Tipi di geometria molecolare ed esempi

il geometria molecolare o struttura molecolareè la distribuzione spaziale degli atomi attorno a un atomo centrale. Gli atomi rappresentano le regioni in cui esiste un'alta densità di elettroni e pertanto vengono considerati i gruppi elettronici, indipendentemente dai collegamenti che formano (singoli, doppi o tripli).

Questo concetto nasce dalla combinazione e dai dati sperimentali di due teorie: quella del legame di valenza (VTE) e quella della repulsione delle coppie elettroniche del guscio di valenza (VSEPR). Mentre il primo definisce i collegamenti e i loro angoli, il secondo stabilisce la geometria e, quindi, la struttura molecolare.

Quali forme geometriche sono molecole in grado di adottare? Le due teorie precedenti forniscono le risposte. Secondo il VSEPR, gli atomi e le coppie di elettroni liberi devono essere disposti nello spazio in modo tale da ridurre al minimo la repulsione elettrostatica tra di loro.

Quindi, le forme geometriche non sono arbitrarie, ma cercano il design più stabile. Ad esempio, nell'immagine in alto si può vedere un triangolo a sinistra e un ottaedro a destra. I punti verdi rappresentano gli atomi e le frange arancioni rappresentano i legami.

Nel triangolo, i tre punti verdi sono orientati in una separazione di 120º. Questo angolo, che è uguale a quello del legame, consente agli atomi di respingersi l'un l'altro il meno possibile. Pertanto, una molecola con un atomo centrale collegato a tre altri adotterà una geometria piana trigonale.

Tuttavia, il VSCR predice che una coppia di elettroni liberi nell'atomo centrale distorce la geometria. Per il caso del piano trigonale, questa coppia spingerà verso il basso i tre punti verdi, risultando in una geometria della piramide trigonale.

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

indice

• 1 Come sapere in anticipo la geometria molecolare di un atomo X?
• 2 tipi
  • 2.1 Lineare
  • 2.2 Angolare
  • 2.3 Tetraedrico
  • 2.4 Bipiramide trigonale
  • 2,5 ottaedrico
  • 2.6 Altre geometrie molecolari
• 3 esempi
  • 3.1 Geometria lineare
  • 3.2 Geometria angolare
  • 3.3 Piano di Trigonal
  • 3.4 Tetraedrico
  • 3.5 Piramide trigonale
  • 3.6 Bipiramide trigonale
  • 3.7 Oscillante
  • 3.8 Forma di T
  • 3.9 ottaedrico
• 4 riferimenti

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

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

Dalla geometria elettronica, e avendo rilevato dalla struttura di Lewis le coppie di elettroni liberi, si può stabilire quale sarà la geometria molecolare. La somma di tutte le geometrie molecolari fornirà una descrizione della struttura globale.

tipo

Come visto nell'immagine principale, la geometria molecolare dipende da quanti atomi circondano l'atomo centrale. Tuttavia, se una coppia di elettroni è presente senza condivisione, modificherà la geometria perché occupa molto volume. Pertanto, esercita un effetto sterico.

In base a ciò, la geometria può presentare una serie di forme caratteristiche per molte molecole. Ed è qui che nascono 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 la struttura ha un nome globale (lineare, ramificato, globulare, piatto, ecc.).

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 AB sarà lineare?₂? Se sì, la geometria viene semplicemente rappresentata come: B-A-B. I due atomi di B sono separati da un angolo di 180 °, e secondo il TEV, A deve avere orbitali ibridi sp.

angolare

Si può assumere in primo luogo una geometria lineare per la molecola AB₂; tuttavia, è essenziale disegnare la struttura di Lewis prima di giungere a una conclusione. Disegnando la struttura di Lewis, si può identificare il numero di coppie di elettroni senza condividere (:) sull'atomo di A.

Quando è così, sopra le coppie di elettroni spingere 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 in alto)

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 orientate con un angolo approssimativo di 109º.

