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Chimica
Concetto di geometria molecolare, tipi ed esempi

Chimica

Concetto di geometria molecolare, tipi ed esempi

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Enzo De Angelis

IL Geometria molecolare O struttura molecolare È la distribuzione spaziale degli atomi attorno a un atomo centrale. Gli atomi rappresentano regioni in cui esiste un'alta densità elettronica e sono quindi considerati gruppi elettronici, indipendentemente dai collegamenti che si formano (semplici, doppi o tripli).

La geometria molecolare di un elemento può caratterizzare alcune delle sue proprietà fisiche o chimiche (punto di ebollizione, viscosità, densità, ecc.). Ad esempio, la struttura molecolare dell'acqua determina la sua solubilità.

Fonte: Gabriel Bolívar

Questo concetto nasce dalla combinazione e dai dati sperimentali di due teorie: quella del Link Valencia (TEV) e la repulsione delle coppie elettroniche dello strato di Valencia (RPECV). Mentre il primo definisce i collegamenti e i loro angoli, il secondo stabilisce la geometria e, di conseguenza, la struttura molecolare.

Quali forme geometriche sono in grado di adottare molecole? Le due teorie precedenti contribuiscono con le risposte. Secondo l'RPECV, gli atomi e le coppie di elettroni liberi devono essere disposti nello spazio in modo tale che la repulsione elettrostatica tra loro diminuisca al massimo.

Quindi, le forme geometriche non sono arbitrarie, ma cercano il design più stabile. Ad esempio, nell'immagine superiore può essere visto un triangolo a sinistra e a destra un ottaedro. I punti verdi rappresentano gli atomi e le strisce arancioni i collegamenti.

Nel triangolo, i tre punti verdi sono orientati in una separazione di 120º. Questo angolo, che è uguale a quello del collegamento, consente agli atomi di respingersi il più possibile. Pertanto, una molecola con un atomo centrale attaccato ad altri tre adotterà una geometria trigonale piatta.

Tuttavia, l'RPECV prevede che una coppia di elettroni liberi nell'atomo centrale distorcerà la geometria. Nel caso del piano trigonale, questa coppia spingerà verso il basso i tre punti verdi, risultando in una geometria piramidale trigonale.

Lo stesso può accadere anche con l'ottaedro dell'immagine. In tutto ciò che gli atomi sono separati nel modo più stabile possibile.

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Come sapere in anticipo la geometria molecolare di un atomo x?

Per questo, è anche necessario considerare gli elettroni liberi come gruppi elettronici. Questi, insieme agli atomi, definiranno ciò che è noto come il Geometria elettronica, che è un compagno inseparabile della geometria molecolare.

Dalla geometria elettronica e dopo aver rilevato le coppie di elettroni liberi mediante la struttura di Lewis, si può stabilire quale sarà la geometria molecolare. La somma di tutte le geometrie molecolari fornirà uno schizzo della struttura globale.

Tipi di geometria molecolare

Come si può vedere nell'immagine principale, la geometria molecolare dipende da quanti atomi circondano l'atomo centrale. Tuttavia, se un paio di elettroni sono presenti senza condivisione, modificherà la geometria perché occupa molto volume. Pertanto, esercita un effetto sterico.

Secondo questo, la geometria può presentare una serie di forme caratteristiche per molte molecole. Ed è qui che sorgono i diversi tipi di geometria molecolare o struttura molecolare.

Quando la geometria è uguale alla struttura? Entrambi indicano lo stesso solo nei casi in cui la struttura non ha più di un tipo di geometria; Altrimenti, tutti i tipi presenti devono essere considerati e dare alla struttura un nome globale (lineare, ramificato, globulare, piatto, ecc.).

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Le geometrie sono particolarmente utili per spiegare la struttura di un solido dalle sue unità strutturali.

Lineare

Tutti i legami covalenti sono direzionali, quindi il collegamento A-B è lineare. Ma la molecola sarà lineare₂? In tal caso, la geometria è semplicemente rappresentata come: B-A-B. I due atomi B sono separati da un angolo di 180º e secondo il TEV, A deve avere orbitali ibridi.

Angolare

Fonte: Gabriel Bolívar

Una geometria lineare per la molecola AB può essere assunta in prima istanza₂; Tuttavia, è essenziale disegnare la struttura di Lewis prima di raggiungere una conclusione. Disegnato la struttura Lewis, è possibile identificare il numero di coppie di elettroni non comuni (:) sull'atomo di a.

