MOLEKYLÄR GEOMETRI: KONCEPT, TYPER OCH EXEMPEL - KEMI - 2025

Den molekylära geometrien eller molekylstrukturen är det rumsliga arrangemanget av atomer runt en central atom. Atomer representerar regioner där det finns en hög elektronstäthet och betraktas därför som elektroniska grupper, oavsett vilka bindningar de bildar (enkel, dubbel eller trippel).

Ett elements molekylära geometri kan karakterisera några av dess fysikaliska eller kemiska egenskaper (kokpunkt, viskositet, densitet, etc.). Till exempel bestämmer vattenmolekylstrukturen dess löslighet.

Källa: Gabriel Bolívar

Detta koncept kommer från kombinationen och experimentella data från två teorier: den för valensbindningen (TEV) och den från avvisningen av de elektroniska paren i valensskalet (RPECV). Medan den första definierar bindningarna och deras vinklar, fastställer den andra geometrien och därmed molekylstrukturen.

Vilka geometriska former är molekyler som kan anta? De två tidigare teorierna ger svaren. Enligt RPECV måste atomerna och paren av fria elektroner vara anordnade i rymden på ett sådant sätt att den elektrostatiska avstötningen mellan dem minimeras.

Så geometriska former är inte godtyckliga utan söker snarare den mest stabila designen. Till exempel på bilden ovan kan du se en triangel till vänster och en oktaeder till höger. De gröna prickarna representerar atomerna och de orange ränderna i bindningarna.

I triangeln är de tre gröna punkterna orienterade 120º från varandra. Denna vinkel, som är lika med bindningens, gör att atomerna kan avvisa varandra så lite som möjligt. Därför kommer en molekyl med en central atom fäst vid tre andra att anta en trigonal plangeometri.

RPECV förutspår dock att ett fritt par elektroner i den centrala atomen kommer att förvränga geometrien. När det gäller trigonalplanet kommer detta par att skjuta ner de tre gröna punkterna, vilket resulterar i en trigonal pyramidgeometri.

Detsamma kan också hända med oktaedern på bilden. I det separeras alla atomer på det mest stabila sättet som möjligt.

Hur vet man i förväg molekylärgeometri för en X-atom?

För detta är det också nödvändigt att betrakta paren av fria elektroner som elektroniska grupper. Dessa tillsammans med atomerna kommer att definiera vad som kallas elektronisk geometri, som är en oskiljbar följeslagare till molekylär geometri.

Från elektronisk geometri, och efter att ha upptäckt paren med fria elektroner med hjälp av Lewis-strukturen, är det möjligt att fastställa vad den molekylära geometrien kommer att vara. Summan av alla molekylära geometrier ger en översikt över den totala strukturen.

Typer av molekylär geometri

Som framgår av huvudbilden beror molekylär geometri på hur många atomer som omger den centrala atomen. Men om ett odelat par elektroner finns, kommer det att ändra geometri eftersom det upptar mycket volym. Därför utövar det en sterisk effekt.

Enligt detta kan geometrien presentera en serie karakteristiska former för många molekyler. Och det är här de olika typerna av molekylär geometri eller molekylstruktur uppstår.

När är geometri lika med strukturen? Båda anger samma sak endast i de fall där strukturen inte har mer än en typ av geometri; annars bör alla närvarande typer beaktas och strukturen ges ett globalt namn (linjär, grenad, kulaformig, platt, etc.).

Geometrier är särskilt användbara för att förklara strukturen för ett fast ämne från dess strukturella enheter.

Linjär

Alla kovalenta bindningar är riktade, så AB-bindningen är linjär. Men kommer AB _2- molekylen att vara linjär ? I så fall representeras geometrien helt enkelt som: BAB. De två B-atomerna är separerade med en vinkel på 180º, och enligt TEV måste A ha hybrid-sp-orbitaler.

Vinkel

Källa: Gabriel Bolívar

En linjär geometri kan antas i första hand för molekylen AB ₂ ; emellertid är det viktigt att dra Lewis-strukturen innan man når en slutsats. Med Lewis-strukturen ritad kan antalet odelade elektronpar (:) på A-atomen identifieras.

När detta är så, skjuter paren elektron på toppen av A de två atomerna i B nedåt och ändrar deras vinklar. Som ett resultat slutar den linjära BAB-molekylen att förvandlas till en V, en boomerang eller en vinkelgeometri (toppbild)

Vattenmolekylen, HOH, är det ideala exemplet för denna typ av geometri. I syreatom finns två par elektroner utan delning som är orienterade i en vinkel på cirka 109º.

