גיאומטריה מולקולרית: מושג, סוגים ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

גאומטריה מולקולרית או מבנה מולקולרי הוא הסידור המרחבי של האטומים סביב האטום המרכזי. האטומים מייצגים אזורים בהם יש צפיפות אלקטרונים גבוהה, ולכן נחשבים לקבוצות אלקטרוניות, ללא קשר לקשרים שהם יוצרים (יחיד, כפול או משולש).

הגיאומטריה המולקולרית של אלמנט יכולה לאפיין חלק מתכונותיו הפיזיות או הכימיות (נקודת רתיחה, צמיגות, צפיפות וכו '). לדוגמא, המבנה המולקולרי של מים קובע את מסיסותם.

מקור: גבריאל בוליבר

מושג זה נובע משילוב ונתונים ניסיוניים של שתי תיאוריות: זו של קשר הערכיות (TEV) ושל ההדחה של הזוגות האלקטרוניים של מעטפת הערכיות (RPECV). בעוד שהראשון מגדיר את הקשרים ואת זוויותיהם, השני קובע את הגיאומטריה וכתוצאה מכך את המבנה המולקולרי.

אילו צורות גיאומטריות הן מולקולות המסוגלות לאמץ? שתי התיאוריות הקודמות מספקות את התשובות. על פי ה- RPECV, יש לסדר את האטומים וזוגות האלקטרונים החופשיים בחלל באופן שיצמצם ככל האפשר את הדחייה האלקטרוסטטית ביניהם.

אז צורות גיאומטריות אינן שרירותיות, אלא מחפשות את העיצוב היציב ביותר. לדוגמה, בתמונה למעלה אתה יכול לראות משולש משמאל, ואוקטאהרון מימין. הנקודות הירוקות מייצגות את האטומים והכתומים מפסלים את הקשרים.

במשולש, שלוש הנקודות הירוקות מכוונות במרחק של 120 מעלות זו מזו. זווית זו, השווה לזו של הקשר, מאפשרת לאטומים להדוף זה את זה כמה שפחות. לכן מולקולה עם אטום מרכזי המחוברת לשלושה אחרים תאמצו גיאומטריה של מישור טריגונאלי.

עם זאת, RPECV צופה כי זוג אלקטרונים חופשיים באטום המרכזי יעוות את הגיאומטריה. במקרה של המישור הטריגונאלי, זוג זה ידחוף את שלוש הנקודות הירוקות כלפי מטה, וכתוצאה מכך גיאומטריה של הפירמידה הטריגונאלית.

אותו דבר יכול לקרות גם עם האוקטאהדרון שבתמונה. בתוכו מופרדים כל האטומים בצורה היציבה ביותר האפשרית.

כיצד לדעת מראש את הגיאומטריה המולקולרית של אטום X?

לשם כך, יש להתייחס גם לזוגות האלקטרונים החופשיים כקבוצות אלקטרוניות. אלה, יחד עם האטומים, יגדירו את מה שמכונה גיאומטריה אלקטרונית, שהיא בן לוויה בלתי נפרד מהגיאומטריה המולקולרית.

מגיאומטריה אלקטרונית, וזאת לאחר שגיליתי את זוגות האלקטרונים החופשיים באמצעות מבנה לואיס, ניתן לקבוע מה תהיה הגיאומטריה המולקולרית. סכום כל הגאומטריות המולקולריות יספק מתווה של המבנה הכולל.

סוגי גיאומטריה מולקולרית

כפי שניתן לראות בתמונה הראשית, גיאומטריה מולקולרית תלויה בכמה האטומים המקיפים את האטום המרכזי. עם זאת, אם קיים זוג אלקטרונים לא משותף, הוא ישנה את הגיאומטריה מכיוון שהוא תופס נפח רב. לכן זה מפעיל השפעה סטרלית.

על פי זה, הגיאומטריה יכולה להציג סדרה של צורות אופייניות למולקולות רבות. וכאן מתעוררים הסוגים השונים של גיאומטריה מולקולרית או מבנה מולקולרי.

מתי הגיאומטריה שווה למבנה? שניהם מציינים את אותו הדבר רק במקרים בהם אין למבנה יותר מסוג גיאומטריה אחד; אחרת יש לקחת בחשבון את כל הסוגים הנוכחים ולהעניק למבנה שם גלובלי (ליניארי, מסועף, כדורי, שטוח וכו ').

גיאומטריות שימושיות במיוחד לצורך הסבר מבנה מוצק מיחידותיו המבניות.

