MOLEKULARNA GEOMETRIJA: POJAM, VRSTE I PRIMJERI - KEMIJA - 2026

Molekularna geometrija ili molekularna struktura je prostorni raspored atoma oko centralnog atoma. Atomi predstavljaju regije u kojima postoji velika gustoća elektrona, pa se stoga smatraju elektronskim skupinama, bez obzira na veze koje formiraju (jednostruke, dvostruke ili trostruke).

Molekularna geometrija elementa može karakterizirati neka njegova fizička ili kemijska svojstva (vrelište, viskoznost, gustoća itd.). Na primjer, molekularna struktura vode određuje njegovu topljivost.

Izvor: Gabriel Bolívar

Ovaj koncept proizlazi iz kombinacije i eksperimentalnih podataka dviju teorija: valencijske veze (TEV) i odbijanja elektronskih parova valentne ljuske (RPECV). Dok prvi definira veze i njihove kutove, drugi uspostavlja geometriju i, posljedično, molekularnu strukturu.

Koje su geometrijske oblike molekule sposobne usvojiti? Dvije prethodne teorije daju odgovore. Prema RPECV-u, atomi i parovi slobodnih elektrona moraju biti raspoređeni u prostoru na takav način da minimaliziraju elektrostatičko odbijanje između njih.

Dakle, geometrijski oblici nisu proizvoljni, već traže najstabilniji dizajn. Na primjer, na slici iznad možete vidjeti trokut s lijeve strane i oktaedar s desne strane. Zelene točkice predstavljaju atome, a narančaste pruge veze.

U trokutu su tri zelene točke orijentirane na udaljenosti od 120 °. Ovaj kut, koji je jednak onoj veze, omogućuje atomima da se odbacuju jedni druge što je manje moguće. Stoga će molekula sa središnjim atomom vezanom za tri druga usvojiti geometriju trigonske ravnine.

Međutim, RPECV predviđa da će slobodni par elektrona u središnjem atomu iskriviti geometriju. U slučaju trigonalne ravnine, ovaj par će gurnuti prema dolje tri zelene točke, što rezultira geometrijom trigonalne piramide.

Isto se može dogoditi i s oktaedrom na slici. U njemu su svi atomi odvojeni na najstabilniji mogući način.

Kako unaprijed znati molekularnu geometriju X-atoma?

Za to je potrebno i parove slobodnih elektrona smatrati elektronskim skupinama. Oni će zajedno s atomima definirati ono što je poznato kao elektronička geometrija, a koja je nerazdvojni pratitelj molekularne geometrije.

Iz elektroničke geometrije i otkrivanjem parova slobodnih elektrona pomoću Lewisove strukture moguće je utvrditi koja će biti molekularna geometrija. Zbroj svih molekularnih geometrija pružit će obris cjelokupne strukture.

Vrste molekularne geometrije

Kao što se može vidjeti na glavnoj slici, molekularna geometrija ovisi o tome koliko atoma okružuje središnji atom. Međutim, ako je prisutan neobrijani par elektrona, on će izmijeniti geometriju jer zauzima puno volumena. Stoga djeluje sterično.

Prema ovome, geometrija može predstaviti niz karakterističnih oblika za mnoge molekule. Tu nastaju različite vrste molekularne geometrije ili molekularne strukture.

Kada je geometrija jednaka strukturi? Oboje označavaju isto samo u slučajevima kada struktura nema više vrsta geometrije; inače treba uzeti u obzir sve prisutne tipove i strukturu dati globalno ime (linearna, razgranata, kuglasta, ravna itd.).

Geometrije su posebno korisne za objašnjenje strukture čvrste tvari iz njezinih strukturnih jedinica.

linearan

Sve kovalentne veze su usmjerene, pa je veza AB linearna. No, hoće li molekula AB ₂ biti linearna ? Ako je to slučaj, geometrija je prikazana jednostavno kao: BAB. Dva atoma B odvojena su pod kutom od 180º, a prema TEV-u A mora imati hibridne sp orbitale.

Kutni

Izvor: Gabriel Bolívar

Linearni geometrije može se pretpostaviti u prvom stupnju za molekulu AB ₂; međutim, prije donošenja zaključka bitno je izvući Lewisovu strukturu. S nacrtanom Lewisovom strukturom može se identificirati broj neobrijanih parova elektrona (:) na A atomu.

Kad je to tako, parovi elektrona na vrhu A guraju dva atoma B prema dolje, mijenjajući svoje kutove. Kao rezultat, linearna BAB molekula završava pretvarajući se u V, bumerang ili kutnu geometriju (gornja slika)

Molekula vode, HOH, idealan je primjer za ovu vrstu geometrije. U atomu kisika postoje dva para elektrona bez dijeljenja koji su orijentirani pod kutom od približno 109 °.

Zašto ovaj kut? Jer elektronička je geometrija tetraedarska, koja ima četiri vrha: dvije za H atome, a dvije za elektrone. Na gornjoj slici imajte na umu da zelene točke i dvije "režnjevi s očima" crtaju tetraedar sa plavom točkom u središtu.

