МОЛЕКУЛЯРНА ГЕОМЕТРІЯ: ПОНЯТТЯ, ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Молекулярна геометрія або молекулярна структура являє собою просторове розташування атомів навколо центрального атома. Атоми представляють регіони, де є висока щільність електронів, і тому вважаються електронними групами, незалежно від зв’язків, які вони утворюють (одинарні, подвійні чи потрійні).

Молекулярна геометрія елемента може характеризувати деякі його фізичні або хімічні властивості (температура кипіння, в'язкість, щільність тощо). Наприклад, молекулярна структура води визначає її розчинність.

Джерело: Габріель Болівар

Ця концепція випливає з комбінованих та експериментальних даних двох теорій: валентної зв'язку (TEV) та відштовхування електронних пар валентної оболонки (RPECV). У той час як перший визначає зв’язки та їх кути, другий встановлює геометрію і, отже, молекулярну структуру.

Які геометричні фігури здатні приймати молекули? Дві попередні теорії дають відповіді. Згідно RPECV, атоми та пари вільних електронів повинні бути розташовані в просторі таким чином, щоб мінімізувати електростатичне відштовхування між ними.

Отже, геометричні фігури не є довільними, а скоріше шукають найбільш стійкий дизайн. Наприклад, на зображенні вгорі ви можете побачити трикутник зліва, а восьмигранник праворуч. Зелені крапки являють собою атоми, а помаранчеві смуги - зв’язки.

У трикутнику три зелені точки орієнтовані на відстань 120º. Цей кут, який дорівнює зв’язку, дозволяє атомам якнайменше відштовхуватися один від одного. Тому молекула з центральним атомом, приєднаною до трьох інших, прийме тригональну геометрію площини.

Однак RPECV прогнозує, що вільна пара електронів у центральному атомі буде спотворювати геометрію. У випадку трикутної площини ця пара висуне три зелені точки, внаслідок чого вийде геометрія тригональної піраміди.

Те саме може статися і з октаедром на зображенні. У ньому всі атоми відокремлені найбільш можливим способом.

Як заздалегідь знати молекулярну геометрію атома X?

Для цього також потрібно розглядати пари вільних електронів як електронні групи. Вони разом з атомами визначать те, що відомо як електронна геометрія, яка є невіддільним супутником молекулярної геометрії.

З електронної геометрії та виявивши пари вільних електронів за допомогою структури Льюїса, можна встановити, якою буде молекулярна геометрія. Сума всіх молекулярних геометрій дасть контур загальної структури.

Види молекулярної геометрії

Як видно з головного зображення, молекулярна геометрія залежить від того, скільки атомів оточує центральний атом. Однак, якщо присутня неподілена пара електронів, вона змінить геометрію, оскільки займає велику кількість. Тому він чинить стеричний ефект.

Відповідно до цього геометрія може представити ряд характерних для багатьох молекул форм. І тут виникають різні типи молекулярної геометрії чи молекулярної структури.

Коли геометрія дорівнює структурі? Обидва позначають однакове лише у випадках, коли структура не має більше одного типу геометрії; інакше слід враховувати всі присутні типи та структуру давати глобальну назву (лінійна, гілляста, куляста, плоска тощо).

Геометрії особливо корисні для пояснення структури твердого тіла з його структурних одиниць.

Лінійний

Всі ковалентні зв’язки є спрямованими, тому зв'язок AB лінійний. Але чи буде молекула AB ₂ лінійною ? Якщо так, геометрія представлена ​​просто як: BAB. Два атоми В розділені кутом 180º, і згідно з TEV, A повинен мати гібридні sp орбіталі.

Кутовий

Джерело: Габріель Болівар

Лінійну геометрію можна припустити в першу чергу для молекули AB ₂ ; однак, важливо скласти структуру Льюїса, перш ніж дійти висновку. З накресленою структурою Льюїса можна визначити кількість неподілених пар електронів (:) на атомі А.

Коли це так, пари електронів на вершині A штовхають два атоми B вниз, змінюючи свої кути. Як результат, лінійна молекула BAB закінчується перетворенням у V, бумеранг або кутову геометрію (верхнє зображення)

Молекула води HOH є ідеальним прикладом для цього типу геометрії. В атомі кисню є дві пари електронів без спільного використання, які орієнтовані під кутом приблизно 109º.

Чому саме цей кут? Тому що електронна геометрія є тетраедричною, яка має чотири вершини: дві для атомів Н і дві для електронів. На верхньому зображенні зверніть увагу, що зеленими крапками та двома «часточками з очима» намальований тетраедр із синьою крапкою в центрі.

