Moleculaire geometrie types en voorbeelden

de moleculaire geometrie of moleculaire structuur is de ruimtelijke verdeling van atomen rond een centraal atoom. De atomen vertegenwoordigen regio's met een hoge elektronische dichtheid en worden daarom beschouwd als elektronische groepen, ongeacht de links die vormen (enkel, dubbel of driemaal).

Dit concept is ontstaan ​​uit de combinatie en experimentele gegevens van twee theorieën: die van de valentiebinding (TEV) en de afstoting van de elektronische paren van de valentieschil (VSPR). Terwijl de eerste de schakels en hun hoeken definieert, bepaalt de tweede de geometrie en daarmee de moleculaire structuur.

Welke geometrische vormen zijn moleculen die kunnen worden gebruikt? De twee voorgaande theorieën geven de antwoorden. Volgens de VSEPR moeten de atomen en paren vrije elektronen zodanig in de ruimte worden opgesteld dat de elektrostatische afstoting daartussen minimaal is..

De geometrische vormen zijn dus niet willekeurig, maar zoeken naar het meest stabiele ontwerp. In de bovenste afbeelding ziet u bijvoorbeeld een driehoek aan de linkerkant en een octaëder aan de rechterkant. De groene stippen geven de atomen weer en de oranje strepen de schakels.

In de driehoek zijn de drie groene punten georiënteerd in een scheiding van 120º. Deze hoek, die gelijk is aan die van de binding, stelt de atomen in staat om elkaar zo min mogelijk af te stoten. Daarom zal een molecuul met een centraal atoom bevestigd aan drie andere een trigonale vlakgeometrie aannemen.

De VSCR voorspelt echter dat een vrij paar elektronen in het centrale atoom de geometrie zal vervormen. In het geval van het trigonale vlak duwt dit paar de drie groene punten omlaag, wat resulteert in een trigonale pyramide-geometrie.

Hetzelfde kan ook gebeuren met de octaëder van het beeld. Daarin worden alle atomen op de meest stabiele manier gescheiden.

index

• 1 Hoe vooraf de moleculaire geometrie van een atoom X te kennen?
• 2 soorten
  • 2.1 Lineair
  • 2.2 Hoekig
  • 2.3 Tetraëder
  • 2.4 Trigonal Bipyramid
  • 2.5 Octaëdrische
  • 2.6 Andere moleculaire geometrieën
• 3 voorbeelden
  • 3.1 Lineaire geometrie
  • 3.2 Hoekige geometrie
  • 3.3 Trigonal plan
  • 3.4 Tetraëder
  • 3.5 Trigonal-piramide
  • 3.6 trigonal Bipyramid
  • 3.7 Oscillerend
  • 3.8 Vorm van T
  • 3.9 Octahedraal
• 4 Referenties

Hoe vooraf de moleculaire geometrie van een atoom X te kennen?

Hiervoor is het noodzakelijk om de paren vrije elektronen ook als elektronische groepen te beschouwen. Deze, samen met de atomen, zullen bepalen wat bekend staat als de elektronische geometrie, wat een onafscheidelijke metgezel is van moleculaire geometrie.

Uit de elektronische geometrie en na detectie van de paren vrije elektronen door de Lewis-structuur, kunnen we vaststellen wat de moleculaire geometrie zal zijn. De som van alle moleculaire geometrieën geeft een overzicht van de globale structuur.

type

Zoals te zien is in de hoofdafbeelding, hangt de moleculaire geometrie af van het aantal atomen dat het centrale atoom omringt. Als een paar elektronen echter aanwezig is zonder te delen, zal het de geometrie wijzigen omdat het veel volume in beslag neemt. Daarom oefent het een sterisch effect uit.

Volgens deze kan geometrie een reeks kenmerkende vormen voor vele moleculen presenteren. En dit is waar verschillende soorten moleculaire geometrie of moleculaire structuur ontstaan.