Da O nije imao slobodnih parova elektrona, voda bi formirala linearnu molekulu, polaritet bi se smanjivao, a oceani, mora, jezera itd. Vjerojatno ne bi postojali onako kako su poznati.

Tetraedar

Izvor: Gabriel Bolívar

Gornja slika predstavlja tetraedarsku geometriju. Za molekulu vode njegova je elektronska geometrija tetraedarska, ali pri uklanjanju slobodnih parova elektrona može se primijetiti da se transformira u kutnu geometriju. To se opaža i jednostavnim uklanjanjem dvije zelene točkice; preostala dva nacrtat će V plavom točkom.

Što ako je umjesto dva para slobodnih elektrona postojao samo jedan? Tada bi ostala trigonalna ravnina (glavna slika). Međutim, uklanjanjem elektroničke skupine, ne izbjegava se sterski učinak koji stvara par slobodnih elektrona. Stoga iskrivljuje trigonalnu ravninu do piramide s trokutastom osnovom:

Izvor: Gabriel Bolívar

Iako su molekularne geometrije trigonalne i tetraedarske piramide različite, elektronička je geometrija ista: tetraedarska. Dakle, trigonalna piramida se ne računa kao elektronička geometrija?

Odgovor je ne, jer je to produkt izobličenja uzrokovanog "repom s očima" i njegovim sterickim učinkom, a ova geometrija ne uzima u obzir naknadne izobličenja.

Iz tog razloga, uvijek je važno najprije odrediti elektroničku geometriju uz pomoć Lewisovih struktura prije nego što se definira molekularna geometrija. Molekula amonijak, NH ₃, primjer trostranih piramide molekularne geometrije, ali s elektronskim tetrahedralnog geometrija.

Trigonalna bipiramida

Izvor: Gabriel Bolívar

Do sada, osim linearne geometrije tetrahedralnih, kutne i trokutasti piramida njihove središnje atoma imaju sp ³ hibridizacije, po TEV. To znači da ako su njihovi kutovi veze određeni eksperimentalno, trebali bi biti oko 109 °.

Iz trigonalne dipiramidne geometrije, pet je elektronskih skupina oko središnjeg atoma. Na slici iznad vidi se s pet zelenih točaka; tri u trokutastoj bazi i dva u aksijalnom položaju, a to su gornji i donji vrhovi piramide.

Kakvu hibridizaciju onda ima plava točka? Potrebno je pet hibridnih orbitala da formiraju jednostruke veze (narančaste). To se postiže kroz pet sp ³ d orbitala (produkt mješavine jedne s, tri p i jedne d orbitale).

Kada se razmatra pet elektroničkih skupina, geometrija je ona koja je već izložena, ali budući da postoje parovi elektrona bez dijeljenja, opet trpe izobličenja koja stvaraju druge geometrije. Isto tako, postavlja se sljedeće pitanje: mogu li ti parovi zauzeti bilo koji položaj u piramidi? To su: aksijalni ili ekvatorijalni.

Aksijalni i ekvatorijalni položaji

Zelene točke koje čine trokutastu bazu nalaze se u ekvatorijalnim položajima, dok su dvije na gornjem i donjem kraju u aksijalnom položaju. Gdje će se preferirati neosnovani par elektrona? U tom položaju koji minimizira elektrostatičko odbijanje i stericki efekt.

U aksijalnom položaju, par elektrona bi "trošio" okomito (90 °) na trokutastu bazu, dok bi, kad bi bili u ekvatorijalnom položaju, dvije preostale elektroničke skupine na bazi bile bi međusobno udaljene 120 ° i pritiskale bi dva kraja na 90 ° (umjesto tri, kao s bazom).

Stoga će središnji atom pokušati orijentirati svoje slobodne parove elektrona u ekvatorijalne položaje kako bi stvorio stabilnije molekularne geometrije.

Oscilirajući i T oblik

Izvor: Gabriel Bolívar

Ako bi u trigonalnoj bipiramidnoj geometriji jedan ili više njegovih atoma zamijenili slobodnim parovima elektrona, imali bismo i različite molekularne geometrije.

Lijevo od gornje slike geometrija se mijenja u oscilirajući oblik. U njemu slobodni par elektrona gura ostale četiri atoma u istom smjeru savijajući svoje veze lijevo. Napominjemo da ovaj par i dva atoma leže u istoj trokutastoj ravnini izvorne bipiramide.

I desno od slike, geometrija u obliku slova T. Ova molekularna geometrija rezultat je zamjene dva atoma za dva para elektrona, što rezultira tako da se tri preostala atoma poravnaju u istoj ravnini koja crta točno jedno slovo T.

