное основание, находятся в экваториальных положениях, а две на верхнем и нижнем концах - в осевых положениях. Где предпочтительно будет располагаться неподеленная электронная пара? В этом положении сводится к минимуму электростатическое отталкивание и стерический эффект.

В осевом положении пара электронов будет «давить» перпендикулярно (90º) на треугольное основание, в то время как, если бы он находился в экваториальном положении, две оставшиеся электронные группы на основании были бы разнесены на 120º и прижали бы два конца под углом 90º (вместо три, как с основанием).

Следовательно, центральный атом будет стремиться ориентировать свои свободные пары электронов в экваториальных положениях для создания более стабильной молекулярной геометрии.

Осциллирующая и Т-образная форма

Источник: Габриэль Боливар

Если бы в геометрии тригональной бипирамиды один или несколько ее атомов были заменены свободными парами электронов, мы также имели бы другую молекулярную геометрию.

Слева от верхнего изображения геометрия меняется на колеблющуюся. В нем свободная пара электронов толкает остальные четыре атома в том же направлении, изгибая их связи влево. Обратите внимание, что эта пара и два атома лежат в одной треугольной плоскости исходной бипирамиды.

Справа от изображения - Т-образная геометрия. Эта молекулярная геометрия является результатом замены двух пар электронов двумя атомами, в результате чего три оставшихся атома выстраиваются в одной плоскости, и рисуется ровно одна буква. Т.

Затем для молекулы типа AB ₅ она принимает геометрию тригональной бипирамиды. Однако AB ₄ с такой же электронной геометрией примет колебательную геометрию; и AB ₃ , геометрия T. Во всех из них A будет (как правило) иметь sp ³ d гибридизацию .

Чтобы определить молекулярную геометрию, необходимо нарисовать структуру Льюиса и, следовательно, ее электронную геометрию. Если это тригональная бипирамида, то свободные пары электронов будут отброшены, но не их стерическое влияние на остальные атомы. Таким образом, можно прекрасно различить три возможные геометрии молекул.

восьмигранный

Октаэдрическая молекулярная геометрия изображена справа от основного изображения. Этот тип геометрии соответствует соединениям AB ₆ . AB ₄ образуют квадратное основание, а остальные два B расположены в осевых положениях. Таким образом образуется несколько равносторонних треугольников, которые являются гранями октаэдра.

Здесь снова могут быть (как и во всех электронных геометриях) пары свободных электронов, и поэтому другие молекулярные геометрии вытекают из этого факта. Например, AB ₅ с октаэдрической электронной геометрией состоит из пирамиды с квадратным основанием, а AB _{4 -} из квадратной плоскости:

Источник: Габриэль Боливар

В случае октаэдрической электронной геометрии эти две молекулярные геометрии являются наиболее стабильными с точки зрения электростатического отталкивания. В квадратной плоскости две пары электронов расположены на расстоянии 180º друг от друга.

Какова гибридизация атома A в этих геометриях (или структурах, если они единственные)? Опять же, TEV утверждает, что это sp ³ d ² , шесть гибридных орбиталей, которые позволяют A ориентировать электронные группы в вершинах октаэдра.

Другая молекулярная геометрия

Изменяя основания пирамид, упомянутых до сих пор, можно получить более сложную молекулярную геометрию. Например, пятиугольная бипирамида имеет пятиугольник в качестве основания, а соединения, которые ее образуют, имеют общую формулу AB ₇ .

Как и в случае с другими молекулярными геометрическими формами, замена атомов B свободными парами электронов исказит геометрию в сторону других форм.

Кроме того, соединения AB ₈ могут иметь такую ​​геометрию, как квадратная антипризма. Некоторые геометрические формы могут быть очень сложными, особенно для формул AB _{7 и} последующих (до AB ₁₂ ).

Примеры молекулярной геометрии

Ниже будет упомянут ряд соединений для каждой из основных молекулярных геометрий. В качестве упражнения можно было нарисовать структуры Льюиса для всех примеров и удостовериться, что, учитывая электронную геометрию, молекулярные геометрии получены, как указано ниже.

Линейная геометрия

-Этилен, H ₂ C≡CH ₂

-Хлорид бериллия, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Диоксид углерода, CO ₂ (O = C = O)

-Азот, N ₂ (N≡N)

-Дибромид ртути, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Трийодид анион, I ₃ ^- (III)

-Гидроциановая кислота, HCN (HN≡C)

Их углы должны составлять 180º, поэтому они имеют зр-гибридизацию.

Угловая геометрия

- вода

-Диоксид серы, SO ₂

-Диоксид азота, NO ₂

-Озон, O ₃

-Амидный анион, NH ₂ ^-

Тригональная плоскость

-Бромтрифторид, BF ₃

-Трихлорид алюминия, AlCl ₃

-Нитрат-анион, NO ₃ ^-

-Карбонат-анион, CO ₃ ^2–

Тетраэдр

-Метан газ, CH ₄

-Тетрахлорид углерода, CCl ₄

-Аммоний катион, NH ₄ ⁺

-Сульфат-анион, SO ₄ ^2-

Тригональная пирамида

-Амония, NH ₃

-Катион гидроксоний, H ₃ O ⁺

Тригональная бипирамида

-Пентафторид фосфора, PF ₅

-Пентахлорид сурьмы, SbF ₅

колеблющийся

Тетрафторид серы, SF ₄

Т-образная форма

-Трихлорид йода, ICl ₃

-Трифторид хлора, ClF ₃ (оба соединения известны как интергалогены)

восьмигранный

-Гексафторид серы, SF ₆

-Гексафторид селена, SeF ₆

-Гексафторфосфат, PF ₆ ^-

В заключение, молекулярная геометрия - это то, что объясняет наблюдения за химическими или физическими свойствами материи. Однако он ориентирован в соответствии с электронной геометрией, поэтому последнее всегда должно определяться перед первым.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 194-198.
2. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Издание четвертое. С. 23, 24, 80, 169). Мак Гроу Хилл.
3. Марк Э. Такерман. (2011). Молекулярная геометрия и теория VSEPR. Получено с: nyu.edu
4. Виртуальный Чембук, Чарльз Э. Офардт. (2003). Введение в молекулярную геометрию. Получено с: chemistry.elmhurst.edu
5. Химия LibreTexts. (8 сентября 2016 г.). Геометрия молекул. Получено с: chem.libretexts.org