GEOMETRIA MOLECULARĂ: CONCEPT, TIPURI ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2024

Geometria moleculară sau structura moleculară este aranjamentul spațial al atomilor în jurul unui atom central. Atomii reprezintă regiuni în care există o densitate mare de electroni și, prin urmare, sunt considerați grupuri electronice, indiferent de legăturile pe care le formează (unic, dublu sau triplu).

Geometria moleculară a unui element poate caracteriza unele dintre proprietățile sale fizice sau chimice (punctul de fierbere, vâscozitatea, densitatea etc.). De exemplu, structura moleculară a apei determină solubilitatea acesteia.

Sursa: Gabriel Bolívar

Acest concept provine din combinația și datele experimentale ale două teorii: cea a legăturii de valență (TEV) și cea a repulsiei perechilor electronice ale cochiliei de valență (RPECV). În timp ce prima definește legăturile și unghiurile lor, a doua stabilește geometria și, în consecință, structura moleculară.

Ce forme geometrice sunt capabile să adopte molecule? Cele două teorii anterioare oferă răspunsuri. Conform RPECV, atomii și perechile de electroni liberi trebuie să fie aranjați în spațiu astfel încât să se reducă la minimum repulsia electrostatică dintre ei.

Deci, formele geometrice nu sunt arbitrare, ci caută un design cel mai stabil. De exemplu, în imaginea de mai sus puteți vedea un triunghi în stânga și un octaedru în dreapta. Punctele verzi reprezintă atomii, iar portocaliu dungi legăturile.

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

Cu toate acestea, RPECV prezice că o pereche liberă de electroni din atomul central va denatura geometria. Pentru cazul planului trigonal, această pereche va împinge în jos cele trei puncte verzi, rezultând o geometrie piramidală trigonală.

La fel se poate întâmpla și cu octaedrul din imagine. În ea toți atomii sunt separați în cel mai stabil mod posibil.

Cum să cunoaștem în avans geometria moleculară a unui atom X?

Pentru aceasta, este necesar, de asemenea, să considerăm perechile de electroni liberi ca grupuri electronice. Aceștia, împreună cu atomii, vor defini ceea ce este cunoscut sub numele de geometrie electronică, care este un însoțitor inseparabil al geometriei moleculare.

Din geometria electronică și după ce au detectat perechile de electroni liberi prin intermediul structurii Lewis, este posibil să se stabilească care va fi geometria moleculară. Suma tuturor geometriilor moleculare va oferi o schiță a structurii generale.

Tipuri de geometrie moleculară

După cum se poate observa în imaginea principală, geometria moleculară depinde de câți atomi înconjoară atomul central. Cu toate acestea, dacă există o pereche de electroni ne-partajată, aceasta va modifica geometria, deoarece ocupă mult volum. Prin urmare, 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 doar în cazurile în care structura nu are mai mult de un tip de geometrie; în caz contrar, toate tipurile prezente ar trebui să fie luate în considerare, iar structura să poarte un nume global (liniar, ramificat, globular, plat etc.).

Geometriile sunt utile în special pentru explicarea structurii unui solid din unitățile sale structurale.

Liniar

Toate legăturile covalente sunt direcționale, deci legătura AB este liniară. Dar molecula AB _{2 va} fi liniară ? Dacă da, geometria este reprezentată simplu ca: BAB. Cei doi atomi B sunt separați cu un unghi de 180º și, conform TEV, A trebuie să aibă orbitali sp hibrizi.

unghiular

Sursa: Gabriel Bolívar

O geometrie liniară poate fi asumată în primă instanță pentru molecula AB ₂ ; cu toate acestea, este esențial să desenăm structura Lewis înainte de a ajunge la o concluzie. Prin structura lui Lewis, poate fi identificat numărul de perechi de electroni ne-partajați (:) pe atomul A.

Când este așa, perechile de electroni deasupra lui A împing cei doi atomi de B în jos, schimbându-și unghiurile. Ca urmare, molecula liniară BAB se termină transformându-se într-o V, un bumerang sau o geometrie unghiulară (imaginea de sus)

Molecula de apă, HOH, este exemplul ideal pentru acest tip de geometrie. În atomul de oxigen există două perechi de electroni fără partajare, care sunt orientate la un unghi de aproximativ 109º.

De ce acest unghi? Deoarece geometria electronică este tetraedrică, care are patru vârfuri: două pentru atomii de H și două pentru electroni. În imaginea superioară, rețineți că punctele verzi și cei doi „lobi cu ochii” desenează un tetraedru cu punctul albastru în centru.

