Molekulare Geometrietypen und Beispiele

Die molekulare Geometrie o Molekülstrukturist die räumliche Verteilung von Atomen um ein Zentralatom. Atome stellen Regionen dar, in denen eine hohe Elektronendichte vorliegt, und daher werden elektronische Gruppen betrachtet, unabhängig von den Verbindungen, die sie bilden (einfach, doppelt oder dreifach).

Dieses Konzept ist aus den kombinierten und experimentellen Daten zweier Theorien entstanden: der Valenzbindung (VTE) und der Abstoßung der Elektronenpaare der Valenzschale (VSEPR). Während die erste die Verbindungen und ihre Winkel definiert, legt die zweite die Geometrie und damit die molekulare Struktur fest.

Welche geometrischen Formen können Moleküle annehmen? Die beiden vorherigen Theorien liefern die Antworten. Nach dem VSEPR müssen die Atome und Paare freier Elektronen so im Raum angeordnet sein, dass die elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen minimiert wird.

So sind die geometrischen Formen nicht willkürlich, aber sie suchen nach dem stabilsten Entwurf. Zum Beispiel kann im oberen Bild ein Dreieck nach links und ein Oktaeder nach rechts gesehen werden. Die grünen Punkte repräsentieren die Atome und die orangefarbenen Streifen repräsentieren die Bindungen.

Im Dreieck sind die drei grünen Punkte in einem Abstand von 120º orientiert. Dieser Winkel, der dem der Bindung entspricht, erlaubt es den Atomen, sich gegenseitig so wenig wie möglich abzuweisen. Daher wird ein Molekül mit einem Zentralatom, das an drei anderen angehängt ist, eine trigonale Ebenengeometrie annehmen.

Der VSCR sagt jedoch voraus, dass ein Paar freier Elektronen im Zentralatom die Geometrie verzerren wird. Für den Fall der trigonalen Ebene drückt dieses Paar die drei grünen Punkte nach unten, was zu einer trigonalen Pyramidengeometrie führt.

Das Gleiche kann auch mit dem Oktaeder des Bildes geschehen. In ihm sind alle Atome auf möglichst stabile Weise getrennt.

Index

• 1 Wie kann man die Molekülgeometrie eines X-Atoms im Voraus kennen?
• 2 Arten
  • 2.1 linear
  • 2.2 eckig
  • 2.3 tetraedrisch
  • 2.4 trigonales Bipyramid
  • 2,5 Oktaeder
  • 2.6 Andere Molekülgeometrien
• 3 Beispiele
  • 3.1 Lineare Geometrie
  • 3.2 Winkelgeometrie
  • 3.3 Trigonalplan
  • 3.4 tetraedrisch
  • 3.5 Trigonale Pyramide
  • 3,6 trigonale Bipyramide
  • 3.7 Oszillierend
  • 3.8 Form von T
  • 3.9 Oktaeder
• 4 Referenzen

Wie kann man die Molekülgeometrie eines Atoms X im Voraus kennen?

Dazu müssen auch die Paare der freien Elektronen als elektronische Gruppen betrachtet werden. Diese werden zusammen mit den Atomen das definieren, was als das bekannt ist elektronische Geometrie, Das ist der untrennbare Begleiter der molekularen Geometrie.

Aus der elektronischen Geometrie und nachdem man die Paare freier Elektronen durch die Lewis-Struktur nachgewiesen hat, kann man feststellen, wie die molekulare Geometrie sein wird. Die Summe aller molekularen Geometrien liefert einen Überblick über die globale Struktur.

Typen

Wie im Hauptbild zu sehen ist, hängt die molekulare Geometrie davon ab, wie viele Atome das Zentralatom umgeben. Wenn jedoch ein Elektronenpaar vorhanden ist, ohne es zu teilen, wird es die Geometrie modifizieren, da es viel Volumen einnimmt. Daher übt es einen sterischen Effekt aus.

Demnach kann Geometrie für viele Moleküle eine Reihe charakteristischer Formen aufweisen. Und hier entstehen unterschiedliche Arten molekularer Geometrie oder Molekülstruktur.

