MOLEKYLÆR GEOMETRI: KONSEPT, TYPER OG EKSEMPLER - KJEMI - 2026

Den molekylære geometrien eller den molekylære strukturen er det romlige arrangementet av atomer rundt et sentralt atom. Atomer representerer regioner der det er høy elektrontetthet, og regnes derfor som elektroniske grupper, uavhengig av bindinger de danner (enkelt, dobbelt eller tredobbelt).

Et elements molekylære geometri kan karakterisere noen av dets fysiske eller kjemiske egenskaper (kokepunkt, viskositet, tetthet, etc.). For eksempel bestemmer molekylstrukturen i vann dens løselighet.

Kilde: Gabriel Bolívar

Dette konseptet stammer fra kombinasjonen og eksperimentelle data fra to teorier: den for valensbindingen (TEV) og den fra frastøtningen av de elektroniske parene i valenseskallet (RPECV). Mens den første definerer bindingene og deres vinkler, etablerer den andre geometrien og følgelig molekylstrukturen.

Hvilke geometriske former er molekyler som kan ta i bruk? De to foregående teoriene gir svarene. I følge RPECV må atomene og parene med frie elektroner være anordnet i rommet på en slik måte at den elektrostatiske frastøtningen mellom dem minimeres.

Så, geometriske former er ikke vilkårlige, men søker heller den mest stabile designen. På bildet over kan du for eksempel se en trekant til venstre og en oktaeder på høyre side. De grønne prikkene representerer atomene og de oransje stripene båndene.

I trekanten er de tre grønne punktene orientert 120º fra hverandre. Denne vinkelen, som er lik bindingen, gjør at atomene kan frastøte hverandre så lite som mulig. Derfor vil et molekyl med et sentralt atom festet til tre andre ta i bruk en trigonal plangeometri.

Imidlertid spår RPECV at et fritt par elektroner i det sentrale atomet vil forvrenge geometrien. Når det gjelder trigonalplanet, vil dette paret skyve ned de tre grønne punktene, noe som resulterer i en trigonal pyramidegeometri.

Det samme kan også skje med oktaederen på bildet. I den skilles alle atomene på en mest mulig stabil måte.

Hvordan vet man på forhånd molekylær geometri til et X-atom?

For dette er det også nødvendig å betrakte parene med gratiselektroner som elektroniske grupper. Disse sammen med atomene vil definere det som kalles elektronisk geometri, som er en uadskillelig ledsager av molekylær geometri.

Fra elektronisk geometri, og etter å ha oppdaget parene med frie elektroner gjennom Lewis-strukturen, er det mulig å bestemme hva den molekylære geometrien vil være. Summen av alle molekylære geometrier vil gi en oversikt over den generelle strukturen.

Typer molekylær geometri

Som det kan sees i hovedbildet, avhenger molekylær geometri av hvor mange atomer som omgir det sentrale atomet. Imidlertid, hvis et ikke-delt par elektroner er til stede, vil det endre geometrien fordi det opptar mye volum. Derfor utøver det en sterisk effekt.

I følge dette kan geometrien presentere en serie karakteristiske former for mange molekyler. Og det er her de forskjellige typene molekylær geometri eller molekylær struktur oppstår.

Når er geometri lik struktur? Begge betegner det samme bare i tilfeller der strukturen ikke har mer enn en type geometri; Ellers bør alle tilstedeværende typer vurderes og strukturen gis et globalt navn (lineær, forgrenet, kuleformet, flat, etc.).

Geometrier er spesielt nyttige for å forklare strukturen til et faststoff fra dets strukturelle enheter.

lineær

Alle kovalente bindinger er retningsbestemte, så AB-bindingen er lineær. Men vil AB _2- molekylet være lineært ? I så fall er geometrien representert ganske enkelt som: BAB. De to B-atomene er atskilt med en vinkel på 180º, og ifølge TEV skal A ha hybrid sp-orbitaler.

Vinkel

Kilde: Gabriel Bolívar

En lineær geometri kan antas i første omgang for molekylet AB ₂ ; Det er imidlertid viktig å tegne Lewis-strukturen før du kommer til en konklusjon. Med Lewis-strukturen trukket kan antallet ikke-delte elektronpar (:) på A-atomet identifiseres.

Når dette er tilfelle, skyver parene på toppen av A de to atomene i B nedover og endrer vinklene. Som et resultat ender det lineære BAB-molekylet opp med å bli en V, en boomerang eller en vinkelgeometri (toppbilde)

Vannmolekylet, HOH, er det ideelle eksemplet for denne typen geometri. I oksygenatomet er det to par elektroner uten å dele som er orientert i en vinkel på omtrent 109º.

