Modele și exemple de geometrie moleculară

geometria moleculară sau molecularăeste distribuția spațială a atomilor în jurul unui atom central. Atomii reprezintă regiuni în care există o densitate mare de electroni și, prin urmare, sunt considerate grupuri electronice, indiferent de legăturile pe care le formează (singure, duble sau triple).

Acest concept se naște din datele combinate și experimentale ale două teorii: cea a legăturii de valență (VTE) și cea a repulsiei perechilor electronice ale valenței (VSEPR). În timp ce primul definește legăturile și unghiurile lor, al doilea stabilește geometria și, prin urmare, structura moleculară.

Ce forme geometrice sunt molecule capabile să adopte? Cele două teorii precedente oferă răspunsurile. Potrivit VSEPR, atomii și perechile de electroni liberi trebuie aranjați în spațiu astfel încât să minimizeze repulsia electrostatică dintre ele.

Deci, formele geometrice nu sunt arbitrare, dar caută designul cel mai stabil. De exemplu, în imaginea superioară se poate vedea un triunghi spre stânga și un octaedru spre dreapta. Punctele verde reprezintă atomii, iar franjurile portocalii reprezintă legăturile.

În triunghi, cele trei puncte verzi sunt orientate într-o separare de 120º. Acest unghi, care este egal cu cel al legăturii, permite atomilor să se respingă reciproc cât mai puțin posibil. Prin urmare, o moleculă cu un atom central atașat la trei alții va adopta o geometrie a planului trigonal.

Cu toate acestea, VSCR prezice că o pereche de electroni liberi în atomul central vor deforma geometria. Pentru cazul planului trigonal, această pereche va împinge în jos cele trei puncte verzi, ducând la o geometrie de piramidă trigonală.

Același lucru se poate întâmpla și cu octaedrul imaginii. În el toți atomii sunt separați în modul cel mai stabil posibil.

index

• 1 Cum să știm în avans geometria moleculară a unui atom de X?
• 2 tipuri
  • 2.1 Linear
  • 2.2 Unghi
  • 2.3 Tetrahedral
  • 2,4 bipiramidă trigonală
  • 2.5 Octahedral
  • 2.6 Alte geometrii moleculare
• 3 Exemple
  • 3.1 Geometria liniară
  • 3.2 Geometria unghiulară
  • 3.3 Planul trigonal
  • 3.4 Tetrahedral
  • 3.5 Piramida trigonală
  • 3.6 biparamidă trigonală
  • 3.7 oscilant
  • 3.8 Forma lui T
  • 3.9 Octahedral
• 4 Referințe

Cum se cunoaște în avans geometria moleculară a unui atom X?

Pentru aceasta, este necesar să se ia în considerare și perechile de electroni liberi ca grupuri electronice. Acestea, împreună cu atomii, vor defini ceea ce se numește geometria electronică, care este partenerul inseparabil al geometriei moleculare.

Din geometria electronică și după ce au detectat prin structura lui Lewis perechile de electroni liberi, se poate stabili ce geometrie moleculară va fi. Suma tuturor geometriilor moleculare va oferi o schiță a structurii globale.

tip

Așa cum se vede în imaginea principală, geometria moleculară depinde de cât de mulți atomi înconjoară atomul central. Cu toate acestea, dacă o pereche de electroni este prezentă fără partajare, aceasta va modifica geometria deoarece ocupă o mulțime de volum. Prin urmare, ea exercită un efect steric.

Conform acestui fapt, geometria poate prezenta o serie de forme caracteristice pentru multe molecule. Și aici apar diferite tipuri de geometrie moleculară sau structură moleculară.

Când geometria este egală cu structura? Ambele denotă același lucru numai în cazul în care structura nu are mai mult de un tip de geometrie; în caz contrar, toate tipurile actuale trebuie luate în considerare și structura dată unui nume global (liniar, ramificat, globular, plat etc.).

Geometriile sunt deosebit de utile pentru a explica structura unui solid din unitățile sale structurale.

liniar

Toate legăturile covalente sunt direcționale, deci legătura A-B este liniară. Dar molecula AB va fi liniară?₂? Dacă da, geometria este pur și simplu reprezentată ca: B-A-B. Cei doi atomi de B sunt separați cu un unghi de 180 ° și conform TEV, A trebuie să aibă orbitale sp hibride.

unghiular

Se poate presupune, în primul rând, o geometrie liniară pentru molecula AB₂; cu toate acestea, este esențial să tragem structura lui Lewis înainte de a ajunge la o concluzie. Desenând structura lui Lewis, se poate identifica numărul de perechi de electroni fără a partaja (:) pe atomul lui A.

Când se întâmplă acest lucru, în partea de sus a perechilor de electroni împingeți cei doi atomi de B în jos, schimbând unghiurile lor. Drept rezultat, molecula liniară B-A-B ajunge să devină un V, un bumerang sau o geometrie angulară (imaginea de sus)

Moleculele de apă, H-O-H, reprezintă exemplul ideal pentru acest tip de geometrie. În atomul de oxigen există două perechi de electroni fără împărțire care sunt orientate la un unghi aproximativ de 109º.