Wanneer is de geometrie gelijk aan de structuur? Beide geven hetzelfde alleen aan in gevallen waarin de structuur niet meer dan één type geometrie heeft; anders moeten alle huidige typen worden beschouwd en moet de structuur een globale naam krijgen (lineair, vertakt, bolvormig, vlak, enz.).

De geometrieën zijn vooral handig om de structuur van een solid uit zijn structurele eenheden te verklaren.

lineair

Alle covalente bindingen zijn directioneel, dus de link A-B is lineair. Maar zal de AB-molecule lineair zijn?₂? Zo ja, dan wordt de geometrie eenvoudig weergegeven als: B-A-B. De twee B-atomen zijn gescheiden door een hoek van 180 ° en volgens de TEV moet A sp-hybride orbitalen hebben.

hoekig

In eerste instantie kan worden aangenomen dat het AB-molecuul een lineaire geometrie heeft₂; het is echter essentieel om de structuur van Lewis te tekenen voordat een conclusie wordt getrokken. Door de structuur van Lewis te tekenen, kan men het aantal paren elektronen identificeren zonder te delen (:) op het atoom van A.

Wanneer dit zo is, duwen ze bovenop de elektronenparen de twee atomen van B naar beneden, en veranderen hun hoeken. Als gevolg daarvan eindigt het lineaire molecuul B-A-B in een V, een boemerang of een hoekgeometrie (bovenste afbeelding)

Het watermolecuul, H-O-H, is het ideale voorbeeld voor dit type geometrie. In het zuurstofatoom zijn er twee paren elektronen zonder te delen, die zijn georiënteerd op een geschatte hoek van 109º.

Waarom deze hoek? Omdat elektronische geometrie tetraeder is, die vier hoekpunten heeft: twee voor H-atomen, en twee voor elektronen. In de bovenstaande afbeelding merk je op dat de groene stippen en de twee "lobben met ogen" een tetraëder tekenen met het blauwachtige punt in het midden.

Als O geen vrije elektronenparen zou hebben, zou water een lineair molecuul vormen, zou zijn polariteit afnemen en zouden oceanen, zeeën, meren, enz. Waarschijnlijk niet bestaan ​​zoals ze bekend zijn.

tetraedrische

Het bovenste beeld vertegenwoordigt de tetraëdrische geometrie. Voor het watermolecuul is de elektronische geometrie tetrahedraal, maar door het elimineren van de elektronenvrije paren valt op dat het wordt omgezet in een hoekgeometrie. Dit wordt ook eenvoudig waargenomen door het elimineren van twee groene stippen; de overige twee tekenen de V met de blauwe stip.

Wat als er in plaats van twee paren gratis elektronen er maar één was? Dan zou er een trigonaal vlak zijn (hoofdafbeelding). Door echter een elektronische groep te elimineren, wordt het sterische effect geproduceerd door het paar vrije elektronen niet vermeden. Daarom vervormt het het trigonale vlak tot een driehoekige basispiramide:

Hoewel de moleculaire geometrie van de trigonale en tetraedrische piramide verschillend is, is de elektronische geometrie hetzelfde: tetraeder. Dus de trigonale piramide telt niet als elektronische geometrie?

Het antwoord is nee, want het is een product van de vervorming veroorzaakt door de "lob met ogen" en het sterische effect ervan, en deze geometrie houdt geen rekening met latere verstoringen..

Om deze reden is het altijd belangrijk om eerst elektronische geometrie te bepalen met behulp van Lewis-structuren voordat de moleculaire geometrie wordt gedefinieerd. Het ammoniakmolecuul, NH₃, is een voorbeeld van trigonale piramide moleculaire geometrie, maar met tetraëdrische elektronische geometrie.

Trigonal Bipyramid

Tot nu toe, met uitzondering van de lineaire geometrie, in de tetrahedrale, de hoekige en de trigonale piramide zijn centrale atomen sp hybridisatie³, volgens de TEV. Dit betekent dat als uw verbindingshoeken experimenteel zijn bepaald, ze ongeveer 109º moeten zijn.