לינארית

כל הקשרים הקוואלנטיים הם כיווניים, ולכן הקשר AB הוא לינארי. אך האם מולקולת AB ₂ תהיה ליניארית ? אם כן, הגיאומטריה מיוצגת בפשטות כ: BAB. שני אטומי B מופרדים בזווית של 180 מעלות, ועל פי TEV, A חייבים להיות סביב אורביטאלי sp.

זוויתי

מקור: גבריאל בוליבר

ניתן להניח בראש ובראשונה גיאומטריה ליניארית עבור המולקולה AB ₂ ; עם זאת, חיוני לשרטט את מבנה לואיס לפני שמגיעים למסקנה. בעזרת מבנה לואיס, ניתן לזהות את מספר זוגות האלקטרונים הלא משותפים (:) באטום A.

כאשר זהו הדבר, זוגות האלקטרונים על גבי A דוחפים את שני אטומי B למטה, ומשנים את זוויותיהם. כתוצאה מכך, מולקולת BAB ליניארית הופכת ל- V, לבומרנג או לגיאומטריה זוויתית (תמונה עליונה)

מולקולת המים, HOH, היא הדוגמא האידיאלית לסוג זה של גיאומטריה. באטום החמצן ישנם שני זוגות אלקטרונים ללא שיתוף אשר מכוונים בזווית של כ 109-.

מדוע זווית זו? מכיוון שגיאומטריה אלקטרונית היא טטרהדראלית, שיש בה ארבעה קודקודים: שניים לאטומי H, ושניים עבור אלקטרונים. בתמונה העליונה, שים לב שהנקודות הירוקות ושתי "האונות עם העיניים" מציירות טטרהדרון שבמרכזו הנקודה הכחולה.

אם ל- O לא היו זוגות אלקטרונים חופשיים, המים היו יוצרים מולקולה ליניארית, הקוטביות שלהם הייתה פוחתת, והאוקיינוסים, הימים, האגמים וכו 'כנראה לא היו קיימים כידוע.

אַרְבָּעוֹן

מקור: גבריאל בוליבר

התמונה העליונה מייצגת את הגיאומטריה הטטרדראלית. עבור מולקולת המים, הגיאומטריה האלקטרונית שלה היא טטרהדראלית, אך כאשר מבטלים את זוגות האלקטרונים החופשיים ניתן לציין שהיא הופכת לגיאומטריה זוויתית. זה נצפה גם פשוט על ידי הסרת שתי נקודות ירוקות; השניים הנותרים יציירו את ה- V עם הנקודה הכחולה.

מה אם במקום שני זוגות אלקטרונים חופשיים היה רק ​​אחד? ואז יישאר מישור טריגונלי (תמונה ראשית). עם זאת, על ידי הסרת קבוצה אלקטרונית, לא נמנעת ההשפעה הסטרטית המיוצרת על ידי זוג האלקטרונים החופשי. לכן הוא מעוות את המישור הטריגונאלי לפירמידה עם בסיס משולש:

מקור: גבריאל בוליבר

למרות שהגיאומטריה המולקולרית הפירמידה הטריגונאלית והטרה-פרדרלית שונה, הגיאומטריה האלקטרונית זהה: הטטרהדראלית. אז הפירמידה הטריגונלית לא נחשבת לגאומטריה אלקטרונית?

התשובה היא לא, מכיוון שהיא תוצר העיוות שנגרם על ידי "האונה עם העיניים" והשפעתו הסטרטית, וגיאומטריה זו אינה מביאה בחשבון את העיוותים הבאים.

מסיבה זו, חשוב תמיד לקבוע תחילה את הגיאומטריה האלקטרונית בעזרת מבני לואיס לפני שמגדירים את הגיאומטריה המולקולרית. מולקולת האמוניה, NH ₃ , היא דוגמא לגיאומטריה מולקולרית של הפירמידה הטריגונלית, אך עם גיאומטריה אלקטרונית טטרהדרלית.

דו-פירמידה טריגונאלית

מקור: גבריאל בוליבר

עד כה, למעט גיאומטריה ליניארית, בפירמידה הטטרהדראלית, הזוויתית והטריגונלית, יש לאטומים המרכזיים שלהם הכלאה sp ³ , על פי TEV. המשמעות היא שאם זוויות הקשר שלהם נקבעו באופן ניסי, הן צריכות להיות סביב 109 מעלות.

מהגיאומטריה הדיפירמלית הטריגונאלית, יש חמש קבוצות אלקטרוניות סביב האטום המרכזי. בתמונה למעלה ניתן לראות אותה עם חמש הנקודות הירוקות; שלוש בבסיס המשולש, ושניים בתנוחות ציריות, שהם הקודקוד העליון והתחתון של הפירמידה.

