Các loại hình học phân tử và ví dụ

các hình học phân tử o cấu trúc phân tử là sự phân bố không gian của các nguyên tử xung quanh một nguyên tử trung tâm. Các nguyên tử đại diện cho các khu vực có mật độ điện tử cao và do đó được coi là các nhóm điện tử, bất kể các liên kết hình thành (đơn, đôi hoặc ba).

Khái niệm này được sinh ra từ dữ liệu kết hợp và thực nghiệm của hai lý thuyết: liên kết hóa trị (TEV) và lực đẩy của các cặp điện tử của vỏ hóa trị (VSPR). Trong khi cái đầu tiên xác định các liên kết và góc của chúng, thì cái thứ hai thiết lập hình học và do đó, cấu trúc phân tử.

Những hình dạng hình học là các phân tử có khả năng áp dụng? Hai lý thuyết trước cung cấp câu trả lời. Theo VSEPR, các nguyên tử và cặp electron tự do phải được sắp xếp trong không gian theo cách để giảm thiểu lực đẩy tĩnh điện giữa chúng..

Vì vậy, các hình dạng hình học không phải là tùy ý, nhưng tìm kiếm thiết kế ổn định nhất. Ví dụ, trong hình trên, một hình tam giác có thể được nhìn thấy ở bên trái và một hình bát diện ở bên phải. Các chấm màu xanh lá cây đại diện cho các nguyên tử và các sọc màu cam các liên kết.

Trong tam giác, ba điểm màu xanh lá cây được định hướng trong một khoảng cách 120º. Góc này, tương đương với góc của liên kết, cho phép các nguyên tử đẩy nhau càng ít càng tốt. Do đó, một phân tử có nguyên tử trung tâm gắn liền với ba nguyên tử khác sẽ áp dụng hình học mặt phẳng lượng giác.

Tuy nhiên, VSCR dự đoán rằng một cặp electron tự do trong nguyên tử trung tâm sẽ làm biến dạng hình học. Đối với trường hợp mặt phẳng lượng giác, cặp này sẽ đẩy xuống ba điểm màu xanh lá cây, dẫn đến hình dạng kim tự tháp lượng giác.

Điều tương tự cũng có thể xảy ra với khối bát diện của hình ảnh. Trong đó tất cả các nguyên tử được tách ra theo cách ổn định nhất có thể.

Chỉ số

• 1 Làm thế nào để biết trước hình dạng phân tử của nguyên tử X?
• 2 loại
  • 2.1 Tuyến tính
  • 2.2 Góc
  • 2.3 tứ diện
  • 2.4 Kim tự tháp lượng giác
  • 2.5 Nhà thờ
  • 2.6 Hình học phân tử khác
• 3 ví dụ
  • 3.1 Hình học tuyến tính
  • 3.2 Hình học góc
  • 3.3 Kế hoạch lượng giác
  • 3,4 tứ diện
  • 3.5 Kim tự tháp lượng giác
  • Kim tự tháp lượng giác 3,6
  • 3.7 Dao động
  • 3,8 Hình dạng của T
  • 3.9 Nhà thờ
• 4 tài liệu tham khảo

Làm thế nào để biết trước hình dạng phân tử của nguyên tử X?

Đối với điều này, cũng cần phải coi các cặp electron tự do là các nhóm điện tử. Những thứ này, cùng với các nguyên tử, sẽ định nghĩa cái được gọi là hình học điện tử, đó là một người bạn đồng hành không thể tách rời của hình học phân tử.

Từ hình học điện tử, và được phát hiện bởi cấu trúc Lewis các cặp electron tự do, chúng ta có thể thiết lập hình dạng phân tử sẽ là gì. Tổng của tất cả các hình học phân tử sẽ cung cấp một phác thảo về cấu trúc toàn cầu.

Các loại

Như đã thấy trong hình ảnh chính, hình học phân tử phụ thuộc vào số lượng nguyên tử bao quanh nguyên tử trung tâm. Tuy nhiên, nếu một cặp electron có mặt mà không chia sẻ, nó sẽ sửa đổi hình học vì nó chiếm rất nhiều âm lượng. Do đó, nó có tác dụng không gian.

Theo đó, hình học có thể trình bày một loạt các hình dạng đặc trưng cho nhiều phân tử. Và đây là nơi phát sinh các loại hình học phân tử hoặc cấu trúc phân tử khác nhau.