Quando è così, sulle coppie di elettroni i due atomi di B verso il basso, cambiando i loro angoli. Di conseguenza, la molecola lineare B-A-B finisce per diventare una V, un boomerang o una geometria angolare (immagine superiore)

La molecola d'acqua, H-O-H, è l'esempio ideale per questo tipo di geometria. Nell'atomo di ossigeno ci sono due coppie di elettroni senza condivisione che sono orientati ad un angolo approssimativo di 109º.

Perché questo angolo? Perché la geometria elettronica è tetraedrica, che ha quattro vertici: due per atomi H e due per elettroni. Nell'immagine superiore, nota che i punti verdi e i due "lobi con gli occhi" disegnano un tetraedro con il punto bluastro al centro.

Se o non avessero elettroni liberi, l'acqua formarebbe una molecola lineare, la sua polarità diminuirebbe e gli oceani, i mari, i laghi, ecc., Probabilmente non esisterebbero perché si conoscono.

Tetraedrico

Fonte: Gabriel Bolívar

L'immagine superiore rappresenta la geometria tetraedrica. Per la molecola d'acqua, la sua geometria elettronica è tetraedrica, ma eliminando coppie senza elettroni si può notare che si trasforma in una geometria angolare. Questo è anche semplicemente osservato eliminando due punti verdi; I restanti due disegnano la V con il punto blu.

E se al posto di due paia di elettroni liberi ce n'erano solo uno? Poi ci sarebbe un piano trigonale (immagine principale). Tuttavia, eliminando un gruppo elettronico, l'effetto sterico prodotto dalla coppia di elettroni liberi non viene evitato. Pertanto, distorce il piano trigonale a una piramide di base triangolare:

Fonte: Gabriel Bolívar

Sebbene la geometria molecolare trigonale e piramide tetraedrica sia diversa, la geometria elettronica è la stessa: tetraedrico. Quindi la piramide trigonale non conta come geometria elettronica?

La risposta è no, poiché è il prodotto della distorsione causata dal "lobo con gli occhi" e dal suo effetto sterrico.

Per questo motivo, è sempre importante determinare la prima geometria elettronica con l'aiuto delle strutture di Lewis prima di definire la geometria molecolare. La molecola di ammoniaca, NH₃, È un esempio di geometria molecolare piramide trigonale, ma con geometria elettronica tetraedrica.

Bipiramide trigonale

Fonte: Gabriel Bolívar

Fino ad ora, ad eccezione della geometria lineare, nella piramide tetraedrica, angolare e trigonale i loro atomi centrali hanno l'ibridazione SP sp³, Secondo il TEV. Ciò significa che se i suoi angoli di collegamento sono stati determinati sperimentalmente, dovrebbero essere circa 109º.

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Dalla geometria difarmidica trigonale, ci sono cinque gruppi elettronici attorno all'atomo centrale. Nell'immagine superiore puoi vedere con i cinque punti verdi; tre nella base triangolare e due in posizioni assiali, che sono i vertici superiori e inferiori della piramide.

Ciò che l'ibridazione ha quindi il punto blu? Ha bisogno di cinque orbitali ibridi per formare legami semplici (arancioni). Questo lo raggiunge attraverso i cinque orbitali SP³D (Prodotto della miscela di una S orbitale, tre P e una d).

Quando si considera cinque gruppi elettronici, la geometria è già esposta, ma con coppie di elettroni senza condividere, subisce di nuovo distorsioni che generano altre geometrie. Allo stesso modo, sorge la seguente domanda: queste coppie possono occupare qualsiasi posizione della piramide? Questi sono: l'Assiale o l'equatoriale.

Posizioni assiali ed equatoriali

I punti verdi che compongono la base triangolare sono in posizioni equatoriali, mentre i due alle estremità superiore e inferiore, in posizioni assiali. Dove preferirà preferibilmente la coppia di elettroni senza condividere? In quella posizione che diminuisce alla massima repulsione elettrostatica e all'effetto sterico.

In posizione assiale la coppia di elettroni farebbe "pressione" perpendicolare (90º) sulla base triangolare, mentre se fosse in posizione equatoriale, i gruppi elettronici rimanenti della base verrebbero separati e premere le due estremità a 90º (anziché invece di tre, come con la base).