Van trigonale dipiramidal meetkunde, zijn er vijf elektronische groepen rond het centrale atoom. In de bovenste afbeelding zie je met de vijf groene punten; drie in de driehoekige basis, en twee in axiale posities, die de bovenste en onderste hoekpunten van de piramide zijn.

Welke hybridisatie heeft de blauwe stip dan? Het heeft vijf hybride orbitalen nodig om de eenvoudige bindingen te vormen (oranje). Dit wordt bereikt door de vijf sp-orbitalen³d (product van het mengsel van een orbitaal s, drie p en een d).

Wanneer we vijf elektronische groepen beschouwen, is de geometrie degene die al is belicht, maar met paren elektronen zonder te delen, heeft deze opnieuw vervormingen die andere geometrieën genereren. Ook rijst de volgende vraag: kunnen deze paren een positie innemen in de piramide? Dit zijn: de axiale of de equatoriale.

Axiale en equatoriale posities

De groene punten die deel uitmaken van de driehoekige basis zijn in equatoriale posities, terwijl de twee aan de bovenste en onderste uiteinden, in axiale posities. Waar, bij voorkeur, zal het paar elektronen zonder delen gelokaliseerd zijn? In die positie minimaliseert dit elektrostatische afstoting en sterisch effect.

In axiale positie zou het paar elektronen loodrecht (90º) op de driehoekige basis "drukken", terwijl als het in equatoriale positie zou zijn, de twee overblijvende elektronische groepen van de basis 120º uit elkaar zouden zijn en beide uiteinden op 90º zouden drukken (in plaats van drie, zoals bij de basis).

Daarom zal het centrale atoom zijn elektronenvrije paren in de equatoriale posities oriënteren om stabielere moleculaire geometrieën te genereren.

Oscillerende en T-vorm

Als de trigonal bipyramidegeometrie één of meer van zijn atomen zou vervangen door elektronenvrije paren, zou het ook verschillende moleculaire geometrieën hebben.

Links van het bovenste beeld verandert de geometrie in de oscillerende vorm. Daarin duwt het vrije paar elektronen de rest van de vier atomen in dezelfde richting, vouwend hun links naar links. Merk op dat dit paar en twee van de atomen in hetzelfde driehoekige vlak van de originele dipyramide liggen.

En rechts van het beeld, de T-vormige geometrie, deze moleculaire geometrie is het resultaat van het vervangen van twee atomen door twee paren elektronen, wat als gevolg heeft dat de resterende drie atomen in hetzelfde vlak zijn uitgelijnd dat exact één letter tekent T.

Dus voor een molecuul van het type AB₅, het keurt trigonal bipyramidegeometrie goed. AB₄, met dezelfde elektronische geometrie, zal het de oscillerende geometrie aannemen; en AB₃, de T-vormige geometrie, in al deze heeft A (in het algemeen) sp-hybridisatie³d.

Om de moleculaire geometrie te bepalen, is het noodzakelijk om de Lewis-structuur en daarmee de elektronische geometrie ervan te tekenen. Als dit een trigonale bipyramide is, worden de elektronenvrije paren weggegooid, maar niet hun sterische effecten op de rest van de atomen. Het is dus mogelijk om perfect te onderscheiden tussen de drie mogelijke moleculaire geometrieën.

achtkantig

De octaëdrische moleculaire geometrie wordt rechts van het hoofdbeeld weergegeven. Dit type geometrie komt overeen met de AB-verbindingen₆. AB₄ ze vormen de vierkante basis, terwijl de overige twee B in axiale posities zijn gepositioneerd. Er worden dus verschillende gelijkzijdige driehoeken gevormd, de vlakken van de octaëder.

