MOLECULAIRE GEOMETRIE: CONCEPT, TYPEN EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

De moleculaire geometrie of moleculaire structuur is de ruimtelijke ordening van atomen rond een centraal atoom. Atomen vertegenwoordigen gebieden met een hoge elektronendichtheid en worden daarom als elektronische groepen beschouwd, ongeacht de bindingen die ze vormen (enkel, dubbel of drievoudig).

De moleculaire geometrie van een element kan enkele van zijn fysische of chemische eigenschappen karakteriseren (kookpunt, viscositeit, dichtheid, enz.). De moleculaire structuur van water bepaalt bijvoorbeeld de oplosbaarheid ervan.

Bron: Gabriel Bolívar

Dit concept komt voort uit de combinatie en de experimentele gegevens van twee theorieën: die van de valentiebinding (TEV) en die van de afstoting van de elektronenparen van de valentieschil (RPECV). Terwijl de eerste de bindingen en hun hoeken definieert, bepaalt de tweede de geometrie en bijgevolg de moleculaire structuur.

Welke geometrische vormen kunnen moleculen aannemen? De twee voorgaande theorieën bieden de antwoorden. Volgens RPECV moeten de atomen en paren vrije elektronen zo in de ruimte worden gerangschikt dat de elektrostatische afstoting ertussen tot een minimum wordt beperkt.

Geometrische vormen zijn dus niet willekeurig, maar zoeken eerder het meest stabiele ontwerp. In de afbeelding hierboven zie je bijvoorbeeld een driehoek aan de linkerkant en een octaëder aan de rechterkant. De groene stippen vertegenwoordigen de atomen en de oranje strepen de bindingen.

In de driehoek liggen de drie groene punten 120º uit elkaar. Deze hoek, die gelijk is aan die van de binding, zorgt ervoor dat de atomen elkaar zo min mogelijk afstoten. Daarom zal een molecuul met een centraal atoom dat aan drie andere is bevestigd, een driehoekige vlakke geometrie aannemen.

RPECV voorspelt echter dat een vrij elektronenpaar in het centrale atoom de geometrie zal verstoren. In het geval van het trigonale vlak zal dit paar de drie groene punten naar beneden duwen, wat resulteert in een trigonale piramidegeometrie.

Hetzelfde kan ook gebeuren met de octaëder in de afbeelding. Daarin zijn alle atomen op de meest stabiele manier gescheiden.

Hoe weet je van tevoren de moleculaire geometrie van een X-atoom?

Hiervoor is het ook nodig om de paren vrije elektronen als elektronische groepen te beschouwen. Deze zullen, samen met de atomen, de zogenaamde elektronische geometrie bepalen, die een onafscheidelijke metgezel is van moleculaire geometrie.

Uit elektronische geometrie, en na het detecteren van de paren vrije elektronen met behulp van de Lewis-structuur, is het mogelijk om vast te stellen wat de moleculaire geometrie zal zijn. De som van alle moleculaire geometrieën geeft een overzicht van de algehele structuur.

Soorten moleculaire geometrie

Zoals te zien is in de hoofdafbeelding, hangt moleculaire geometrie af van hoeveel atomen het centrale atoom omringen. Als er echter een ongedeeld paar elektronen aanwezig is, zal het de geometrie wijzigen omdat het veel volume in beslag neemt. Daarom oefent het een sterisch effect uit.

Volgens dit kan de geometrie een reeks karakteristieke vormen voor veel moleculen vertonen. En dit is waar de verschillende soorten moleculaire geometrie of moleculaire structuur ontstaan.

Wanneer is geometrie gelijk aan structuur? Beide duiden alleen hetzelfde aan in gevallen waarin de constructie niet meer dan één type geometrie heeft; anders moeten alle aanwezige typen worden overwogen en moet de structuur een globale naam krijgen (lineair, vertakt, bolvormig, plat, enz.).

Geometrieën zijn vooral handig om de structuur van een vaste stof uit zijn structurele eenheden te verklaren.

Lineair

Alle covalente bindingen zijn directioneel, dus de AB-binding is lineair. Maar zal het AB _2- molecuul lineair zijn ? Als dat het geval is, wordt de geometrie eenvoudig weergegeven als: BAB. De twee B-atomen zijn gescheiden door een hoek van 180º, en volgens TEV moet A hybride sp-orbitalen hebben.

Hoekig

Bron: Gabriel Bolívar

Voor het molecuul AB ₂ kan in eerste instantie worden uitgegaan van een lineaire geometrie ; Het is echter essentieel om de Lewis-structuur te tekenen voordat we tot een conclusie komen. Met de getekende Lewis-structuur kan het aantal niet-gedeelde elektronenparen (:) op het A-atoom worden geïdentificeerd.

Wanneer dit zo is, duwen de elektronenparen bovenop A de twee atomen van B naar beneden en veranderen hun hoeken. Als gevolg hiervan verandert het lineaire BAB-molecuul in een V, een boemerang of een hoekige geometrie (bovenste afbeelding)

Het watermolecuul HOH is het ideale voorbeeld voor dit type geometrie. In het zuurstofatoom bevinden zich twee paar elektronen zonder te delen die onder een hoek van ongeveer 109 ° zijn georiënteerd.