Pertanto, l'atomo centrale cercherà di guidare i suoi pari liberi da elettroni in posizioni equatoriali per generare geometrie molecolari più stabili.

Oscillare e forma di t

Fonte: Gabriel Bolívar

Se uno o più dei suoi atomi liberi da elettroni fossero sostituiti nella geometria bipirramidica trigonale, avrebbero anche diverse geometrie molecolari.

A sinistra dell'immagine superiore, la geometria cambia nella forma oscillante. In esso, la coppia senza elettroni spinge il resto dei quattro atomi verso la stessa direzione, piegando i loro legami a sinistra. Si noti che questa coppia e due atomi si trovano sullo stesso piano triangolare della bipiramide originale.

E a destra dell'immagine, la geometria a forma di t. Questa geometria molecolare è il risultato della sostituzione di due atomi con due coppie di elettroni, risultando che i restanti tre atomi si allineano nello stesso piano che disegna esattamente una lettera t.

Quindi, per una molecola di tipo AB₅, Questo adotta geometria bipiramidale trigonale. Tuttavia, ab₄, Con la stessa geometria elettronica, adotterà una geometria oscillante; e ab₃, Geometria a forma di T. In tutti questi avranno (generalmente) ibridazione SP³D.

Per determinare la geometria molecolare è necessario disegnare la struttura di Lewis e quindi la sua geometria elettronica. Se questa è bipiramide trigonale, le coppie senza elettrone verranno quindi scartate, ma non i loro effetti sterici sul resto degli atomi. Pertanto, può essere perfettamente discernendo tra le tre possibili geometrie molecolari.

Ottaedrico

A destra dell'immagine principale, è rappresentata la geometria molecolare ottaedrica. Questo tipo di geometria corrisponde ai composti AB₆. Ab₄ Formano la base quadrata, mentre le restanti due B si posizionano in posizioni assiali. Pertanto, si formano diversi triangoli equilaterali, che sono i volti dell'ottaedro.

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Qui, ancora una volta, potrebbero esserci (come in tutte le geometrie elettroniche) coppie di elettroni liberi e quindi derivano da questo fatto altre geometrie molecolari. Ad esempio, AB₅ Con geometria elettronica octronistica è costituito da una piramide con base quadrata e AB₄ di un piano quadrato:

Fonte: Gabriel Bolívar

Nel caso della geometria elettronica octronistica, queste due geometrie molecolari sono le più stabili in termini di repulsione elettrostatica. Nella geometria piatta quadrata le due coppie di elettroni sono separate 180º.

Cos'è l'ibridazione per l'atomo in queste geometrie (o strutture, se è l'unica)? Ancora una volta, il TEV stabilisce che è SP³D², Sei orbitali ibridi, che consentono di guidare i gruppi elettronici nei vertici di un ottaedro.

Altre geometrie molecolari

Modifica delle basi delle piramidi menzionate finora, è possibile ottenere alcune geometrie molecolari più complesse. Ad esempio, la bipiramide pentagonale si basa su un Pentagono e i composti che formano la formula generale AB₇.

Come le altre geometrie molecolari, la sostituzione di atomi B con coppie senza elettrone distorcerà la geometria in altre forme.

Inoltre, i composti AB₈ Possono adottare geometrie come l'antiprismo quadrato. Alcune geometrie possono diventare molto complicate, specialmente per le formule AB₇ Da ora in poi₁₂).

Esempi di geometria molecolare

Una serie di composti sarà menzionata di seguito per ciascuna delle principali geometrie molecolari. Come esercizio, le strutture di Lewis potrebbero essere disegnate per tutti gli esempi e certificare se, data la geometria elettronica, si ottengono geometrie molecolari come sono elencate di seguito.

Geometria lineare

-Etilene, h₂CESS₂

-Cloruro di berillio, becl₂ (Cl-be-cl)

-Anidride carbonica, co₂ (O = c = o)

-Azoto, n₂ (N /n)

-Mercury Dibromure, HGBR₂ (BR-HG-BR)

-Triyoduro anion, io₃^-(I-i-i)

-Acido madedric, HCN (H-NESCI)

I suoi angoli devono essere di 180º e quindi avere ibridazione SP.

Geometria angolare

-Acqua

-Biossido di zolfo, quindi₂

-Biossido di azoto, no₂

-Ozono, o₃

-Amiduro anion, NH₂^-