איזו הכלאה יש לנקודה הכחולה אז? דרוש חמישה אורביטלים היברידיים כדי ליצור את הקשרים הבודדים (כתום). זה מושג באמצעות חמש אורביטאלי sp ³ d (תוצר של תערובת של אחד s, three p ו- d מסלול אחד).

כאשר בוחנים חמש קבוצות אלקטרוניות, הגיאומטריה היא זו שכבר נחשפה, אך מכיוון שיש זוגות אלקטרונים ללא שיתוף, היא שוב סובלת מעיוותים שגיאומטריות אחרות מייצרות. באופן דומה, עולה השאלה הבאה: האם זוגות אלה יכולים לתפוס עמדה כלשהי בפירמידה? אלה הם: הצירי או המשווה.

תנוחות ציריות ומשווניות

הנקודות הירוקות המרכיבות את הבסיס המשולש נמצאות במיקומים משווניים, ואילו השניים בקצוות העליונים והתחתונים נמצאים בתנוחות ציריות. היכן ימוקם עדיפות צמד האלקטרונים הלא-משותף? במצב זה ממזער את ההדחה האלקטרוסטטית והשפעה סטרלית.

במצב צירי, צמד האלקטרונים "ילחץ" בניצב (90 מעלות) על הבסיס המשולש, ואילו אם הוא היה במצב המשווה, שתי הקבוצות האלקטרוניות הנותרות בבסיס היו זו בזו 120 מעלות והיה לוחץ על שני הקצוות ב 90 מעלות (במקום שלוש, כמו עם הבסיס).

לכן האטום המרכזי יבקש לכוון את זוגות האלקטרונים החופשיים שלו בתנוחות המשווניות ליצירת גיאומטריות מולקולריות יציבות יותר.

נדנוד וצורת T

מקור: גבריאל בוליבר

אם בגיאומטריה הביפירמדית הטריגונלית אחד או יותר מהאטומים שלו היו מוחלפים על ידי זוגות אלקטרונים חופשיים, היו לנו גם גיאומטריות מולקולריות שונות.

משמאל לתמונה העליונה, הגיאומטריה משתנה לצורה המתנדנדת. בתוכו, זוג האלקטרונים החופשיים דוחף את שאר ארבעת האטומים לאותו כיוון, מכופף את קשריהם לשמאל. שימו לב כי זוג זה ושני האטומים שוכנים באותו מישור משולש של הדו-המקורי המקורי.

ומימין לתמונה, הגיאומטריה בצורת ה- T.גיאומטריה מולקולרית זו היא תוצאה של החלפת שני אטומים בשני זוגות אלקטרונים, וכתוצאה מכך שלושת האטומים הנותרים מיישרים עצמם באותו מישור ששרטט אות אחת בדיוק ט.

ואז, עבור מולקולה מסוג AB ₅ , היא מאמצת את הגיאומטריה הדו-פירמדית הטריגונאלית. עם זאת, AB ₄ , עם אותה גיאומטריה אלקטרונית, תאמץ את הגיאומטריה המתנדנדת; ו- AB ₃ , הגיאומטריה בצורת ה- T.בכולם צוואה (בדרך כלל) הינה הכלאה ^תלת מימדית .

כדי לקבוע את הגיאומטריה המולקולרית יש לצייר את מבנה לואיס ולכן הגיאומטריה האלקטרונית שלה. אם זהו דו-מימדי טריגונאלי, אזי זוגות האלקטרונים החופשיים יושלכו, אך לא את השפעותיהם הסטרואיות על שאר האטומים. כך ניתן להבחין באופן מושלם בין שלוש הגיאומטריות המולקולריות האפשריות.

אוקטאהדרל

הגיאומטריה המולקולרית של אוקטאהדרל מתוארת מימין לדימוי הראשי. סוג זה של גיאומטריה מתאים לתרכובות AB ₆ . AB ₄ יוצרים את הבסיס המרובע, בעוד ששני ה- B הנותרים ממוקמים בתנוחות ציריות. כך נוצרים מספר משולשים שווה צלעות, שהם הפנים של האוקטאהדרון.

גם כאן יתכנו זוגות של אלקטרונים חופשיים (כמו בכל הגיאומטריות האלקטרוניות), ולכן גיאומטריות מולקולריות אחרות נובעות מעובדה זו. לדוגמא, AB ₅ עם גיאומטריה אלקטרונית של אוקטאהדרל מורכב מפירמידה עם בסיס מרובע, ו- AB ₄ של מישור מרובע:

מקור: גבריאל בוליבר

במקרה של גיאומטריה אלקטרונית של אוקטאהדרל, שתי הגיאומטריות המולקולריות הללו הן היציבות ביותר מבחינת הדחייה אלקטרוסטטית. בגיאומטריה מישורית מרובעת שני זוגות האלקטרונים זה מזה ב- 180 מעלות.