Wann ist Geometrie gleich Struktur? Beide bezeichnen dasselbe nur in Fällen, in denen die Struktur nicht mehr als einen Geometrietyp aufweist. Andernfalls müssen alle vorhandenen Typen berücksichtigt und die Struktur mit einem globalen Namen (linear, verzweigt, globulär, flach usw.) versehen werden.

Die Geometrien sind besonders nützlich, um die Struktur eines Festkörpers aus seinen Struktureinheiten zu erklären.

Linear

Alle kovalenten Bindungen sind gerichtet, so dass die Verbindung A-B linear ist. Aber wird das AB-Molekül linear sein?₂? Wenn ja, wird die Geometrie einfach wie folgt dargestellt: B-A-B. Die zwei B-Atome sind durch einen Winkel von 180 ° getrennt, und gemäß TEV muss A sp-Hybridorbitale haben.

Eckig

Es kann in erster Linie eine lineare Geometrie für das AB-Molekül angenommen werden₂; Es ist jedoch wichtig, die Struktur von Lewis vor einer Schlussfolgerung zu zeichnen. Durch Zeichnen der Lewis-Struktur kann man die Anzahl der Elektronenpaare identifizieren, ohne sich am Atom von A zu teilen (:).

Wenn dies der Fall ist, schieben die Elektronenpaare die beiden Atome von B nach unten und ändern ihre Winkel. Als Ergebnis wird das lineare Molekül B-A-B zu einem V, einem Bumerang oder einer Winkelgeometrie (oberes Bild)

Das Wassermolekül H-O-H ist das ideale Beispiel für diese Art von Geometrie. Im Sauerstoffatom befinden sich zwei Elektronenpaare, die sich nicht teilen, die in einem Winkel von ungefähr 109º orientiert sind.

Warum dieser Winkel? Weil die elektronische Geometrie tetraedrisch ist, hat sie vier Ecken: zwei für H-Atome und zwei für Elektronen. Im Bild oben sehen Sie, dass die grünen Punkte und die zwei "Lappen mit Augen" ein Tetraeder mit dem bläulichen Punkt in seiner Mitte zeichnen.

Wenn das O keine freien Elektronenpaare hätte, würde das Wasser ein lineares Molekül bilden, seine Polarität würde abnehmen und die Ozeane, Meere, Seen usw. würden wahrscheinlich nicht existieren, wie sie bekannt sind.

Tetraedrisch

Das obere Bild repräsentiert die tetraedrische Geometrie. Für das Wassermolekül ist seine elektronische Geometrie tetraedrisch, aber durch Eliminierung der elektronenfreien Paare kann man sehen, dass es in eine Winkelgeometrie umgewandelt wird. Dies wird auch einfach beobachtet, indem zwei grüne Punkte eliminiert werden; Die restlichen zwei zeichnen das V mit dem blauen Punkt.

Was wäre, wenn statt zwei Paaren von freien Elektronen nur eins wäre? Dann würde es eine trigonale Ebene (Hauptbild) geben. Durch Eliminierung einer elektronischen Gruppe wird jedoch der durch das Paar freier Elektronen erzeugte sterische Effekt nicht vermieden. Daher verzerrt es die trigonale Ebene zu einer dreieckigen Basispyramide:

Obwohl die molekulare Geometrie der trigonalen und tetraedrischen Pyramide unterschiedlich ist, ist die elektronische Geometrie dieselbe: tetraedrisch. Also zählt die trigonale Pyramide nicht als elektronische Geometrie?

Die Antwort ist nein, da es ein Produkt der Verzerrung ist, die durch den "Lappen mit den Augen" und seiner sterischen Wirkung verursacht wird, und diese Geometrie berücksichtigt spätere Verzerrungen nicht.

Aus diesem Grund ist es immer wichtig, zuerst die elektronische Geometrie mit Hilfe von Lewis-Strukturen zu bestimmen, bevor man die molekulare Geometrie definiert. Das Ammoniakmolekül, NH₃, ist ein Beispiel für die trigonale Pyramidenmolekülgeometrie, aber mit tetraedrischer elektronischer Geometrie.

Trigonale Pyramide

Bis jetzt, mit Ausnahme der linearen Geometrie, haben die Zentralatome in der tetraedrischen, der eckigen und der trigonalen Pyramide eine sp-Hybridisierung³, nach dem TEV. Dies bedeutet, dass wenn Ihre Verbindungswinkel experimentell bestimmt wurden, sie bei etwa 109º liegen sollten.