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

Se l'O non avesse coppie di elettroni liberi, l'acqua formerebbe una molecola lineare, la sua polarità diminuirebbe e gli oceani, i mari, i laghi, ecc. Probabilmente non esisterebbero come sono noti.

tetrahedral

L'immagine superiore rappresenta la geometria tetraedrica. Per la molecola d'acqua, la sua geometria elettronica è tetraedrica, ma eliminando le coppie prive di elettroni si può vedere che si trasforma in una geometria angolare. Ciò si osserva anche semplicemente eliminando due punti verdi; i restanti due disegneranno la V con il punto blu.

E se invece di due coppie di elettroni liberi ce ne fosse solo una? Quindi 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 triangolare di base:

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

La risposta è no, poiché è un prodotto della distorsione causata dal "lobo con gli occhi" e dal suo effetto sterico, e questa geometria non tiene conto delle successive distorsioni.

Per questo motivo, è sempre importante determinare prima la 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 a piramide trigonale, ma con geometria elettronica tetraedrica.

Piramide trigonale

Fino ad ora, con l'eccezione della geometria lineare, nella tetraedrica, la piramide angolare e trigonale i suoi atomi centrali hanno ibridazione sp³, secondo il TEV. Ciò significa che se i tuoi angoli di collegamento sono stati determinati sperimentalmente, dovrebbero essere intorno a 109 °.

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

Quale ibridazione ha allora il punto blu? Ha bisogno di cinque orbitali ibridi per formare i semplici legami (arancione). Questo è ottenuto attraverso i cinque orbitali sp³d (prodotto della miscela di un orbitale s, tre p e a d).

Quando si considerano cinque gruppi elettronici, la geometria è quella già esposta, ma avendo coppie di elettroni senza condivisione, questo subisce di nuovo delle distorsioni che generano altre geometrie. Inoltre, sorge la seguente domanda: queste coppie possono occupare qualsiasi posizione nella piramide? Questi sono: l'assiale o l'equatoriale.

Posizioni assiali ed equatoriali

I punti verdi che costituiscono la base triangolare sono in posizione equatoriale, mentre i due all'estremità superiore e inferiore, in posizione assiale. Dove, preferibilmente, si troverà la coppia di elettroni senza condivisione? In quella posizione che minimizza la repulsione elettrostatica e l'effetto sterico.

In posizione assiale la coppia di elettroni sarebbero "pressione" perpendicolare (90) sulla base triangolare, mentre se in posizione equatoriale, i due restanti gruppi elettronici della base sarebbero 120 ° e sarebbe premere le due estremità 90 ° (anziché tre, come con la base).

Pertanto, l'atomo centrale cercherà di orientare le sue coppie prive di elettroni nelle posizioni equatoriali per generare geometrie molecolari più stabili.

Oscillante e a forma di T

Se la geometria della bipiramide trigonale dovesse sostituire uno o più dei suoi atomi con coppie prive di elettroni, avrebbe anche diverse geometrie molecolari.

A sinistra dell'immagine superiore, la geometria cambia in forma oscillante. In esso, la coppia di elettroni liberi spinge il resto dei quattro atomi nella stessa direzione, piegando i loro collegamenti a sinistra. Nota che questa coppia e due degli atomi si trovano nello stesso piano triangolare della dipyramid originale.

E destra dell'immagine, la geometria a forma di T Questa geometria molecolare è il risultato della sostituzione di due atomi da due coppie di elettroni, conseguentemente conseguente rimanenti tre atomi sono allineati sullo stesso piano, formando esattamente una lettera T.

Quindi, per una molecola di tipo AB₅, questo adotta la geometria della bipiramide trigonale. Tuttavia, AB₄con la stessa geometria elettronica, adotterà la geometria oscillante; e AB₃, la geometria a forma di T. In tutti, A avrà l'ibridazione (generalmente) sp³d.