מה ההכלאה לאטום A בגיאומטריות אלה (או במבנים, אם זה היחיד)? שוב, ה- TEV קובע שמדובר בספ ³ ד ² , שישה אורביטלים היברידיים, המאפשרים ל- A לכוון את הקבוצות האלקטרוניות בקודקודי האוקטאהדרון.

גיאומטריות מולקולריות אחרות

על ידי שינוי בסיסי הפירמידות שהוזכרו עד כה, ניתן להשיג כמה גיאומטריות מולקולריות מורכבות יותר. לדוגמא, לביריד המחומש מחומש לבסיסו ולתרכובות היוצרות אותו הנוסחה הכללית AB ₇ .

כמו שאר הגיאומטריות המולקולריות, החלפת אטומי B בזוגות אלקטרונים חופשיים תעוות את הגיאומטריה לצורות אחרות.

כמו כן, תרכובות AB ₈ יכולות לאמץ גיאומטריות כמו אנטי-פריזם מרובע. כמה גיאומטריות יכולות להיות מסובכות מאוד, במיוחד עבור נוסחאות AB ₇ ואילך (עד AB ₁₂ ).

דוגמאות לגיאומטריה מולקולרית

להלן סדרה של תרכובות שתוזכר לכל אחת מהגאומטריות המולקולריות העיקריות. כתרגיל, ניתן היה לצייר את מבני לואיס עבור כל הדוגמאות ולאשר האם, בהתחשב בגיאומטריה האלקטרונית, הגיאומטריות המולקולריות מתקבלות כמפורט להלן.

גיאומטריה לינארית

-אתילן, H ₂ C≡CH ₂

-בריאליום כלוריד, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

פחמן דו חמצני, CO ₂ (O = C = O)

חנקן, N ₂ (N≡N)

דיברומיד מרקורי, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

אניון טריודיד, I ₃ ^- (III)

חומצה הידרוצינית, HCN (HN≡C)

הזוויות שלהם חייבות להיות 180 מעלות, ולכן יש הכלאה SP.

גיאומטריה זוויתית

- מים

דו תחמוצת הגופרית, SO ₂

חנקן דו חמצני, NO ₂

-אזון, O ₃

-מימון אניון, NH ₂ ^-

מטוס טריגונאלי

-Bromo Trifluoride, BF ₃

-טריכלוריד אלומיניום, AlCl ₃

אניון חנקתי, NO ₃ ^-

אניון פחמתי, CO ₃ ^2–

אַרְבָּעוֹן

-מתאן גז, CH ₄

-טטרכלוריד פחמן, CCl ₄

קטיון אמוניום, NH ₄ ⁺

אניון סולפט, SO ₄ ^2-

פירמידה טריגונאלית

-אמוניה, NH ₃

-קטיון הידרוניום, H ₃ O ⁺

דו-פירמידה טריגונאלית

-זרחן פנטפלואוריד, PF ₅

פנטאכלוריד לעדויות, SbF ₅

נִדנוּד

טטראפלואוריד גופרית, SF ₄

צורת T

-יודריכלוריד, כיל ₃

-כלור טריפלואוריד, ClF ₃ (שתי התרכובות ידועות כאינטלוגנים)

אוקטאהדרל

-Hexafluoride גופרית, SF ₆

-סלניום hexafluoride, SeF ₆

-הקספלואורופוספט, PF ₆ ^-

לסיכום, גיאומטריה מולקולרית היא זו שמסבירה את התצפיות על התכונות הכימיות או הפיזיקליות של החומר. עם זאת, הוא מכוון על פי הגיאומטריה האלקטרונית, ולכן יש לקבוע את האחרון לפני הקודם.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '194-198.
2. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (מהדורה רביעית. עמ '23, 24, 80, 169). מק גריי היל.
3. מארק א. טוקרמן. (2011). גיאומטריה מולקולרית ותורת VSEPR. התאושש מ: nyu.edu
4. צ'מברוק הווירטואלי, צ'ארלס א. עופרד. (2003). מבוא לגיאומטריה מולקולרית. התאושש מ: chemistry.elmhurst.edu
5. כימיה LibreTexts. (8 בספטמבר 2016). גיאומטריה של מולקולות. התאושש מ: chem.libretexts.org