МОЛЕКУЛЯРНА ГЕОМЕТРИЯ: КОНЦЕПЦИЯ, ВИДОВЕ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На молекулно геометрията или молекулна структура е пространственото подреждане на атомите около централен атом. Атомите представляват региони, където има висока електронна плътност и поради това се считат за електронни групи, независимо от връзките, които образуват (единични, двойни или тройни).

Молекулната геометрия на даден елемент може да характеризира някои от неговите физични или химични свойства (точка на кипене, вискозитет, плътност и др.). Например молекулната структура на водата определя нейната разтворимост.

Източник: Габриел Боливар

Тази концепция възниква от комбинираните и експериментални данни на две теории: тази на валентната връзка (TEV) и тази на отблъскването на електронните двойки на валентната обвивка (RPECV). Докато първият определя връзките и техните ъгли, вторият установява геометрията и съответно молекулната структура.

Какви геометрични фигури могат да приемат молекули? Двете предишни теории предоставят отговорите. Според RPECV атомите и двойките свободни електрони трябва да бъдат подредени в пространството по такъв начин, че да се сведе до минимум електростатичното отблъскване между тях.

Така че, геометричните фигури не са произволни, а по-скоро търсят най-стабилния дизайн. Например, на изображението по-горе можете да видите триъгълник вляво и октаедър вдясно. Зелените точки представляват атомите, а оранжевите ивици връзките.

В триъгълника трите зелени точки са ориентирани на разстояние 120 °. Този ъгъл, който е равен на този на връзката, позволява на атомите да се отблъскват взаимно колкото се може по-малко. Следователно молекула с централен атом, прикрепен към три други, ще възприеме тригонална геометрия на равнината.

RPECV обаче прогнозира, че свободна двойка електрони в централния атом ще изкриви геометрията. В случая на триъгълната равнина тази двойка ще натисне трите зелени точки, което ще доведе до геометрия на триъгълната пирамида.

Същото може да се случи и с октаедъра в изображението. В него всички атоми са разделени по възможно най-стабилния начин.

Как предварително да знаем молекулярната геометрия на X атом?

За това е необходимо и двойките свободни електрони да се разглеждат като електронни групи. Те, заедно с атомите, ще определят това, което е известно като електронна геометрия, което е неразделен спътник на молекулярната геометрия.

Започвайки от електронната геометрия и откривайки двойките свободни електрони чрез структурата на Люис, е възможно да се установи каква ще бъде молекулярната геометрия. Сумата от всички молекулни геометрии ще даде очертание на цялостната структура.

Видове молекулярна геометрия

Както се вижда на основното изображение, молекулярната геометрия зависи от това колко атоми обграждат централния атом. Ако обаче има неподправена двойка електрони, тя ще промени геометрията, защото заема много обем. Следователно той упражнява стеричен ефект.

Според това геометрията може да представи серия от характерни форми за много молекули. И тук възникват различните видове молекулярна геометрия или молекулна структура.

Кога геометрията е равна на структурата? И двете означават едно и също само в случаите, когато структурата няма повече от един тип геометрия; в противен случай трябва да се вземат предвид всички присъстващи типове и структурата да получи глобално име (линейна, разклонена, кълбовидна, плоска и т.н.).

Геометриите са особено полезни за обясняване на структурата на твърдо вещество от неговите структурни единици.

линеен

Всички ковалентни връзки са насочени, така че връзката AB е линейна. Но дали молекулата AB _{2 ще} бъде линейна ? Ако е така, геометрията е представена просто като: BAB. Двата атома В са разделени под ъгъл 180º и според TEV A трябва да има хибридни sp орбитали.

ъглов

Източник: Габриел Боливар

Линейна геометрия може да се приеме на първо място за молекулата AB ₂; обаче е важно да се очертае структурата на Люис, преди да се стигне до заключение. С начертаната структура на Люис може да се идентифицира броят на неразделени електронни двойки (:) на Атом.

Когато това е така, двойките електрони на върха на A натискат двата атома на B, променяйки ъглите си. В резултат на това линейната BAB молекула завършва като се превръща във V, бумеранг или ъглова геометрия (горно изображение)

Водната молекула HOH е идеалният пример за този тип геометрия. В кислородния атом има две двойки електрони без споделяне, които са ориентирани под ъгъл приблизително 109 °.

Защо този ъгъл? Защото електронната геометрия е тетраедрична, която има четири върха: два за Н атоми и две за електрони. В горното изображение обърнете внимание, че зелените точки и двата „лоба с очи“ нарисуват тетраедър със синята точка в центъра му.