Von der trigonalen dipiramidalen Geometrie gibt es fünf elektronische Gruppen um das Zentralatom herum. Im oberen Bild sehen Sie mit den fünf grünen Punkten; drei in der dreieckigen Basis und zwei in axialen Positionen, die die oberen und unteren Eckpunkte der Pyramide sind.

Welche Hybridisierung hat der blaue Punkt dann? Es benötigt fünf Hybridorbitale, um die einfachen Bindungen (orange) zu bilden. Dies wird durch die fünf sp-Orbitale erreicht³d (Produkt der Mischung eines Orbits s, drei p und a d).

Wenn man fünf elektronische Gruppen betrachtet, ist die Geometrie diejenige, die bereits exponiert ist, aber mit Elektronenpaaren, die nicht geteilt werden, leidet diese wiederum an Verzerrungen, die andere Geometrien erzeugen. Außerdem stellt sich folgende Frage: Können diese Paare irgendeine Position in der Pyramide einnehmen? Diese sind: der axiale oder der äquatoriale.

Axiale und äquatoriale Positionen

Die grünen Punkte, die die dreieckige Basis bilden, sind in äquatorialen Positionen, während die beiden am oberen und unteren Ende in axialen Positionen sind. Wo wird das Elektronenpaar, das sich nicht teilt, vorzugsweise lokalisiert? In dieser Position minimieren sich elektrostatische Abstoßung und sterische Wirkung.

In axialer Position würde das Elektronenpaar senkrecht (90º) auf der dreieckigen Basis "drücken", während, wenn es in äquatorialer Position wäre, die zwei verbleibenden elektronischen Gruppen der Basis 120º voneinander entfernt wären und beide Enden auf 90º (statt drei, wie mit der Basis).

Daher wird das Zentralatom versuchen, seine elektronenfreien Paare in äquatorialen Positionen auszurichten, um stabilere molekulare Geometrien zu erzeugen.

Oszillierende und T-Form

Wenn die trigonal-bipyramidale Geometrie eines oder mehrere ihrer Atome durch elektronenfreie Paare ersetzen würde, hätte sie auch andere molekulare Geometrien.

Links vom oberen Bild ändert sich die Geometrie in die oszillierende Form. In ihm drückt das freie Elektronenpaar den Rest der vier Atome in die gleiche Richtung und faltet ihre Links nach links. Beachten Sie, dass dieses Paar und zwei der Atome in der gleichen dreieckigen Ebene der ursprünglichen Dipyramide liegen.

Rechts vom Bild die T-förmige Geometrie: Diese Molekülgeometrie ist das Ergebnis der Substitution von zwei Elektronenpaaren durch zwei Atome, was zur Folge hat, dass die drei verbleibenden Atome in derselben Ebene ausgerichtet sind, die genau einen Buchstaben enthält T.

Also für ein Molekül vom Typ AB₅, nimmt dies trigonale bipyramidale Geometrie an. AB₄, mit der gleichen elektronischen Geometrie, wird die oszillierende Geometrie übernehmen; und AB₃die T-förmige Geometrie.In allen von ihnen wird A (allgemein) eine sp-Hybridisierung haben³d.

Um die molekulare Geometrie zu bestimmen, ist es notwendig, die Lewis-Struktur und damit ihre elektronische Geometrie zu zeichnen. Wenn es sich um eine trigonale Bipyramide handelt, werden die elektronenfreien Paare verworfen, nicht aber ihre sterischen Effekte auf die übrigen Atome. Somit kann man perfekt zwischen den drei möglichen Molekülgeometrien unterscheiden.

Oktaedrisch

Die oktaedrische Molekülgeometrie ist rechts vom Hauptbild dargestellt. Diese Art von Geometrie entspricht den AB-Verbindungen₆. AB₄ sie bilden die quadratische Basis, während die verbleibenden zwei B in axialen Positionen positioniert sind. So werden mehrere gleichseitige Dreiecke gebildet, die die Flächen des Oktaeders sind.