Varför denna vinkel? Eftersom elektronisk geometri är tetraedrisk, som har fyra vertikaler: två för H-atomer och två för elektroner. Observera i den övre bilden att de gröna prickarna och de två "loberna med ögonen" drar en tetrahedron med den blå pricken i mitten.

Om O inte hade några fria elektronpar, skulle vattnet bilda en linjär molekyl, dess polaritet skulle minska, och hav, hav, sjöar etc. skulle antagligen inte existera som de är kända.

Tetrahedron

Källa: Gabriel Bolívar

Den övre bilden representerar tetraedrisk geometri. För vattenmolekylen är dess elektroniska geometri tetraedrisk, men när man eliminerar de fria elektronparen kan det noteras att den förvandlas till en vinkelgeometri. Detta observeras också helt enkelt genom att ta bort två gröna prickar; de återstående två kommer att rita V med den blå pricken.

Vad händer om istället för två par gratiselektroner bara fanns en? Då skulle ett trigonalt plan kvarstå (huvudbild). Genom att ta bort en elektronisk grupp undviks emellertid den steriska effekten som produceras av det fria elektronparet. Därför distorserar det trigonala planet till en pyramid med en triangulär bas:

Källa: Gabriel Bolívar

Även om den trigonala och tetraedriska pyramidmolekylära geometrin är olika, är den elektroniska geometrien densamma: tetraedrisk. Så den trigonala pyramiden räknas inte som elektronisk geometri?

Svaret är nej, eftersom det är produkten av den snedvridning som orsakas av "loben med ögonen" och dess steriska effekt, och denna geometri tar inte hänsyn till efterföljande snedvridningar.

Av detta skäl är det alltid viktigt att först bestämma den elektroniska geometri med hjälp av Lewis-strukturer innan den molekylära geometri definieras. Ammoniakmolekylen, NH ₃ , är ett exempel på trigonal pyramid molekylär geometri, men med tetraedrisk elektron geometri.

Trigonal bipyramid

Källa: Gabriel Bolívar

Fram till nu, med undantag för linjär geometri, har i den tetraedrala, vinklade och trigonala pyramiden deras centrala atomer sp ^3- hybridisering , enligt TEV. Detta innebär att om deras bindningsvinklar bestämdes experimentellt skulle de vara omkring 109º.

Från den trigonala dipyramidala geometri finns det fem elektroniska grupper runt centralatomen. På bilden ovan kan det ses med de fem gröna punkterna; tre i den triangulära basen, och två i axiella positioner, som är pyramidens övre och nedre hörn.

Vilken hybridisering har den blå pricken då? Det krävs fem hybridbana för att bilda enkelbindningarna (orange). Detta uppnås genom de fem sp ³ d orbitalerna (produkt av blandningen av en s, tre p och en d orbital).

När man överväger fem elektroniska grupper är geometrien den som redan exponerats, men eftersom det finns par av elektroner utan att dela, lider den igen av distorsioner som andra geometrier genererar. Likaså uppstår följande fråga: kan dessa par uppta någon position i pyramiden? Dessa är: den axiella eller ekvatoriala.

Axiella och ekvatoriella positioner

De gröna punkterna som utgör den triangulära basen är i ekvatoriella lägen, medan de två i de övre och nedre ändarna är i axiella lägen. Var kommer det delade elektronparet företrädesvis att vara beläget? I det läget som minimerar elektrostatisk avstötning och sterisk effekt.

I axiell position skulle elektronparet "trycka" vinkelrätt (90º) på den triangulära basen, medan om det var i ekvatorialläget skulle de två återstående elektroniska grupperna på basen vara 120 ° från varandra och skulle trycka de två ändarna på 90º (istället för tre, som med basen).

Därför kommer den centrala atomen att försöka orientera sina fria par av elektroner i ekvatoriella positioner för att generera mer stabila molekylära geometrier.

Oscillerande och T-form

Källa: Gabriel Bolívar

Om i den trigonala bipyramidgeometri en eller flera av dess atomer ersattes av fria elektronpar skulle vi också ha olika molekylära geometrier.

Till vänster om den övre bilden ändras geometrien till den svängande formen. I det skjuter det fria elektronparet resten av de fyra atomerna i samma riktning och böjer sina bindningar till vänster. Observera att detta par och två av atomerna ligger i samma triangulära plan som den ursprungliga bipyramiden.

Och till höger om bilden, den T-formade geometri. Denna molekylära geometri är resultatet av att två atomer ersätter två par elektroner, vilket resulterar i att de tre återstående atomerna anpassar sig i samma plan som ritar exakt en bokstav T.

Sedan, för en molekyl av typ AB ₅ , antar den den trigonala bipyramidgeometri. AB ₄ , med samma elektroniska geometri, kommer emellertid att anta den svängande geometrien; och AB ₃ , T-formade geometri. I samtliga av dem A kommer (i allmänhet) har sp ³ d hybridisering .