Ако O нямаше свободни електронни двойки, водата би образувала линейна молекула, полярността й ще намалее, а океаните, моретата, езерата и т.н. вероятно няма да съществуват, както са известни.

тетраедър

Източник: Габриел Боливар

Горното изображение представлява тетраедрична геометрия. За молекулата на водата нейната електронна геометрия е тетраедрична, но при елиминиране на свободните двойки електрони може да се види, че тя се трансформира в ъглова геометрия. Това се наблюдава и просто чрез премахване на две зелени точки; останалите два ще нарисуват V със синята точка.

Ами ако вместо два чифта свободни електрони имаше само един? Тогава ще остане триъгълна равнина (основно изображение). Въпреки това, чрез премахване на електронна група, не се избягва стеричният ефект, предизвикан от двойката свободни електронни. Следователно, тя изкривява триъгълната равнина до пирамида с триъгълна основа:

Източник: Габриел Боливар

Въпреки че молекулярната геометрия на триъгълната и тетраедричната пирамида е различна, електронната геометрия е една и съща: тетраедрична. Значи триъгълната пирамида не се счита за електронна геометрия?

Отговорът е „не“, тъй като той е продукт на изкривяването, причинено от „лоба с очи“ и неговия стеричен ефект, и тази геометрия не взема предвид последващите изкривявания.

Поради тази причина винаги е важно първо да се определи електронната геометрия с помощта на структури на Люис, преди да се определи молекулната геометрия. Молекулата на амоняк, NH ₃, е пример на триъгълна пирамида молекулно геометрия, но с четиристенен електрон геометрия.

Триъгълна бипирамида

Източник: Габриел Боливар

До сега, с изключение на линейна геометрия, в тетраедър, ъглово и триъгълна пирамида си атоми имат SP ³ хибридизация, съгласно TEV. Това означава, че ако техните ъгли на свързване са определени експериментално, те трябва да бъдат около 109 °.

От тригоналната дипирамидна геометрия има пет електронни групи около централния атом. На изображението горе може да се види с петте зелени точки; три в триъгълната основа и две в аксиални положения, които са горните и долните върхове на пирамидата.

Каква хибридизация има синята точка тогава? За формирането на единичните връзки (оранжево) са необходими пет хибридни орбитали. Това се постига чрез петте орбитали sp ³ d (произведение на сместа от една s, три p и една d орбитала).

Когато разглеждаме пет електронни групи, геометрията е тази, която вече е изложена, но тъй като има двойки електрони, без да споделят, тя отново претърпява изкривявания, които генерират други геометрии. По същия начин възниква следният въпрос: могат ли тези двойки да заемат някаква позиция в пирамидата? Това са: аксиалните или екваториалните.

Аксиални и екваториални позиции

Зелените точки, съставляващи триъгълната основа, са в екваториални позиции, докато двете в горния и долния край са в аксиални положения. Къде за предпочитане ще бъде разположена неразделена електронна двойка? В това положение, което свежда до минимум електростатичното отблъскване и стеричния ефект.

В аксиално положение двойката електрони ще "натиска" перпендикулярно (90 °) върху триъгълната основа, докато ако е в екваториално положение, двете останали електронни групи на основата ще бъдат разстояние 120 ° и ще натискат двата края на 90 ° (вместо три, както е с основата).

Следователно централният атом ще се стреми да ориентира свободните си двойки електрони в екваториалните позиции, за да генерира по-стабилни молекулярни геометрии.

Осцилираща и Т форма

Източник: Габриел Боливар

Ако в тригоналната бипирамидна геометрия един или повече от нейните атоми бяха заменени от свободни двойки електрони, ние също бихме имали различни молекулярни геометрии.

Вляво от горното изображение геометрията се променя на осцилиращата форма. В него свободната двойка електрони изтласква останалите от четирите атома в една и съща посока, огъвайки връзките си вляво. Обърнете внимание, че тази двойка и два от атомите лежат в една и съща триъгълна равнина на оригиналната бипирамида.

И вдясно от изображението, Т-образната геометрия.Тази молекулярна геометрия е резултат от заместване на два атома за две двойки електрони, в резултат на което трите останали атома се подравняват в една и съща равнина, която рисува точно една буква T.

Тогава за молекула от тип AB ₅ тя приема триъгълната бипирамидна геометрия. Въпреки това, AB ₄, със същата електронна геометрия, ще възприеме колебателната геометрия; и AB _3. Т-образната геометрия. Във всички тях А (като цяло) има sp ³ d хибридизация.