Hier, nogmaals, kan er (zoals in alle elektronische geometrieën) vrije elektronenparen zijn, en daarom zijn andere moleculaire geometrieën hiervan afgeleid. Bijvoorbeeld AB₅ met octaëdrische elektronische geometrie bestaat uit een piramide met vierkante basis, en AB₄ van een vierkant vlak:

In het geval van een octaëdrische elektronische geometrie zijn deze twee moleculaire geometrieën het meest stabiel in termen van elektrostatische afstoting. In vierkant-vlakke geometrie liggen de twee elektronenparen 180 ° uit elkaar.

Wat is de hybridisatie voor atoom A in deze geometrieën (of structuren, als het de enige is)? Nogmaals, de TEV stelt vast dat het sp³d², zes hybride orbitalen, waardoor A elektronische groepen kan oriënteren op de hoekpunten van een octaëder.

Andere moleculaire geometrieën

Door de basen van de tot dusver genoemde piramiden te modificeren, kunnen enkele meer complexe moleculaire geometrieën worden verkregen. De vijfhoekige bipiramide is bijvoorbeeld gebaseerd op een vijfhoek en de verbindingen die deze vormen hebben een algemene formule AB₇.

Net als de andere moleculaire geometrieën zal het substitueren van de B-atomen voor elektronenvrije paren de geometrie vervormen tot andere vormen.

Ook de AB-verbindingen₈ ze kunnen geometrieën aannemen zoals vierkant antiprisma. Sommige geometrieën kunnen erg ingewikkeld zijn, vooral voor AB-formules₇ verder (tot AB₁₂).

Voorbeelden

Vervolgens zal een reeks verbindingen worden genoemd voor elk van de belangrijkste moleculaire geometrieën. Als een oefening zou je de Lewis-structuren voor alle voorbeelden kunnen tekenen en verklaren of je, gezien de elektronische geometrie, de moleculaire geometrieën zoals hieronder vermeld krijgt..

Lineaire geometrie

-Ethyleen, H₂C = CH₂

-Berylliumchloride, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

-Kooldioxide, CO₂ (O = C = O)

-Stikstof, N₂ (N≡N)

-Mercury dibromide, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anion-trijide, I₃^- (I-I-I)

-Waterstofcyanide, HCN (H-N≡C)

De hoeken moeten 180º zijn en daarom sp-hybridisatie hebben.

Hoekige geometrie

-Het water

-Zwaveldioxide, SO₂

-Stikstofdioxide, NO₂

-Ozon, o₃

-Anion amiduro, NH₂^-

Trigonal vliegtuig

-Broomtrifluoride, BF₃

-Aluminiumtrichloride, AlCl₃

-Nitraatanion, NO₃^-

-Anion-carbonaat, CO₃^2-

tetraedrische

-Methaangas, CH₄

-Koolstoftetrachloride, CCI₄

-Kation ammonium, NH₄⁺

-Anion sulfaat, SO₄^2-

Trigonal piramide

-Ammonia, NH₃

-Kation hydronium, H₃O⁺

Trigonal Bipyramid

-Fosfor pentafluoride, PF₅

-Antimony Pentachloride, SbF₅

oscillerende

Zwavel tetrafluoride, SF₄

Vorm van T

-Jodiumtrichloride, ICl₃

-Chloride trifluoride, ClF₃ (beide verbindingen staan ​​bekend als interhalogenen)

achtkantig

-Zwavelhexafluoride, SF₆

-Seleniumhexafluoride, SeF₆

-Hexafluorfosfaat, PF₆^-

Om te culmineren, is moleculaire geometrie wat de observaties van de chemische of fysische eigenschappen van materie verklaart. Het is echter georiënteerd volgens de elektronische geometrie, zodat dit laatste altijd vóór de eerste moet worden bepaald.

referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e druk). CENGAGE Leren, p 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische chemie (Vierde editie., Blz. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Moleculaire geometrie en de VSEPR-theorie. Teruggeplaatst van: nyu.edu
4. Virtuele Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Inleiding tot moleculaire meetkunde. Teruggeplaatst van: chemistry.elmhurst.edu
5. Chemie LibreTexts. (8 september 2016). Geometrie van moleculen. Teruggeplaatst van: chem.libretexts.org