Hvorfor denne vinkelen? Fordi elektronisk geometri er tetraedrisk, som har fire hjørner: to for H-atomer, og to for elektroner. I det øvre bildet, legg merke til at de grønne prikkene og de to “lobene med øynene” tegner en tetrahedron med den blå prikken i midten.

Hvis O ikke hadde noen frie elektronpar, ville vannet dannet et lineært molekyl, dets polaritet ville redusert, og hav, hav, innsjøer, etc., ville sannsynligvis ikke eksistert som de er kjent.

tetraeder

Kilde: Gabriel Bolívar

Det øverste bildet representerer tetraedrisk geometri. For vannmolekylet er dets elektroniske geometri tetraedrisk, men når man eliminerer de frie elektronparene, kan det bemerkes at det forvandles til en vinkelgeometri. Dette observeres også ganske enkelt ved å fjerne to grønne prikker; de resterende to vil tegne V-en med den blå prikken.

Hva om i stedet for to par gratiselektroner bare var det én? Da vil et trigonalt plan forbli (hovedbilde). Ved å fjerne en elektronisk gruppe unngås imidlertid ikke den steriske effekten produsert av det frie elektronparet. Derfor forvrenger det trigonale planet til en pyramide med en trekantet base:

Kilde: Gabriel Bolívar

Selv om den trigonale og tetraedriske pyramide-molekylære geometrien er forskjellige, er den elektroniske geometrien den samme: tetraeder. Så den trigonale pyramiden teller ikke som elektronisk geometri?

Svaret er nei, siden det er et produkt av forvrengningen forårsaket av "loppen med øynene" og dens steriske virkning, og denne geometrien tar ikke hensyn til påfølgende forvrengninger.

Av denne grunn er det alltid viktig å først bestemme den elektroniske geometrien ved hjelp av Lewis-strukturer før du definerer den molekylære geometrien. Ammoniakkmolekylet, NH ₃ , er et eksempel på trigonal pyramide-molekylær geometri, men med tetraedrisk elektrongeometri.

Trigonal bipyramid

Kilde: Gabriel Bolívar

Til nå, med unntak av lineær geometri, har den sentrale atomer i den tetraedrale, kantete og trigonale pyramiden sp ^3- hybridisering , ifølge TEV. Dette betyr at hvis deres bindingsvinkler ble bestemt eksperimentelt, skulle de være rundt 109º.

Fra den trigonale dipyramidale geometrien er det fem elektroniske grupper rundt sentralatomet. På bildet over kan det sees med de fem grønne punktene; tre i den trekantede basen, og to i aksielle stillinger, som er den øvre og nedre hjørnet av pyramiden.

Hvilken hybridisering har den blå prikken da? Det tar fem hybride orbitaler for å danne enkeltbindingene (oransje). Dette oppnås gjennom de fem sp ³ d orbitaler (produkt av blandingen av en s, tre p og en d orbital).

Når man vurderer fem elektroniske grupper, er geometrien den som allerede er eksponert, men siden det er par elektroner uten å dele, lider den igjen av forvrengninger som genererer andre geometrier. På samme måte oppstår følgende spørsmål: kan disse parene innta noen posisjon i pyramiden? Disse er: den aksiale eller ekvatorialen.

Aksiale og ekvatoriale posisjoner

De grønne punktene som utgjør den trekantede basen er i ekvatoriale stillinger, mens de to i øvre og nedre ende er i aksielle stillinger. Hvor vil det udelte elektronparet fortrinnsvis være lokalisert? I den stillingen som minimerer elektrostatisk frastøtning og sterisk effekt.

I aksial stilling ville elektronparet "trykke" vinkelrett (90º) på den trekantede basen, mens hvis det var i ekvatorialstilling, ville de to gjenværende elektroniske gruppene på basen være 120º fra hverandre og ville trykke de to endene på 90º (i stedet for tre, som med basen).

Derfor vil det sentrale atomen forsøke å orientere sine frie par elektroner i ekvatoriale posisjoner for å generere mer stabile molekylære geometrier.

Oscillerende og T-form

Kilde: Gabriel Bolívar

Hvis ett eller flere av atomene i den trigonale bipyramidgeometrien ble erstattet av frie elektronpar, ville vi også ha forskjellige molekylære geometrier.

Til venstre for toppbildet endres geometrien til den svingende formen. I det skyver det frie elektronparet resten av de fire atomene i samme retning og bøyer bindingene sine til venstre. Legg merke til at dette paret og to av atomene ligger i det samme trekantede planet som den opprinnelige bipyramiden.

Og til høyre for bildet, den T-formede geometrien. Denne molekylære geometrien er resultatet av å erstatte to atomer med to elektronpar, noe som resulterer i at de tre gjenværende atomene samkjører i samme plan som tegner nøyaktig en bokstav T.