Якби у O не було вільних пар електронів, вода утворювала б лінійну молекулу, її полярність зменшилася, а океани, моря, озера тощо, ймовірно, не існували б, як відомо.

Тетраедр

Джерело: Габріель Болівар

Верхнє зображення являє собою чотиригранну геометрію. Для молекули води її електронна геометрія є тетраедричною, але при усуненні вільних пар електронів можна зазначити, що вона перетворюється на кутову геометрію. Це також спостерігається просто шляхом видалення двох зелених крапок; решта два намалюють V синьою крапкою.

Що робити, якщо замість двох пар вільних електронів залишився лише один? Тоді тригональна площина залишиться (основне зображення). Однак, видаляючи електронну групу, не уникнути стеричного ефекту, що утворюється парою вільних електрон. Тому вона спотворює трикутну площину до піраміди з трикутною основою:

Джерело: Габріель Болівар

Хоча молекулярна геометрія тригональних і чотиригранних пірамід різна, електронна геометрія однакова: тетраедра. Так тригональна піраміда не вважається електронною геометрією?

Відповідь - ні, оскільки це продукт спотворення, викликаний «часточкою з очима» та її стеричним ефектом, і ця геометрія не враховує наступних спотворень.

З цієї причини завжди важливо спочатку визначити електронну геометрію за допомогою структур Льюїса, перш ніж визначати молекулярну геометрію. Молекула аміаку NH ₃ є прикладом молекулярної геометрії трикутних пірамід, але з чотиригранною геометрією електронів.

Трикутна біпіраміда

Джерело: Габріель Болівар

До цих пір, за винятком лінійної геометрії, у тетраедральній, кутовій та тригональній піраміді їх центральні атоми мають sp ³ гібридизацію , повідомляє TEV. Це означає, що якщо їх кути зв'язку визначали експериментально, вони повинні бути близько 109º.

З тригональної дипірамідної геометрії навколо центрального атома виходить п’ять електронних груп. На зображенні вгорі видно п'ять зелених точок; три в трикутній основі і два в осьовому положенні, які є верхніми і нижніми вершинами піраміди.

Яку гібридизацію має синя точка? Для формування єдиних зв’язків (помаранчевого) потрібно п'ять гібридних орбіталей. Це досягається через п'ять sp ³ d орбіталей (добуток суміші однієї s, трьох p та однієї d орбіталі).

Розглядаючи п’ять електронних груп, геометрія є тією, яка вже відкрита, але оскільки існують пари електронів без спільного використання, вона знову зазнає спотворень, які генерують інші геометрії. Так само виникає таке питання: чи можуть ці пари займати будь-яке положення в піраміді? Це: осьові або екваторіальні.

Осьові та екваторіальні положення

Зелені точки, що складають трикутну основу, знаходяться в екваторіальному положенні, тоді як дві у верхньому та нижньому кінцях знаходяться в осьових положеннях. Де переважно розміщуватиметься неподілена електронна пара? У такому положенні, що мінімізує електростатичне відштовхування та стеричний ефект.

У осьовому положенні пара електронів буде «тиснути» перпендикулярно (90 °) на трикутну основу, тоді як якби вона була в екваторіальному положенні, дві електронні групи, що залишилися на базі, були б відстані 120 ° і натискали б два кінці на 90 ° (замість три, як з основою).

Тому центральний атом буде прагнути зорієнтувати свої вільні пари електронів у екваторіальних положеннях, щоб генерувати більш стійкі молекулярні геометрії.

Коливальна і Т-форма

Джерело: Габріель Болівар

Якби в тригональній біпірамідній геометрії один або декілька його атомів замінили вільними парами електронів, ми також мали б різні молекулярні геометрії.

Зліва від верхнього зображення геометрія змінюється на коливальну форму. У ній вільна пара електронів штовхає решту чотирьох атомів у тому ж напрямку, згинаючи свої зв’язки вліво. Зауважимо, що ця пара та два атоми лежать у одній трикутній площині вихідної біпіраміди.

А праворуч від зображення - Т-подібна геометрія. Ця молекулярна геометрія є результатом заміни двох атомів на дві пари електронів, в результаті чого три атоми вирівнюються в одній площині, яка малює рівно одну букву Т.

Тоді для молекули типу AB ₅ вона приймає тригональну біпірамідну геометрію. Однак AB ₄ з однаковою електронною геометрією прийме коливальну геометрію; і AB _3. геометрія у формі Т. У всіх них А буде (як правило) sp ³ d гібридизацією .