Waarom deze hoek? Omdat elektronische geometrie tetraëdrisch is, die vier hoekpunten heeft: twee voor H-atomen en twee voor elektronen. Merk in de bovenste afbeelding op dat de groene stippen en de twee "lobben met ogen" een tetraëder tekenen met de blauwe stip in het midden.

Als O geen vrije elektronenparen had, zou het water een lineair molecuul vormen, de polariteit zou afnemen en zouden de oceanen, zeeën, meren, enz. Waarschijnlijk niet bestaan ​​zoals ze bekend zijn.

Tetraëder

Bron: Gabriel Bolívar

De bovenste afbeelding vertegenwoordigt tetraëdrische geometrie. Voor het watermolecuul is de elektronische geometrie tetraëdrisch, maar wanneer de vrije elektronenparen worden geëlimineerd, kan worden gezien dat het verandert in een hoekige geometrie. Dit wordt ook eenvoudig gezien door twee groene stippen te verwijderen; de overige twee trekken de V met de blauwe stip.

Wat als er in plaats van twee paar vrije elektronen er maar één was? Dan zou er een trigonaal vlak overblijven (hoofdafbeelding). Door een elektronische groep te verwijderen, wordt het sterische effect dat wordt geproduceerd door het vrije elektronenpaar echter niet vermeden. Daarom vervormt het het trigonale vlak tot een piramide met een driehoekige basis:

Bron: Gabriel Bolívar

Hoewel de trigonale en tetraëdrische piramide moleculaire geometrie verschillend zijn, is de elektronische geometrie hetzelfde: tetraëdrische. Dus de trigonale piramide telt niet als elektronische geometrie?

Het antwoord is nee, aangezien het het product is van de vervorming veroorzaakt door de "lob met ogen" en het sterische effect ervan, en deze geometrie houdt geen rekening met latere vervormingen.

Om deze reden is het altijd belangrijk om eerst de elektronische geometrie te bepalen met behulp van Lewis-structuren voordat de moleculaire geometrie wordt gedefinieerd. Het ammoniakmolecuul, NH ₃ , is een voorbeeld van trigonale piramidemoleculaire geometrie, maar met tetraëdrische elektronengeometrie.

Trigonale bipiramide

Bron: Gabriel Bolívar

Tot nu, behalve lineaire geometrie, in het tetraëdrische, hoekige en trigonaal piramide de centrale atomen sp ³ -hybridisatie volgens TEV. Dit betekent dat als hun bindingshoeken experimenteel werden bepaald, ze ongeveer 109º zouden moeten zijn.

Van de trigonale dipyramidale geometrie zijn er vijf elektronische groepen rond het centrale atoom. In de afbeelding hierboven is het te zien met de vijf groene punten; drie in de driehoekige basis, en twee in axiale posities, die de bovenste en onderste hoekpunten van de piramide zijn.

Welke hybridisatie heeft de blauwe stip dan? Er zijn vijf hybride orbitalen nodig om de enkele bindingen (oranje) te vormen. Dit wordt bereikt door de vijf sp ³ d- orbitalen (product van het mengsel van één s, drie p en één d-orbitaal).

Bij het beschouwen van vijf elektronische groepen is de geometrie degene die al is blootgesteld, maar aangezien er elektronenparen zijn zonder te delen, lijdt het opnieuw aan vervormingen die andere geometrieën genereren. Evenzo rijst de volgende vraag: kunnen deze paren een willekeurige positie in de piramide innemen? Dit zijn: de axiale of de equatoriale.

Axiale en equatoriale posities

De groene punten die de driehoekige basis vormen, bevinden zich in equatoriale posities, terwijl de twee aan de boven- en onderkant zich in axiale posities bevinden. Waar zal het niet-gedeelde elektronenpaar bij voorkeur worden gelokaliseerd? In die positie minimaliseert dat elektrostatische afstoting en sterisch effect.

In axiale positie zou het elektronenpaar loodrecht (90 °) op de driehoekige basis "drukken", terwijl als het in de equatoriale positie zou zijn, de twee resterende elektronische groepen op de basis 120 ° uit elkaar zouden zijn en de twee uiteinden op 90 ° zouden drukken (in plaats van drie, net als bij de basis).

Daarom zal het centrale atoom proberen zijn vrije elektronenparen in de equatoriale posities te oriënteren om stabielere moleculaire geometrieën te genereren.

Oscillerend en T-vorm

Bron: Gabriel Bolívar

Als in de trigonale bipiramidegeometrie een of meer van zijn atomen zouden worden vervangen door vrije elektronenparen, zouden we ook verschillende moleculaire geometrieën hebben.

Links van de bovenste afbeelding verandert de geometrie in de oscillerende vorm. Daarin duwt het vrije paar elektronen de rest van de vier atomen in dezelfde richting en buigt hun bindingen naar links. Merk op dat dit paar en twee van de atomen in hetzelfde driehoekige vlak liggen als de oorspronkelijke bipiramide.