Khi nào hình học bằng cấu trúc? Cả hai chỉ biểu thị giống nhau trong trường hợp cấu trúc không có nhiều hơn một loại hình học; mặt khác, tất cả các loại hiện tại phải được xem xét và cấu trúc được đặt tên toàn cầu (tuyến tính, phân nhánh, hình cầu, phẳng, v.v.).

Hình học đặc biệt hữu ích để giải thích cấu trúc của vật rắn từ các đơn vị cấu trúc của nó.

Tuyến tính

Tất cả các liên kết cộng hóa trị là hướng, vì vậy liên kết A - B là tuyến tính. Nhưng phân tử AB sẽ tuyến tính?₂? Nếu có, hình học được biểu diễn đơn giản là: B-A-B. Hai nguyên tử B cách nhau một góc 180 ° và theo TEV, A phải có quỹ đạo lai sp.

Góc

Nó có thể được giả sử trong trường hợp đầu tiên một hình học tuyến tính cho phân tử AB₂; tuy nhiên, điều cần thiết là vẽ cấu trúc của Lewis trước khi đưa ra kết luận. Vẽ cấu trúc của Lewis, người ta có thể xác định số cặp electron mà không cần chia sẻ (:) trên nguyên tử của A.

Khi điều này là như vậy, trên đầu các cặp electron, chúng đẩy hai nguyên tử B xuống, thay đổi góc của chúng. Kết quả là, phân tử tuyến tính B-A-B cuối cùng trở thành V, boomerang hoặc hình học góc (hình trên cùng)

Phân tử nước, H-O-H, là ví dụ lý tưởng cho loại hình học này. Trong nguyên tử oxy có hai cặp electron mà không chia sẻ được định hướng ở góc xấp xỉ 109º.

Tại sao góc này? Bởi vì hình học điện tử là tứ diện, có bốn đỉnh: hai cho nguyên tử H và hai cho electron. Trong hình trên lưu ý rằng các chấm màu xanh lá cây và hai "thùy có mắt" vẽ một khối tứ diện có điểm hơi xanh ở tâm của nó.

Nếu O không có cặp electron tự do, nước sẽ tạo thành một phân tử tuyến tính, sự phân cực của nó sẽ giảm và đại dương, biển, hồ, v.v., có lẽ sẽ không tồn tại như chúng đã biết.

Tứ diện

Hình trên đại diện cho hình học tứ diện. Đối với phân tử nước, hình học điện tử của nó là tứ diện, nhưng bằng cách loại bỏ các cặp không có electron, có thể nhận thấy rằng nó được chuyển thành hình dạng góc. Điều này cũng được quan sát đơn giản bằng cách loại bỏ hai chấm màu xanh lá cây; hai người còn lại sẽ vẽ chữ V có chấm màu xanh.

Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì hai cặp electron tự do chỉ có một? Sau đó sẽ có một mặt phẳng lượng giác (ảnh chính). Tuy nhiên, bằng cách loại bỏ một nhóm điện tử, không thể tránh được hiệu ứng không gian được tạo ra bởi cặp electron tự do. Do đó, nó làm biến dạng mặt phẳng lượng giác thành một hình chóp đáy hình tam giác:

Mặc dù hình học phân tử hình chóp tam giác và tứ diện là khác nhau, hình học điện tử là như nhau: tứ diện. Vì vậy, kim tự tháp lượng giác không được tính là hình học điện tử?

Câu trả lời là không, vì nó là sản phẩm của sự biến dạng gây ra bởi "thùy có mắt" và hiệu ứng không rõ ràng của nó, và hình học này không tính đến các biến dạng sau này.

Vì lý do này, điều quan trọng đầu tiên là xác định hình học điện tử với sự trợ giúp của các cấu trúc Lewis trước khi xác định hình học phân tử. Phân tử amoniac, NH₃, là một ví dụ về hình học phân tử hình chóp tam giác, nhưng với hình học điện tử tứ diện.

Kim tự tháp lượng giác

Cho đến nay, ngoại trừ hình học tuyến tính, trong tứ diện, hình chóp góc và hình tam giác, các nguyên tử trung tâm của nó có sự lai hóa sp³, theo TEV. Điều này có nghĩa là nếu các góc liên kết của bạn được xác định bằng thực nghiệm, thì chúng phải ở khoảng 109º.