De ce acest unghi? Deoarece geometria electronică este tetraedrică, care are patru noduri: două pentru atomi de H și două pentru electroni. În imaginea de mai sus rețineți că punctele verzi și cei doi "lobi cu ochi" desenează un tetraedru cu punctul albastru în centrul său.

Dacă O nu au electroni liberi perechi, apa formează o moleculă liniară, și descrește oceanele polaritate, mări, lacuri, etc., probabil, nu ar exista așa cum este cunoscut.

tetraedral

Imaginea superioară reprezintă geometria tetraedrică. Pentru molecula de apă, geometria electronică este tetraedrică, ci prin eliminarea perechilor de electroni liberi se poate observa că devine o geometrie unghiulară. Acest lucru se observă și prin eliminarea a două puncte verde; celelalte două vor desena V cu punctul albastru.

Dacă în loc de două perechi de electroni liberi exista doar una? Apoi ar exista un plan trigonal (imagine principală). Cu toate acestea, prin eliminarea unui grup electronic, efectul steric produs de perechea de electroni liberi nu este evitat. De aceea, distorsionează planul trigonal într-o piramidă de bază triunghiulară:

Deși geometria moleculară piramidală trigonal și tetraedrică este diferită, geometria electronică este aceeași: tetraedrică. Deci, piramida trigonală nu se consideră ca o geometrie electronică?

Răspunsul este nu, deoarece este rezultatul distorsiunii cauzate de „ochi lobului“ și efectul său sterică, și că geometria nu ia în considerare distorsiuni ulterioare.

Din acest motiv, este întotdeauna important să determinăm mai întâi geometria electronică cu ajutorul structurilor Lewis înainte de a defini geometria moleculară. Molecule de amoniac, NH₃, este un exemplu de geometrie moleculară piramidală trigonală, dar cu geometrie electronică tetraedrică.

Piramida triunghiulară

Până acum, cu excepția geometriei liniare, în piramida tetraedrică, unghiulară și trigonală, atomii ei centrali au hibridizare sp³, potrivit TEV. Aceasta înseamnă că, dacă unghiurile de legătură au fost determinate experimental, acestea ar trebui să fie în jur de 109º.

Din geometria dipiramică trigonală, există cinci grupuri electronice în jurul atomului central. În imaginea superioară puteți vedea cu cele cinci puncte verzi; trei în baza triunghiulară și două în poziții axiale, care sunt vârfurile superioare și inferioare ale piramidei.

Ce hibridizare are atunci punctul albastru? Este nevoie de cinci orbite hibride pentru a forma legături simple (portocaliu). Acest lucru este realizat prin cele cinci orbitale sp³d (produsul amestecului unui orbital s, trei p și a d).

Atunci când se analizează cinci grupuri electronice, geometria este deja expus, dar având perechi de electroni nepuse, ea suferă din nou distorsiuni că alte geometrii. De asemenea, se pune următoarea întrebare: pot aceste perechi să ocupe orice poziție în piramidă? Acestea sunt: ​​axial sau ecuatorial.

Poziții axiale și ecuatoriale

Punctele verde care formează baza triunghiulară sunt în poziții ecuatoriale, în timp ce cele două la capetele superioare și inferioare, în poziții axiale. Unde, de preferință, va fi localizată perechea de electroni fără partajare? În această poziție care minimizează repulsia electrostatică și efectul steric.

localizarea axială perechea de electroni ne-ar „presiune“ perpendicular (90) pe bază triunghiulară, în timp ce în cazul în poziție ecuatorială, cele două grupe rămase electronice ale bazei ar fi 120 ° în afară și să apăsați cele două capete 90 ° (în loc de trei, ca și în cazul bazei).

Prin urmare, atomul central va căuta să orienteze perechile sale fără electroni în pozițiile ecuatoriale pentru a genera geometrii moleculare mai stabile.

Oscilant și forma T

Dacă geometria biparamidelor trigonale ar înlocui unul sau mai mulți atomi cu perechi libere de electroni, ar avea și geometrii moleculare diferite.

În stânga imaginii superioare, geometria se schimbă în forma oscilantă. În el, perechea liberă de electroni împinge restul celor patru atomi în aceeași direcție, plierea legăturilor lor spre stânga. Rețineți că această pereche și doi dintre atomi se află în același plan triunghiular al dipyramidului original.

Iar dreapta imaginii, geometria în formă de T Această geometrie moleculară este rezultatul înlocuirii doi atomi de două perechi de electroni, în consecință, rezultând în cei trei atomi rămași sunt aliniate în același plan, formând exact o literă T.