За да се определи молекулярната геометрия е необходимо да се начертае структурата на Люис и следователно нейната електронна геометрия. Ако това е триъгълна бипирамида, тогава свободните двойки електрони ще бъдат изхвърлени, но не и техните стерични ефекти върху останалите атоми. По този начин човек може перфектно да различи трите възможни молекулярни геометрии.

осмостенен

Октаедричната молекулярна геометрия е изобразена вдясно от основното изображение. Този тип геометрия съответства на съединенията AB ₆. AB ₄ образуват квадратната основа, докато останалите две B са разположени в аксиални положения. Така се образуват няколко равностранни триъгълника, които са лицата на октаедъра.

Тук отново (както във всички електронни геометрии) може да има двойки свободни електрони и следователно други молекулни геометрии произтичат от този факт. Например, AB ₅ с октаедрична електронна геометрия се състои от пирамида с квадратна основа, а AB ₄ от квадратна равнина:

Източник: Габриел Боливар

За случая с октаедрична електронна геометрия тези две молекулярни геометрии са най-стабилните по отношение на електростатичното отблъскване. В геометрия на квадратна равнина двете двойки електрони са на разстояние 180º.

Каква е хибридизацията на атом А в тези геометрии (или структури, ако е единствената)? Отново TEV заявява, че е sp ³ d ², шест хибридни орбитали, които позволяват на A да ориентира електронните групи във върховете на октаедър.

Други молекулярни геометрии

Чрез модифициране на основите на споменатите досега пирамиди могат да се получат някои по-сложни молекулярни геометрии. Например, петоъгълният бипирамид има петоъгълник за основата си, а съединенията, които го образуват, имат общата формула AB ₇.

Подобно на другите молекулярни геометрии, замяната на B атомите със свободни двойки електрони ще изкриви геометрията на други форми.

Също така, съединенията AB ₈ могат да възприемат геометрии като квадратен антипризъм. Някои геометрии могат да бъдат много сложни, особено за формулите AB ₇ нататък (до AB ₁₂).

Примери за молекулярна геометрия

Поредица от съединения ще бъдат споменати по-долу за всяка от основните молекулни геометрии. Като упражнение може да се начертаят структурите на Люис за всички примери и да се удостовери дали, предвид електронната геометрия, молекулните геометрии са получени, както е изброено по-долу.

Линейна геометрия

-Етилен, Н ₂ СН ₂

-Beryllium хлорид, BeCl ₂ (Ci-BeCl)

-Въглероден диоксид, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

-Жеркурий дибромид, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Триодид анион, I ₃ ^- (III)

-Хидроцианова киселина, HCN (HN≡C)

Техните ъгли трябва да са 180º и следователно имат sp хибридизация.

Ъглова геометрия

- вода

-Серен диоксид, SO ₂

-Nitrogen диоксид, NO ₂

-Ozone, O ₃

-Amide анион, NH ₂ ^-

Триъгълна равнина

Бромо трифлуорид, BF ₃

-Алуминиев трихлорид, АЮЬ ₃

-Нитратен анион, NO ₃ ^-

-Карбонатен анион, CO ₃ ^2–

тетраедър

-Метан газ, CH ₄

Въглеродния тетрахлорид, ССЦ ₄

-Амониев катион, NH ₄ ⁺

-Сулфатен анион, SO ₄ ^2-

Триъгълна пирамида

-Amonia, NH ₃

-Cation хидрониев, H ₃ О ⁺

Триъгълна бипирамида

-Фосфорен пентафлуорид, PF ₅

-Антимон пентахлорид, SbF ₅

осцилиращ

Серен тетрафлуорид, SF ₄

Т форма

-Iodine трихлорид, ICL ₃

-Хлор трифлуорид, ClF ₃ (и двете съединения са известни като interhalogens)

осмостенен

-Серен хексафлуорид, SF ₆

-Selenium хексафлуорид, SEF ₆

-Хексафлуорофосфат, PF ₆ ^-

В заключение, молекулярната геометрия е това, което обяснява наблюденията на химичните или физичните свойства на материята. Тя обаче е ориентирана според електронната геометрия, така че последната винаги трябва да се определя преди първата.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 194-198.
2. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание., Стр. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Марк Е. Тъкърман. (2011 г.). Молекулярна геометрия и теория на VSEPR. Възстановено от: nyu.edu
4. Виртуален химик, Чарлз Е. Офард. (2003 г.). Въведение в молекулярната геометрия. Възстановен от: chemistry.elmhurst.edu
5. Химия LibreTexts. (8 септември 2016 г.). Геометрия на молекулите. Възстановено от: chem.libretexts.org