Từ hình học lưỡng cực lượng giác, có năm nhóm điện tử xung quanh nguyên tử trung tâm. Trong hình trên, bạn có thể thấy với năm điểm màu xanh lá cây; ba ở đáy hình tam giác, và hai ở vị trí trục, là đỉnh trên cùng và dưới cùng của kim tự tháp.

Những dấu chấm màu xanh nào có sau đó? Nó cần năm quỹ đạo lai để tạo thành các liên kết đơn giản (màu cam). Điều này đạt được thông qua năm quỹ đạo sp³d (sản phẩm của hỗn hợp quỹ đạo s, ba p và d).

Khi xem xét năm nhóm điện tử, hình học là nhóm đã được phơi bày, nhưng có các cặp electron mà không chia sẻ, nhóm này lại bị biến dạng tạo ra các hình học khác. Ngoài ra, câu hỏi sau đây phát sinh: những cặp này có thể chiếm vị trí nào trong kim tự tháp không? Đó là: trục hoặc xích đạo.

Vị trí trục và xích đạo

Các điểm màu xanh lá cây tạo nên cơ sở hình tam giác nằm ở vị trí xích đạo, trong khi hai điểm ở đầu trên và dưới, ở vị trí trục. Trường hợp nào tốt nhất là cặp electron mà không chia sẻ sẽ được đặt ở đâu? Ở vị trí đó giảm thiểu lực đẩy tĩnh điện và hiệu ứng không gian.

Ở vị trí trục, cặp electron sẽ "ấn" vuông góc (90)) trên đế hình tam giác, trong khi nếu ở vị trí xích đạo, hai nhóm điện tử còn lại của cơ sở sẽ cách nhau 120 độ và nhấn cả hai đầu ở 90 độ (thay vì ba, như với cơ sở).

Do đó, nguyên tử trung tâm sẽ tìm cách định hướng các cặp không có electron ở các vị trí xích đạo để tạo ra các hình học phân tử ổn định hơn.

Dao động và hình chữ T

Nếu hình học lưỡng cực lượng giác là thay thế một hoặc nhiều nguyên tử của nó bằng các cặp không có electron, thì nó cũng sẽ có hình học phân tử khác nhau.

Ở bên trái của hình ảnh trên cùng, hình học thay đổi thành hình dạng dao động. Trong đó, cặp electron tự do đẩy phần còn lại của bốn nguyên tử theo cùng một hướng, gấp các liên kết của chúng sang trái. Lưu ý rằng cặp này và hai trong số các nguyên tử nằm trong cùng một mặt phẳng tam giác của kim tự tháp gốc.

Và ở bên phải của hình ảnh, hình học hình chữ T. Hình học phân tử này là kết quả của việc thay thế hai nguyên tử cho hai cặp electron, dẫn đến kết quả là ba nguyên tử còn lại được xếp thẳng hàng trong cùng một mặt phẳng, vẽ chính xác một chữ cái T.

Vì vậy, đối với một phân tử loại AB₅, nó thông qua hình học bipyramid lượng giác. Tuy nhiên, AB₄, với cùng một hình học điện tử, nó sẽ áp dụng hình học dao động; và AB₃, hình học hình chữ T. Trong tất cả chúng, A sẽ có (lai) sp³d.

Để xác định hình dạng phân tử, cần phải vẽ cấu trúc Lewis và do đó hình học điện tử của nó. Nếu đây là một kim tự tháp ba lượng giác, thì các cặp không có electron sẽ bị loại bỏ, nhưng không ảnh hưởng đến hiệu ứng của chúng đối với các nguyên tử còn lại. Vì vậy, có thể phân biệt hoàn hảo giữa ba hình học phân tử có thể.

Nhà thờ

Hình học phân tử bát diện được thể hiện ở bên phải của hình ảnh chính. Loại hình học này tương ứng với các hợp chất AB₆. AB₄ chúng tạo thành cơ sở hình vuông, trong khi hai B còn lại được đặt ở vị trí trục. Do đó, một số hình tam giác đều được hình thành, đó là các mặt của khối bát diện.