Dacă O nu ar avea perechi de electroni liberi, apa ar forma o moleculă liniară, polaritatea acesteia ar scădea, iar probabil oceanele, mările, lacurile etc. nu ar exista așa cum sunt cunoscute.

tetraedru

Sursa: Gabriel Bolívar

Imaginea de sus reprezintă geometria tetraedrică. Pentru molecula de apă, geometria sa electronică este tetraedrică, dar la eliminarea perechilor libere de electroni se poate observa că se transformă într-o geometrie unghiulară. Acest lucru este, de asemenea, observat prin eliminarea a două puncte verzi; ceilalți doi vor trasa V-ul cu punctul albastru.

Ce se întâmplă dacă în loc de două perechi de electroni liberi ar fi existat doar unul? Apoi va rămâne un plan trigonal (imaginea principală). Cu toate acestea, prin eliminarea unui grup electronic, nu este evitat efectul steric produs de perechea de electroni liberi. Prin urmare, denatura planul trigonal de o piramidă cu o bază triunghiulară:

Sursa: Gabriel Bolívar

Deși geometria moleculară a piramidelor trigonale și tetraedrice sunt diferite, geometria electronică este aceeași: tetraedrica. Deci piramida trigonală nu contează ca geometrie electronică?

Răspunsul este nu, deoarece este produsul distorsiunii cauzate de „lobul cu ochii” și efectul său steric, iar această geometrie nu ține cont de denaturarea ulterioară.

Din acest motiv, este întotdeauna important să se determine mai întâi geometria electronică cu ajutorul structurilor Lewis înainte de a defini geometria moleculară. Molecula de amoniac, NH ₃ , este un exemplu de geometrie moleculară piramidală trigonală, dar cu geometrie electronică tetraedrică.

Bipiramida trigonală

Sursa: Gabriel Bolívar

Până acum, cu excepția geometriei liniare, în piramida tetraedrică, unghiulară și trigonală, atomii lor centrali au hibridizare sp ³ , conform TEV. Acest lucru înseamnă că, dacă unghiurile lor de legătură au fost determinate experimental, acestea ar trebui să fie în jur de 109º.

Din geometria dipyramidală trigonală, există cinci grupuri electronice în jurul atomului central. În imaginea de mai sus se poate 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 apoi punctul albastru? Este nevoie de cinci orbitali hibrizi pentru a forma legăturile unice (portocaliu). Acest lucru este realizat prin cele cinci sp ³ d orbitali (produsul amestecului de unu s, trei p și unu d orbital).

Când se iau în considerare cinci grupuri electronice, geometria este cea deja expusă, dar, deoarece există perechi de electroni fără partajare, suferă din nou de distorsiuni pe care le generează alte geometrii. De asemenea, se pune următoarea întrebare: aceste perechi pot ocupa orice poziție în piramidă? Acestea sunt: ​​axial sau ecuatorial.

Poziții axiale și ecuatoriale

Punctele verzi care alcătuiesc baza triunghiulară sunt în poziții ecuatoriale, în timp ce cele două la capetele superioare și inferioare sunt în poziții axiale. Unde va fi amplasată în mod preferențial perechea de electroni ne-partajată? În acea poziție care reduce la minimum repulsia electrostatică și efectul steric.

În poziție axială, perechea de electroni s-ar „presiona” perpendicular (90º) pe baza triunghiulară, în timp ce, dacă s-ar afla în poziția ecuatorială, cele două grupuri electronice rămase de la baza ar fi de 120 de distanță și ar apăsa cele două capete la 90 ° (în loc de trei, la fel ca și baza).

Prin urmare, atomul central va căuta să-și orienteze perechile libere de electroni în pozițiile ecuatoriale pentru a genera geometrii moleculare mai stabile.

Oscilant și în formă de T

Sursa: Gabriel Bolívar

Dacă în geometria bipiramidelor trigonale unul sau mai mulți dintre atomii săi ar fi înlocuiți cu perechi liberi de electroni, am avea și geometrii moleculare diferite.

În stânga imaginii de sus, geometria se schimbă la forma oscilantă. În ea, perechea liberă de electroni împinge restul celor patru atomi în aceeași direcție, îndoindu-și legăturile spre stânga. Rețineți că această pereche și doi dintre atomi se află în același plan triunghiular al bipiramidei originale.

Și în dreapta imaginii, geometria în formă de T. Această geometrie moleculară este rezultatul înlocuirii a doi atomi cu două perechi de electroni, rezultând ca cei trei atomi rămași să se alinieze în același plan care desenează exact o literă. T.

Apoi, pentru o moleculă de tip AB ₅ , ea adoptă geometria bipiramidelor trigonale. Cu toate acestea, AB ₄ , cu aceeași geometrie electronică, va adopta geometria oscilantă; și AB ₃ , geometria în formă de T. În toate acestea, A va avea (în general) hibridizare sp ³ d.