Zatim za molekulu tipa AB ₅ usvaja geometriju trigonalne bipiramide. Međutim, AB ₄, s istom elektroničkom geometrijom, usvojit će oscilirajuću geometriju; i AB ₃, T-oblika geometrije, u svima njima A se (obično) imaju sp ³ d hibridizacije.

Za određivanje molekularne geometrije potrebno je nacrtati Lewisovu strukturu i samim tim njezinu elektroničku geometriju. Ako je ovo trigonalna bipiramida, tada će se slobodni parovi elektrona odbaciti, ali ne i njihovi stericki učinci na ostale atome. Tako se može savršeno razabrati između tri moguće molekularne geometrije.

oktaedarski

Oktaedrska molekularna geometrija prikazana je desno od glavne slike. Ova vrsta geometrije odgovara spojevima AB ₆. AB ₄ čine kvadratnu bazu, dok su preostala dva B postavljena u aksijalnim položajima. Tako nastaje nekoliko jednakostraničnih trokuta koji su lica oktaedra.

I ovdje se mogu (kao u svim elektronskim geometrijama) nalaziti parovi slobodnih elektrona, i stoga iz te činjenice proizlaze druge molekularne geometrije. Na primjer, AB ₅ s oktaedarskom geometrijom elektrona sastoji se od piramide s kvadratnom bazom, a AB ₄ od kvadratne ravnine:

Izvor: Gabriel Bolívar

U slučaju oktaedarske geometrije elektrona, ove dvije molekularne geometrije su najstabilnije u pogledu elektrostatičkog odbijanja. U geometriji kvadratne ravnine dva para elektrona su međusobno udaljena 180º.

Koja je hibridizacija za atom A u tim geometrijama (ili strukturama, ako je jedini)? Ponovno, TEV navodi da je sp ³ d ², šest hibridnih orbitala, koji omogućuju A da orijentira elektroničke grupe na vrhovima oktaedra.

Ostale molekularne geometrije

Promjenom do sada spomenutih baza piramida mogu se dobiti neke složenije molekularne geometrije. Na primjer, peterokutni bipiramid ima pentagon za svoju bazu, a spojevi koji ga tvore imaju opću formulu AB ₇.

Kao i druge molekularne geometrije, zamjena B atoma slobodnim parovima elektrona će iskriviti geometriju drugim oblicima.

Također, spojevi AB ₈ mogu usvojiti geometrije poput kvadratnog antipristipa. Neke geometrije mogu biti vrlo složene, posebno za formule AB ₇ nadalje (do AB ₁₂).

Primjeri molekularne geometrije

Niže će spojevi biti spomenuti u nastavku za svaku od glavnih molekularnih geometrija. Kao vježba može se nacrtati Lewisova struktura za sve primjere i potvrditi je li dobivena molekularna geometrija, s obzirom na elektroničku geometriju, kako je dolje navedeno.

Linearna geometrija

-Etilen, H ₂ C = CH ₂

-Beryllium klorid BeCl ₂ (Ci-BeCl)

-Ugljični dioksid, CO ₂ (O = C = O)

Dusik, N ₂ (N≡N)

-Životni dibromid, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodid anion, I ₃ ^- (III)

-Hidrocijanska kiselina, HCN (HN≡C)

Njihovi kutovi moraju biti 180 °, i stoga imaju sp hibridizaciju.

Kutna geometrija

- voda

-Sulfur dioksid, SO ₂

Dusik dioksid, NO ₂

-Ozone, O ₃

Kiseline anion, NH ₂ ^-

Trigonalna ravnina

-Bromo trifluorid, BF ₃

-Aluminum triklorid, ALCL ₃

-Nitratni anion, NO ₃ ^-

-Karbonatni anion, CO ₃ ^2–

Tetraedar

-Metan plin, CH ₄

Ugljik tetraklorid, CCl ₄

-Amonij kation, NH ₄ ⁺

-Sulfatni anion, SO ₄ ^2-

Trigonalna piramida

-Amonia, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonalna bipiramida

-Fosfor pentafluorid, PF ₅

-Atimonov pentaklorid, SbF ₅

oscilirajući

Tetrafluorid sumpora, SF ₄

T oblika

-Iodine triklorid, ICl ₃

-Hlorin trifluorid, ClF ₃ (oba spoja su poznata kao interhalogeni)

oktaedarski

-Sumporni heksafluorid, SF ₆

-Selenij heksafluorid, SeF ₆

-Heksafluorofosfat, PF ₆ ^-

Zaključno, molekularna geometrija je ono što objašnjava opažanja kemijskih ili fizikalnih svojstava materije. Međutim, orijentiran je prema elektroničkoj geometriji, tako da se ovaj mora uvijek utvrđivati ​​prije prvog.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck i Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje., Str. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekularna geometrija i VSEPR teorija. Oporavak od: nyu.edu
4. Virtualni Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Uvod u molekularnu geometriju. Oporavak od: chemistry.elmhurst.edu
5. Kemija LibreTexts. (8. rujna 2016.). Geometrija molekula. Oporavak od: chem.libretexts.org