Så, for et molekyl av type AB ₅ , vedtar det den trigonale bipyramidgeometrien. Imidlertid vil AB ₄ , med samme elektroniske geometri, ta i bruk den svingende geometrien; og AB ₃ , den T-formede geometrien. I alle av dem vil A (generelt) ha en ³ d hybridisering .

For å bestemme molekylær geometri er det nødvendig å tegne Lewis-strukturen og dermed dens elektroniske geometri. Hvis dette er en trigonal bipyramid, vil de frie elektronparene bli kastet, men ikke deres steriske effekter på resten av atomene. Dermed kan man perfekt skille mellom de tre mulige molekylære geometrier.

octahedral

Octahedrums molekylære geometri er avbildet til høyre for hovedbildet. Denne typen geometri tilsvarer AB _6- forbindelser . AB ₄ danner den firkantede basen, mens de resterende to B'ene er plassert i aksielle stillinger. Dermed dannes flere like sidede trekanter, som er ansiktene til oktaederen.

Her igjen kan det være (som i alle elektroniske geometrier) par gratis elektroner, og derfor stammer andre molekylære geometrier fra dette faktum. For eksempel består AB ₅ med oktaedrisk elektrongeometri av en pyramide med en firkantet base, og AB ₄ av et kvadratisk plan:

Kilde: Gabriel Bolívar

Når det gjelder oktaedrisk elektrongeometri, er disse to molekylære geometrier de mest stabile når det gjelder elektrostatisk frastøtning. I geometri i firkantplan er de to elektronparene 180 ° fra hverandre.

Hva er hybridiseringen for atom A i disse geometrier (eller strukturer, hvis det er den eneste)? Igjen uttaler TEV at det er sp ³ d ² , seks hybride orbitaler, som lar A orientere de elektroniske gruppene i hjørnene til en oktaeder.

Andre molekylære geometrier

Ved å modifisere basene til de så langt nevnte pyramider, kan noen få mer komplekse molekylære geometrier oppnås. For eksempel har den femkantede bipyramiden en femkant for sin base, og forbindelsene som danner den har den generelle formelen AB ₇ .

I likhet med de andre molekylære geometrier, vil erstatning av B-atomene med frie par elektroner fordreie geometrien til andre former.

Også, AB ₈ Forbindelsene kan innta geometrier som for eksempel firkantet antiprisme. Noen geometrier kan være veldig kompliserte, spesielt for formler AB ₇ og utover (opp til AB ₁₂ ).

Eksempler på molekylær geometri

En serie forbindelser vil bli nevnt nedenfor for hver av de viktigste molekylære geometrier. Som en øvelse kunne man tegne Lewis-strukturer for alle eksemplene og bekrefte om, gitt den elektroniske geometrien, molekylære geometrier oppnås som angitt nedenfor.

Lineær geometri

-Etylen, H ₂ C C H ₂

-Berylliumklorid, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Kullsyre, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

-Mercury dibromide, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodid anion, I ₃ ^- (III)

-Hydrocyansyre, HCN (HN≡C)

Vinklene deres må være 180º, og har derfor sp-hybridisering.

Vinkelgeometri

- vann

-Svoveldioksid, SO ₂

-Nitrogen dioxide, NO ₂

-Ozon, O ₃

-Amide anion, NH ₂ ^-

Trigonalt fly

-Bromo trifluoride, BF ₃

-Aluminiumtriklorid, AlCl ₃

-Nitrat anion, NO ₃ ^-

-Karbonatanion, CO ₃ ^2–

tetraeder

-Metangass, CH ₄

-Karbontetraklorid, CCl ₄

Ammonium-kation, NH ₄ ⁺

-Sulfatanion, SO ₄ ^2-

Trigonal pyramide

-Amonia, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonal bipyramid

-Fosforpentafluorid, PF ₅

-Antimon pentaklorid, SbF ₅

oscillerende

Svoveltetrafluorid, SF ₄

T-form

-Jodtriklorid, ICl ₃

Klortrifluorid, ClF ₃ (begge forbindelsene er kjent som interhalogener)

octahedral

-Svovelheksafluorid, SF ₆

-Selen heksafluorid, SeF ₆

-Hexafluorfosfat, PF ₆ ^-

For å konkludere, molekylær geometri er det som forklarer observasjonene av de kjemiske eller fysiske egenskapene til materie. Imidlertid er det orientert i henhold til elektronisk geometri, så sistnevnte må alltid bestemmes før førstnevnte.

referanser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kjemi. (8. utg.). CENGAGE Learning, s 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave. S. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekylær geometri og VSEPR-teorien. Gjenopprettet fra: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Introduksjon til molekylær geometri. Gjenopprettet fra: kjemi.elmhurst.edu
5. Kjemi LibreTexts. (8. september 2016). Geometri av molekyler. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org