Pentru a determina geometria moleculară este necesar să tragem structura Lewis și, prin urmare, geometria ei electronică. Dacă aceasta este o bipiramidă trigonală, atunci perechile libere de electroni vor fi aruncate, dar nu efectele lor sterice asupra restului de atomi. Astfel, se poate discerne perfect între cele trei geometrii moleculare posibile.

octaedric

Geometria moleculară octaedrică este reprezentată în dreapta imaginii principale. Acest tip de geometrie corespunde compușilor AB ₆ . AB ₄ formează baza pătrată, în timp ce celelalte două B sunt poziționate în poziții axiale. Astfel, se formează mai multe triunghiuri echilaterale, care sunt fețele octaedrului.

Aici pot exista din nou (ca în toate geometriile electronice) perechi de electroni liberi și, prin urmare, alte geometrii moleculare derivă din acest fapt. De exemplu, AB ₅ cu geometria electronică octaedrică constă dintr-o piramidă cu o bază pătrată, iar AB ₄ dintr-un plan pătrat:

Sursa: Gabriel Bolívar

Pentru cazul geometriei electronilor octaedrice, aceste două geometrii moleculare sunt cele mai stabile în ceea ce privește repulsia electrostatică. În geometria planului pătrat cele două perechi de electroni sunt la 180 ° una de alta.

Care este hibridizarea atomului A în aceste geometrii (sau structuri, dacă este singura)? Din nou, TEV afirmă că este vorba de sp ³ d ² , șase orbitali hibrizi, care permit A să orienteze grupurile electronice la vârfurile unui octaedru.

Alte geometrii moleculare

Modificând bazele piramidelor menționate până acum, se pot obține unele geometrii moleculare mai complexe. De exemplu, bipiramida pentagonală are un pentagon pentru baza sa, iar compușii care o formează au formula generală AB ₇ .

La fel ca celelalte geometrii moleculare, înlocuirea atomilor B cu perechi liberi de electroni va denatura geometria cu alte forme.

De asemenea, compușii AB ₈ pot adopta geometrii precum antiprismul pătrat. Unele geometrii pot fi foarte complicate, în special pentru formulele AB ₇ înainte (până la AB ₁₂ ).

Exemple de geometrie moleculară

O serie de compuși vor fi menționați mai jos pentru fiecare dintre geometriile moleculare principale. Ca exercițiu, se pot desena structurile Lewis pentru toate exemplele și să se certifice dacă, având în vedere geometria electronică, geometriile moleculare sunt obținute așa cum sunt enumerate mai jos.

Geometrie liniară

-Etilenă, H ₂ = CH ₂

-Clorură de beriliu, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Dioxid de carbon, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

-Dibomura de mercur, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Tionid anion, I ₃ ^- (III)

-Acidul hidrocianic, HCN (HN≡C)

Unghiurile lor trebuie să fie de 180º și, prin urmare, să aibă hibridizare sp.

Geometria unghiulară

- apa

Dioxid de sulfură, SO ₂

-Dioxid de azot, NU ₂

-Ozona, O ₃

-Amide anion, NH ₂ ^-

Planul trigonal

-Bromo-trifluorură, BF ₃

-Aluminum triclorură, AICb ₃

-Nitrat anion, NU ₃ ^-

-Anion carbonat, CO ₃ ^2–

tetraedru

Gaz metan, CH ₄

Tetraclorură de carbon a , CCl ₄

-Cation de amoniu, NH ₄ ⁺

-Sulfat anion, SO ₄ ^2-

Piramida trigonală

-Amonia, NH ₃

-Cation hidroniu, H ₃ O ⁺

Bipiramida trigonală

-Pafafluorură de fosfor, PF ₅

-Pantaclorura de antimoniu, SbF ₅

Oscilant

Tetrafluorură de sulf, SF ₄

Forma T

Triclorura -Iodine ICI ₃

-Trifluorură de clor, ClF ₃ (ambii compuși sunt cunoscuți ca interhalogeni)

octaedric

-Hexafluorură de sulf, SF ₆

-Hexafluorură de seleniu, SeF ₆

-Hexafluorofosfat, PF ₆ ^-

În concluzie, geometria moleculară este ceea ce explică observațiile proprietăților chimice sau fizice ale materiei. Cu toate acestea, este orientat în funcție de geometria electronică, astfel că aceasta din urmă trebuie să fie întotdeauna determinată înainte de prima.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (Ediția a patra., P. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria moleculară și teoria VSEPR. Recuperat din: nyu.edu
4. Chembook virtual, Charles E. Ophardt. (2003). Introducere în geometrie moleculară. Recuperat din: chimie.elmhurst.edu
5. Chimie LibreTexturi. (8 septembrie 2016). Geometria moleculelor. Recuperat din: chem.libretexts.org