Wprowadzenie do geometrii molekularnej

Trójwymiarowy układ atomów w cząsteczce

Większość zestawów modeli molekularnych zawiera odpowiednie kąty wiązania dla atomów, dzięki czemu można zobaczyć geometrię molekularną cząsteczek podczas ich tworzenia. Grzegorz Tomasiuk / EyeEm / Getty Images

Geometria molekularna lub struktura molekularna to trójwymiarowy układ atomów w cząsteczce. Ważne jest, aby móc przewidzieć i zrozumieć strukturę molekularną cząsteczki, ponieważ wiele właściwości substancji zależy od jej geometrii. Przykłady tych właściwości obejmują polaryzację, magnetyzm, fazę, kolor i reaktywność chemiczną. Geometrię molekularną można również wykorzystać do przewidywania aktywności biologicznej, projektowania leków lub rozszyfrowywania funkcji cząsteczki.

Powłoka Valence, pary wiążące i model VSEPR

Trójwymiarową strukturę cząsteczki określają jej elektrony walencyjne, a nie jądro lub inne elektrony w atomach. Najbardziej zewnętrznymi elektronami atomu są jego elektrony walencyjne . Elektrony walencyjne to elektrony, które są najczęściej zaangażowane w tworzeniu więzi oraz tworzenie cząsteczek .

Pary elektronów są dzielone między atomy w cząsteczce i utrzymują atomy razem. Te pary nazywają się „ łączenie par „.

Jeden sposób na przewidzenie drogi elektrony w atomach odpychają się nawzajem, jest zastosowanie modelu VSEPR (odpychanie par elektronów z powłoką walencyjną). VSEPR może służyć do określenia ogólnej geometrii cząsteczki.

Przewidywanie geometrii molekularnej

Oto wykres, który opisuje zwykłą geometrię cząsteczek w oparciu o ich zachowanie wiązania. Aby użyć tego klucza,pierwsze losowaniepoza Struktura Lewisa dla cząsteczki. Policz, ile par elektronów jest obecnych, w tym oba łączenie par oraz samotne pary . Potraktuj wiązania podwójne i potrójne tak, jakby były parami pojedynczych elektronów. A jest używany do reprezentowania centralnego atomu. B oznacza atomy otaczające A. E oznacza liczbę pojedynczych par elektronów. Kąty wiązania są przewidywane w następującej kolejności:

samotna para kontra samotna para odpychanie > samotna para kontra odpychanie par wiążących > para wiążąca kontra odpychanie par wiązania

Przykład geometrii molekularnej

W cząsteczce o liniowej geometrii molekularnej znajdują się dwie pary elektronów wokół centralnego atomu, 2 pary elektronów wiążących i 0 samotnych par. Idealny kąt wiązania to 180°.

Geometria	Rodzaj	Liczba par elektronów	Idealny kąt wiązania	Przykłady
liniowy	ABdwa	dwa	180°	BeCldwa
trójkątny planarny	AB3	3	120°	BF3
czworościenny	AB4	4	109,5°	CH4
Trygonalny bipiramidalny	AB5	5	90°, 120°	PCl5
ośmiościenny	AB6	6	90°	SF6
zgięty	ABdwaORAZ	3	120° (119°)	WIĘCdwa
trójkątny piramidalny	AB3ORAZ	4	109,5° (107,5°)	NH3
zgięty	ABdwaORAZdwa	4	109,5° (104,5°)	HdwaO
huśtać się	AB4ORAZ	5	180 °, 120 ° (173,1 °, 101,6 °)	SF4
Kształt litery T	AB3ORAZdwa	5	90°,180° (87,5°,<180°)	ClF3
liniowy	ABdwaORAZ3	5	180°	XeFdwa
kwadratowy piramidalny	AB5ORAZ	6	90° (84,8°)	BrF5
Kwadratowy planarny	AB4ORAZdwa	6	90°	XeF4

Izomery w geometrii molekularnej

Cząsteczki o tym samym wzorze chemicznym mogą mieć różnie ułożone atomy. Cząsteczki nazywają się izomery . Izomery mogą mieć bardzo różne właściwości. Istnieją różne rodzaje izomerów:

• Konstytucyjny lub izomery strukturalne mają te same wzory, ale atomy nie są połączone ze sobą tą samą wodą.
• Stereoizomery mają te same wzory, z atomami związanymi w tej samej kolejności, ale grupy atomów obracają się wokół wiązania inaczej, aby uzyskać chiralność lub ręczność. Stereoizomery polaryzują światło w różny sposób. W biochemii mają tendencję do wykazywania różnej aktywności biologicznej.

Eksperymentalne wyznaczanie geometrii molekularnej

Możesz użyć struktur Lewisa do przewidywania geometrii molekularnej, ale najlepiej jest zweryfikować te przewidywania eksperymentalnie. Do obrazowania cząsteczek i poznania ich absorbancji wibracyjnej i obrotowej można zastosować kilka metod analitycznych. Przykłady obejmują krystalografię rentgenowską, dyfrakcję neutronów, spektroskopię w podczerwieni (IR), spektroskopię Ramana, dyfrakcję elektronów i spektroskopię mikrofalową. Najlepsze określenie struktury wykonuje się w niskiej temperaturze, ponieważ podwyższenie temperatury daje cząsteczkom więcej energii, co może prowadzić do zmian konformacyjnych. Geometria molekularna substancji może być różna w zależności od tego, czy próbka jest ciałem stałym, cieczą, gazem czy częścią roztworu.

Kluczowe wnioski dotyczące geometrii molekularnej

• Geometria molekularna opisuje trójwymiarowe rozmieszczenie atomów w cząsteczce.
• Dane, które można uzyskać z geometrii cząsteczki, obejmują względną pozycję każdego atomu, długości wiązań, kąty wiązań i kąty skręcania.
• Przewidywanie geometrii cząsteczki pozwala przewidzieć jej reaktywność, kolor, fazę materii, polaryzację, aktywność biologiczną i magnetyzm.
• Geometrię molekularną można przewidzieć za pomocą struktur VSEPR i Lewisa oraz zweryfikować za pomocą spektroskopii i dyfrakcji.

Bibliografia

• Bawełna, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; Murillo, Carlos A.; Bochmann, Manfred (1999), Zaawansowana Chemia Nieorganiczna (6 wyd.), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5 .
• McMurry, John E. (1992), Chemia organiczna (3rd ed.), Belmont: Wadsworth, ISBN 0-534-16218-5.
• Miessler G.L. i Tarr D.A. Chemia nieorganiczna (wyd. 2, Prentice-Hall 1999), s. 57-58.