Auch hier kann es (wie bei allen elektronischen Geometrien) freie Elektronenpaare geben, und daher ergeben sich andere molekulare Geometrien aus dieser Tatsache. Zum Beispiel, AB₅ mit oktaedrischen elektronischen Geometrie besteht aus einer Pyramide mit einer quadratischen Basis und AB₄ einer quadratischen Ebene:

Für den Fall der oktaedrischen elektronischen Geometrie sind diese beiden Molekülgeometrien hinsichtlich der elektrostatischen Abstoßung am stabilsten. In quadratisch-planarer Geometrie sind die beiden Elektronenpaare um 180 ° voneinander getrennt.

Was ist die Hybridisierung für Atom A in diesen Geometrien (oder Strukturen, wenn es die einzige ist)? Wieder stellt der TEV fest, dass es sp ist³d², sechs Hybridorbitale, die A erlauben, die elektronischen Gruppen in den Ecken eines Oktaeders zu orientieren.

Andere Molekülgeometrien

Durch Modifizieren der Basen der Pyramiden, die bisher erwähnt wurden, können einige komplexere Molekülgeometrien erhalten werden. Zum Beispiel basiert die pentagonale Bipyramide auf einem Fünfeck und die Verbindungen, die es bilden, haben eine allgemeine Formel AB₇.

Wie bei den anderen Molekülgeometrien wird die Substitution von B-Atomen für elektronenfreie Paare die Geometrie zu anderen Formen verzerren.

Auch die AB-Verbindungen₈ sie können Geometrien wie quadratisches Antiprisma annehmen. Einige Geometrien können besonders für AB-Formeln sehr kompliziert sein₇ weiter (bis AB₁₂).

Beispiele

Als nächstes wird eine Reihe von Verbindungen für jede der Hauptmolekülgeometrien erwähnt. Als Übung können Sie die Lewis-Strukturen für alle Beispiele zeichnen und bestätigen, dass Sie die molekularen Geometrien, wie unten aufgeführt, erhalten.

Lineare Geometrie

-Ethylen, H₂CCH₂

-Cyllium von Beryllium, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

-Karbondioxid, CO₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N.₂ (N≡N)

- Quecksilberbromid, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anión triyoduro, ich₃^- (I-I-I)

Cyanwasserstoffsäure, HCN (H-N = C)

Seine Winkel müssen 180º betragen und haben daher eine sp-Hybridisierung.

Winkelgeometrie

-Das Wasser

Schwefeldioxid, SO₂

- Stickstoffdioxid, NEIN₂

-Ozon, O.₃

-Anion Amiduro, NH₂^-

Trigonale Ebene

Bromtrifluorid, BF₃

Aluminiumtrichlorid, AlCl₃

-Anionnitrat, NEIN₃^-

-Anioncarbonat, CO₃^2-

Tetraedrisch

-Gasmethan, CH₄

-Kohlenstofftetrachlorid, CCl₄

-Catión Amonio, NH₄⁺

- Anionensulfat, SO₄^2-

Trigonale Pyramide

- Ammoniak, NH₃

-Kation Hydronium, H₃O⁺

Trigonale Pyramide

-Phosphatphosphor, PF₅

-Pentamin-Antimon, SbF₅

Oszillierend

Schwefeltetrafluorid, SF₄

Form von T

Jodtrichlorid, ICl₃

-Chlorifluorid, ClF₃ (Beide Verbindungen sind als Interhalogene bekannt)

Oktaedrisch

-Hex Schwefel Schwefel, SF₆

-Heleniumhexafluorid, SeF₆

-Hexafluorophosphat, PF₆^-

Um zu kulminieren, erklärt die molekulare Geometrie die Beobachtungen der chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Materie. Es orientiert sich jedoch an der elektronischen Geometrie, so dass diese immer vor der ersten bestimmt werden muss.

Referenzen

1. Whitten, Davis, Peck und Stanley. Chemie (8. Ausgabe). CENGE Learning, S. 194-198.
2. Zittern und Atkins. (2008). Anorganische Chemie (Vierte Ausgabe, S. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Molekülgeometrie und die VSEPR-Theorie. Von: nyu.edu
4. Virtueller Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Einführung in die molekulare Geometrie. Von: chemie.elmhurst.edu
5. Chemie LibreTexte. (8. September 2016). Geometrie von Molekülen. Von: chem.libretexts.org