Deci, pentru o moleculă de tip AB₅, aceasta adoptă geometria bipiramidă trigonală. Cu toate acestea, AB₄, cu aceeași geometrie electronică, va adopta geometria oscilantă; și AB₃, geometria în formă de T. În toate acestea, A va avea (în general) sp hibridizare³d.

Pentru a determina geometria moleculară este necesar să se deseneze structura Lewis și, prin urmare, geometria sa electronică. Dacă acesta este un bipiramid trigonal, atunci perechile libere de electroni vor fi aruncate, dar nu și efectele lor sterice asupra celorlalți atomi. Astfel, se poate distinge perfect între cele trei posibile geometrii moleculare.

octaedric

Geometria moleculară octaedrică este reprezentată în partea dreaptă a imaginii principale. Acest tip de geometrie corespunde compușilor AB₆. AB₄ acestea formează baza pătrată, în timp ce celelalte două B sunt poziționate în poziții axiale. Astfel, se formează mai multe triunghiuri echilaterale, care sunt fețele octahedronului.

Aici, din nou, pot exista perechi libere de electroni (ca și în toate geometrii electronice) și, prin urmare, alte geometrii moleculare derivă din acest fapt. De exemplu, AB₅ cu geometria electronică octaedrică constă dintr-o piramidă cu o bază pătrată și AB₄ a unui plan pătrat:

În cazul geometriei electronice octaedrice, aceste două geometrii moleculare sunt cele mai stabile în ceea ce privește repulsia electrostatică. În geometria plană pătrată, cele două perechi de electroni sunt la o distanță de 180 °.

Care este hibridizarea atomului A în aceste geometrii (sau structuri, dacă este singura)? Din nou, TEV stabilește că este sp³d², șase orbitale hibride, care permit A să orienteze grupurile electronice în vârfurile unui octaedru.

Alte geometrii moleculare

Prin modificarea bazelor piramidelor menționate până în prezent, pot fi obținute unele geometrii moleculare mai complexe. De exemplu, bipiramidul pentagonal se bazează pe un pentagon, iar compușii care îl formează au o formulă generală AB₇.

Ca și alte geometrii moleculare, înlocuirea atomilor B cu perechi libere nu va denatura geometria altor forme.

De asemenea, compușii AB₈ ei pot adopta geometrii, cum ar fi antiprismul pătrat. Unele geometrii pot fi foarte complicate, în special pentru formulele AB₇ (până la AB₁₂).

Exemple

Apoi, o serie de compuși vor fi menționați pentru fiecare dintre geometrii moleculare principale. Ca exercițiu, ați putea desena structurile Lewis pentru toate exemplele și certificați dacă, având în vedere geometria electronică, veți obține geometrii moleculare așa cum sunt enumerate mai jos.

Liniaritate geometrică

-Etilenă, H₂C = CH₂

-Clicul de beriliu, BeCl₂ (Cl-Be-CI)

- dioxid de carbon, CO₂ (0 = C = 0)

- Azot, N₂ (N≡N)

- bromură de mercur, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anión triyoduro, I₃^- (I-I-I)

- acid cianhidric, HCN (H-N = C)

Unghiurile sale trebuie să fie 180 ° și, prin urmare, să aibă hibridizare sp.

Unghi geometric

-Apa

-Dioxid de sulf, SO₂

- Dioxid de azot, NO₂

-Ozone, O₃

-Anion amiduro, NH₂^-

Planul trigonal

Biflură de trifluorură, BF₃

Triclorura de aluminiu, AlCl₃

- Nitrat de azot, NU₃^-

Carbonat de anion, CO₃^2-

tetraedral

-Gaz metan, CH₄

- tetraclorură de carbon, CCI₄

-Catión amonio, NH₄⁺

-Sulfat anionic, SO₄^2-

Piramida triunghiulară

-Amonia, NH₃

- Hidronium de calciu, H₃O⁺

Piramida triunghiulară

- fosfat fosfat, PF₅

-Pentamină-antimoniu, SbF₅

oscilant

Tetrafluorură de sulf, SF₄

Forma lui T

Triclorura de iod, ICI₃

-Clorifluorură, ClF₃ (ambii compuși sunt cunoscuți drept interhalogeni)

octaedric

-Sulfura de sulf, SF₆

- hexafluorură de heleniu, SeF₆

-Hexafluorofosfat, PF₆^-

Pentru a culmina, geometria moleculară explică observațiile privind proprietățile chimice sau fizice ale materiei. Cu toate acestea, este orientată în funcție de geometria electronică, astfel încât aceasta din urmă trebuie să fie întotdeauna determinată înainte de prima.

referințe

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimie. (Ediția a 8-a). CENGAGE Learning, p 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică (Ediția a patra, pag. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria moleculară și teoria VSEPR. Adus de la: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Introducere în geometria moleculară. Adus de la: chemistry.elmhurst.edu
5. Chimie LibreTexts. (8 septembrie 2016). Geometria moleculelor. Adus de la: chem.libretexts.org