För att bestämma molekylärgeometri är det nödvändigt att rita Lewis-strukturen och därför dess elektroniska geometri. Om detta är en trigonal bipyramid, kommer de fria elektronparna att kasseras, men inte deras steriska effekter på resten av atomerna. Således kan man perfekt urskilja mellan de tre möjliga molekylära geometrierna.

octahedral

Octahedrars molekylära geometri visas till höger om huvudbilden. Denna typ av geometri motsvarar AB _6- föreningar . AB ₄ bildar den kvadratiska basen, medan de återstående två B: erna är placerade i axiella positioner. Således bildas flera liksidiga trianglar, som är ansikterna på oktaeder.

Även här kan det finnas (som i alla elektroniska geometrier) par fria elektroner, och därför härstammar andra molekylära geometrier härifrån. Till exempel består AB ₅ med oktaedrisk elektrongeometri av en pyramid med en kvadratisk bas och AB ₄ av ett kvadratiskt plan:

Källa: Gabriel Bolívar

När det gäller oktaedrisk elektrongeometri är dessa två molekylära geometrier de mest stabila när det gäller elektrostatisk avstötning. I geometri med fyrkantiga plan är de två elektronparen 180 ° från varandra.

Vad är hybridiseringen för atom A i dessa geometrier (eller strukturer, om den är den enda)? Återigen säger TEV att det är sp ³ d ² , sex hybridbana, som gör det möjligt för A att orientera de elektroniska grupperna vid en oktaedrons hörn.

Andra molekylära geometrier

Genom att modifiera baserna för de pyramider som hittills nämnts kan några mer komplexa molekylära geometrier erhållas. Till exempel har den femkantiga bipyramiden en femkant för sin bas och föreningarna som bildar den har den allmänna formeln AB ₇ .

Liksom de andra molekylära geometrierna kommer byte av B-atomer med fria elektronpar att förvränga geometrien till andra former.

Också, AB ₈ föreningar kan anta geometrier såsom kvadratiska antiprisma. Vissa geometrier kan vara mycket komplicerade, särskilt för formlerna AB _{7 och} framåt (upp till AB ₁₂ ).

Exempel på molekylär geometri

En serie föreningar kommer att nämnas nedan för var och en av de huvudmolekylära geometrierna. Som en övning kan man rita Lewis-strukturerna för alla exempel och bekräfta om, med tanke på den elektroniska geometri, molekylgeometrierna erhålls enligt listan nedan.

Linjär geometri

-Etylen, H ₂ C = CH ₂

-Beryllium klorid, BeCl ₂ (Cl-BeCl)

-Koldioxid, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

-Mercury dibromide, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodid-anjon, I ₃ ^- (III)

-Hydrocyansyra, HCN (HN≡C)

Deras vinklar måste vara 180º, och därför har sp hybridisering.

Vinkelgeometri

- vatten

-Svaveldioxid, SO ₂

-Nitrogendioxid, NO ₂

-Ozon, O ₃

-Amid anjon, NH ₂ ^-

Trigonalt plan

-Bromo-trifluorid, BF ₃

-Aluminum triklorid, AlCl ₃

-Nitrat anjon, NO ₃ ^-

-Karbonat-anjon, CO ₃ ^2–

Tetrahedron

-Metan gas, CH ₄

-Kolvetetraklorid, CCl ₄

-Ammonium katjon, NH ₄ ⁺

-Sulfatanjon, SO ₄ ^2-

Trigonal pyramid

-Amonia, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonal bipyramid

-Fosforpentafluorid, PF ₅

-Antimon pentaklorid, SbF ₅

pendlande

Svaveltetrafluorid, SF ₄

T-form

-Jodtriklorid, ICl ₃

Klortrifluorid, ClF ₃ (båda föreningarna är kända som interhalogener)

octahedral

-Svavelhexafluorid, SF ₆

-Seleniumhexafluorid, SeF ₆

-Hexafluorfosfat, PF ₆ ^-

Avslutningsvis är molekylärgeometri det som förklarar observationerna av materiens kemiska eller fysiska egenskaper. Den är emellertid orienterad enligt elektronisk geometri, så den senare måste alltid bestämmas före den förstnämnda.

referenser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemi. (8: e upplagan). CENGAGE Learning, s 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. (Fjärde upplagan, s. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekylär geometri och VSEPR-teorin. Återställd från: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Introduktion till molekylär geometri. Återställd från: kemi.elmhurst.edu
5. Kemi LibreTexts. (8 september 2016). Geometri av molekyler. Återställd från: chem.libretexts.org