Ở đây, một lần nữa, có thể có (như trong tất cả các hình học điện tử) các cặp electron tự do, và do đó, các hình học phân tử khác xuất phát từ thực tế này. Ví dụ: AB₅ với hình học điện tử bát diện bao gồm một hình chóp có đáy vuông và AB₄ của một mặt phẳng vuông:

Đối với trường hợp hình học điện tử bát diện, hai hình học phân tử này ổn định nhất về lực đẩy tĩnh điện. Trong hình học phẳng vuông, hai cặp electron cách nhau 180 °.

Sự lai tạo cho nguyên tử A trong những hình học này (hoặc cấu trúc, nếu nó là duy nhất) là gì? Một lần nữa, TEV thiết lập rằng đó là sp³d², sáu quỹ đạo lai, cho phép A định hướng các nhóm điện tử ở các đỉnh của khối bát diện.

Hình học phân tử khác

Bằng cách sửa đổi các cơ sở của các kim tự tháp được đề cập cho đến nay, một số hình học phân tử phức tạp hơn có thể thu được. Ví dụ, hình chóp ngũ giác dựa trên hình ngũ giác và các hợp chất tạo thành nó có công thức chung AB₇.

Giống như các dạng hình học phân tử khác, việc thay thế các nguyên tử B cho các cặp không có electron sẽ làm biến dạng hình học thành các dạng khác.

Ngoài ra, các hợp chất AB₈ họ có thể chấp nhận hình học như antiprism vuông. Một số hình học có thể rất phức tạp, đặc biệt đối với các công thức AB₇ trở đi (lên đến AB₁₂).

Ví dụ

Tiếp theo, một loạt các hợp chất sẽ được đề cập cho mỗi hình học phân tử chính. Như một bài tập, bạn có thể vẽ các cấu trúc Lewis cho tất cả các ví dụ và xác nhận nếu, với hình dạng điện tử, bạn có được hình học phân tử như được liệt kê dưới đây..

Hình học tuyến tính

-Ethylene, H₂CCH₂

-Beryllium clorua, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

-Carbon dioxide, CO₂ (O = C = O)

-Nitơ, N₂ (N≡N)

-Dibromide thủy ngân, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anion triiodide, tôi₃^- (Tôi-tôi-tôi)

-Hydro xyanua, HCN (H-N≡C)

Các góc của nó phải là 180 độ, và do đó có phép lai sp.

Hình học góc

-Nước

-Lưu huỳnh đioxit, SO₂

-Nitrogen dioxide, KHÔNG₂

-Ozone, O₃

-Anion Amiduro, NH₂^-

Mặt phẳng lượng giác

-Brom trifluoride, BF₃

-Nhôm trichloride, AlCl₃

-Anion nitrat, KHÔNG₃^-

-Anion cacbonat, CO₃^2-

Tứ diện

-Khí metan, CH₄

-Carbon tetraclorua, CCl₄

-Cation amoni, NH₄⁺

-Anion sunfat, SO₄^2-

Kim tự tháp lượng giác

-Amoniac, NH₃

-Cation hydronium, H₃Ôi⁺

Kim tự tháp lượng giác

-Photpho pentafluoride, PF₅

-Antimon Pentachloride, SbF₅

Dao động

Tetrafluoride lưu huỳnh, SF₄

Hình dạng của T

-Iốt trichloride, ICl₃

-Clifua trifluoride, ClF₃ (cả hai hợp chất được gọi là interhalogens)

Nhà thờ

-Hexafluoride lưu huỳnh, SF₆

-Selenium hexafluoride, SeF₆

-Hexafluorophosphate, PF₆^-

Để đạt đến đỉnh cao, hình học phân tử là những gì giải thích các quan sát về tính chất hóa học hoặc vật lý của vật chất. Tuy nhiên, nó được định hướng theo hình học điện tử, do đó, cái sau phải luôn được xác định trước cái đầu tiên.

Tài liệu tham khảo

1. Whites, Davis, Peck & Stanley. Hóa học (Tái bản lần thứ 8). Học tập CENGAGE, trang 194-198.
2. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa vô cơ (Ấn bản thứ tư., Trang 23, 24, 80, 169). Đồi Mc Graw.
3. Đánh dấu E. Tuckerman. (2011). Hình học phân tử và lý thuyết VSEPR. Lấy từ: nyu.edu
4. Hóa học ảo, Charles E. Ophardt. (2003). Giới thiệu về Hình học phân tử. Lấy từ: chem.elmhurst.edu
5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 8 tháng 9 năm 2016). Hình học của các phân tử. Lấy từ: chem.libretexts.org