Per determinare la geometria molecolare è necessario disegnare la struttura di Lewis e quindi la sua geometria elettronica. Se questa è una bipiramide trigonale, le coppie libere da elettroni verranno scartate, ma non i loro effetti sterici sul resto degli atomi. Quindi, si può distinguere perfettamente tra le tre possibili geometrie molecolari.

ottaedrico

La geometria molecolare ottaedrica è rappresentata a destra dell'immagine principale. Questo tipo di geometria corrisponde ai composti AB₆. AB₄ formano la base quadrata, mentre i restanti due B sono posizionati in posizioni assiali. Pertanto, si formano diversi triangoli equilateri, che sono le facce dell'ottaedro.

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

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

Qual è l'ibridizzazione per l'atomo A in queste geometrie (o strutture, se è l'unica)? Di nuovo, il TEV stabilisce che è sp³d², sei orbitali ibridi, che consentono ad A di orientare i gruppi elettronici nei vertici di un ottaedro.

Altre geometrie molecolari

Modificando le basi delle piramidi citate finora, si possono ottenere alcune geometrie molecolari più complesse. Ad esempio, la bipiramide pentagonale è basata su un pentagono e i composti che lo compongono hanno una formula generale AB₇.

Come le altre geometrie molecolari, la sostituzione degli atomi di B per coppie prive di elettroni distorce la geometria in altre forme.

Inoltre, i composti AB₈ possono adottare geometrie come l'antiprisma quadrato. Alcune geometrie possono essere molto complicate, specialmente per le formule AB₇ in poi (fino a AB₁₂).

Esempi

Successivamente, una serie di composti sarà menzionata per ciascuna delle principali geometrie molecolari. Come esercizio, puoi disegnare le strutture di Lewis per tutti gli esempi e certificare se, data la geometria elettronica, ottieni le geometrie molecolari elencate di seguito.

Geometria lineare

-Etililene, H₂C≡CH₂

-Cillio di berillio, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

- Diossido di carbonio, CO₂ (O = C = O)

-Nitrogeno, N₂ (N≡N)

- Mercurio bromuro, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anión triyoduro, I₃^- (I-I-I)

-Acido citricoidrico, HCN (H-N≡C)

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

Geometria angolare

-L'acqua

-Solfo diossido, SO₂

-Nossido di azoto, NO₂

-Ozone, O₃

-Anion Amiduro, NH₂^-

Piano trigonale

Trifluoruro di bromo, BF₃

Tricloruro di alluminio, AlCl₃

-Anione nitrato, NO₃^-

-Anione carbonato, CO₃^2-

tetrahedral

-Gas metano, CH₄

-Tetracloruro di carbonio, CCl₄

-Catión amonio, NH₄⁺

-Anion solfato, SO₄^2-

Piramide trigonale

-Ammonia, NH₃

-Cezione idronio, H₃O⁺

Piramide trigonale

-Fosforo fosfato, PF₅

-Pentamina-antimonio, SbF₅

oscillante

Tetrafluoruro di zolfo, SF₄

Forma di T

Tricloruro di iodio, ICl₃

-Clorifluoruro, ClF₃ (entrambi i composti sono noti come interalogeni)

ottaedrico

- Zolfo solforato, SF₆

-Efluoruro di elenio, SeF₆

- esafluorofosfato, PF₆^-

Per culminare, la geometria molecolare è ciò che spiega le osservazioni delle proprietà chimiche o fisiche della materia. Tuttavia, è orientato secondo la geometria elettronica, in modo che quest'ultimo debba sempre essere determinato prima del primo.

riferimenti

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimica. (8 ° ed.). Apprendimento CENGAGE, p 194-198.
2. Shiver e Atkins. (2008). Chimica inorganica (Quarta edizione., Pp. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria molecolare e teoria VSEPR. Estratto da: nyu.edu
4. Chembook virtuale, Charles E. Ophardt. (2003). Introduzione alla geometria molecolare. Estratto da: chemistry.elmhurst.edu
5. Chimica LibreTexts. (8 settembre 2016). Geometria delle molecole. Estratto da: chem.libretexts.org