Для визначення молекулярної геометрії необхідно намалювати структуру Льюїса і, отже, її електронну геометрію. Якщо це трикутна біпіраміда, то вільні пари електронів будуть відкинуті, але не їх стеричний вплив на решту атомів. Таким чином, можна відмінно розрізняти три можливі молекулярні геометрії.

Октаедричний

Октаедральна молекулярна геометрія зображена праворуч від основного зображення. Цей тип геометрії відповідає сполукам AB ₆ . AB ₄ утворюють квадратну основу, а два інших B розташовані в осьовому положенні. Таким чином утворюється кілька рівносторонніх трикутників, які є гранями октаедра.

Тут знову можуть бути (як у всіх електронних геометріях) пари вільних електронів, тому інші молекулярні геометрії випливають із цього факту. Наприклад, AB ₅ з октаедричною геометрією електронів складається з піраміди з квадратною основою, а AB ₄ з квадратної площини:

Джерело: Габріель Болівар

У випадку октаедричної електронної геометрії ці дві молекулярні геометрії є найбільш стійкими з точки зору електростатичного відштовхування. У геометрії квадратної площини дві пари електронів одна від одної.

Яка гібридизація для атома А в цих геометріях (або структурах, якщо він єдиний)? Знову ж таки, TEV стверджує, що це sp ³ d ² , шість гібридних орбіталей, які дозволяють А орієнтувати електронні групи у вершинах октаедра.

Інші молекулярні геометрії

Змінюючи основи згаданих пірамід пірамід, можна отримати деякі більш складні молекулярні геометрії. Наприклад, п'ятикутна біпіраміда має п’ятикутник для своєї основи, а сполуки, що утворюють її, мають загальну формулу AB ₇ .

Як і інші молекулярні геометрії, заміна атомів B вільними парами електронів спотворить геометрію на інші форми.

Також сполуки AB ₈ можуть приймати геометрії, такі як квадратний антипризм. Деякі геометрії можуть бути дуже складними, особливо для формул AB ₇ далі (аж до AB ₁₂ ).

Приклади молекулярної геометрії

Нижче буде згадано ряд сполук для кожної основної молекулярної геометрії. В якості вправи можна скласти структури Льюїса для всіх прикладів і підтвердити, чи отримані молекулярні геометрії, зважаючи на перелічені нижче, з урахуванням електронної геометрії.

Лінійна геометрія

-Етилен, H ₂ C≡CH ₂

-Берилієвий хлорид, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Доксид вуглецю, CO ₂ (O = C = O)

-Азот, N ₂ (N≡N)

-Дібромід ртуті, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Тіонід-аніон, I ₃ ^- (III)

-Гідрокисляча кислота, HCN (HN≡C)

Їх кути повинні бути 180º, а отже, мають гібридизацію sp.

Кутова геометрія

- вода

-Доксид сірки, SO ₂

-Діоксид азоту, NO ₂

-Озон, O ₃

-Амід аніона, NH ₂ ^-

Трикутна площина

-Бром трифторид, BF ₃

-Трихлорид алюмінію, AlCl ₃

-Нітратний аніон, NO ₃ ^-

-Карбонатний аніон, CO ₃ ^2–

Тетраедр

-Метановий газ, CH ₄

-Тетрахлорид вуглецю, CCl ₄

-Катіон амонію, NH ₄ ⁺

-Сульфатний аніон, SO ₄ ^2-

Трикутна піраміда

-Аміак, NH ₃

-Катіон гідронію, H ₃ O ⁺

Трикутна біпіраміда

-Пентафторид фосфору, PF ₅

-Антимон пентахлорид, SbF ₅

Коливальний

Тетрафторид сірки, SF ₄

Т-форма

- трихлорид йоду, ICl ₃

-Фторхлорид хлору, ClF ₃ (обидва сполуки відомі як міжгалогени)

Октаедричний

-Гексафторид сірки, SF ₆

-Гексафторид селенію, SeF ₆

-Гексафторфосфат, PF ₆ ^-

На закінчення, молекулярна геометрія - це те, що пояснює спостереження за хімічними чи фізичними властивостями речовини. Однак він орієнтований відповідно до електронної геометрії, тому останній завжди повинен визначатися перед першим.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Learning, p 194-198.
2. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання., С. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Марк Е. Такерман. (2011 р.). Молекулярна геометрія та теорія VSEPR. Відновлено з: nyu.edu
4. Віртуальна хімічна книга, Чарльз Е. Опардт. (2003). Вступ до молекулярної геометрії. Відновлено: chemistry.elmhurst.edu
5. Хімія LibreTexts. (8 вересня 2016 р.). Геометрія молекул. Відновлено з: chem.libretexts.org