En aan de rechterkant van de afbeelding de T-vormige geometrie. Deze moleculaire geometrie is het resultaat van het vervangen van twee atomen door twee elektronenparen, waardoor de drie overgebleven atomen zichzelf uitlijnen in hetzelfde vlak dat precies één letter tekent. T.

Vervolgens neemt het voor een molecuul van het type AB ₅ de trigonale bipiramide-geometrie aan. AB ₄ , met dezelfde elektronische geometrie, zal echter de oscillerende geometrie aannemen; en AB ₃ , de T-vormige geometrie, waarbij A (in het algemeen) sp ³ d hybridisatie heeft .

Om de moleculaire geometrie te bepalen, is het nodig om de Lewis-structuur en dus de elektronische geometrie te tekenen. Als dit een trigonale bipiramide is, worden de vrije elektronenparen weggegooid, maar niet hun sterische effecten op de rest van de atomen. Zo kan men perfect onderscheid maken tussen de drie mogelijke moleculaire geometrieën.

Achtvlakkig

Octaëdrische moleculaire geometrie wordt rechts van de hoofdafbeelding weergegeven. Dit type geometrie komt overeen met AB _6- verbindingen . AB ₄ vormen de vierkante basis, terwijl de overige twee B's in axiale posities zijn gepositioneerd. Er worden dus verschillende gelijkzijdige driehoeken gevormd, die de vlakken zijn van de octaëder.

Ook hier kunnen er (zoals bij alle elektronische geometrieën) paren vrije elektronen zijn, en daarom zijn er andere moleculaire geometrieën die hieruit voortkomen. AB ₅ met octaëdrische elektrongeometrie bestaat bijvoorbeeld uit een piramide met een vierkante basis en AB ₄ uit een vierkant vlak:

Bron: Gabriel Bolívar

Voor het geval van octaëdrische elektrongeometrie zijn deze twee moleculaire geometrieën het meest stabiel in termen van elektrostatische afstoting. In vierkante vlakgeometrie staan ​​de twee elektronenparen 180 ° uit elkaar.

Wat is de hybridisatie voor atoom A in deze geometrieën (of structuren, als het de enige is)? Nogmaals, de TEV stelt dat het sp ³ d ^{2 is} , zes hybride orbitalen, waardoor A de elektronische groepen kan oriënteren op de hoekpunten van een octaëder.

Andere moleculaire geometrieën

Door de bases van de tot nu toe genoemde piramides te wijzigen, kunnen enkele complexere moleculaire geometrieën worden verkregen. De vijfhoekige bipiramide heeft bijvoorbeeld een vijfhoek als basis en de verbindingen die deze vormen hebben de algemene formule AB ₇ .

Net als de andere moleculaire geometrieën, zal het vervangen van de B-atomen door vrije elektronenparen de geometrie naar andere vormen vervormen.

AB _8- verbindingen kunnen ook geometrieën aannemen zoals vierkant antiprisma. Sommige geometrieën kunnen erg ingewikkeld zijn, vooral voor formules AB ₇ en hoger (tot AB ₁₂ ).

Voorbeelden van moleculaire geometrie

Hieronder wordt een reeks verbindingen genoemd voor elk van de belangrijkste moleculaire geometrieën. Als oefening zou men de Lewis-structuren voor alle voorbeelden kunnen tekenen en verklaren of, gegeven de elektronische geometrie, de moleculaire geometrieën worden verkregen zoals hieronder vermeld.

Lineaire geometrie

-Ethyleen, H ₂ C≡CH ₂

-Berylliumchloride, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Kooldioxide, CO ₂ (O = C = O)

-Stikstof, N ₂ (N≡N)

-Kwikdibromide, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Trijodide-anion, I ₃ ^- (III)

-Hydrocyaanzuur, HCN (HN≡C)

Hun hoeken moeten 180º zijn en daarom sp-hybridisatie hebben.

Hoekige geometrie

- water

-Zwaveldioxide, SO ₂

-Stikstofdioxide, NO ₂

-Ozon, O ₃

-Amide anion, NH ₂ ^-

Trigonaal vlak

-Broomtrifluoride, BF ₃

-Aluminiumtrichloride, AlCl ₃

-Nitraat anion, NO ₃ ^-

-Carbonaatanion, CO ₃ ^2–

Tetraëder

-Methaangas, CH ₄

-Koolstoftetrachloride, CCl ₄

-Ammonium-kation, NH ₄ ⁺

-Sulfaatanion, SO ₄ ^2-

Trigonale piramide

-Amonia, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonale bipiramide

-Fosforpentafluoride, PF ₅

-Antimoon pentachloride, SbF ₅

Oscillerend

Zwaveltetrafluoride, SF ₄

T-vorm

-Jodiumtrichloride, ICl ₃

-Chloortrifluoride, ClF ₃ (beide verbindingen staan ​​bekend als interhalogenen)

Achtvlakkig

-Zwavelhexafluoride, SF ₆

-Seleniumhexafluoride, SeF ₆

-Hexafluorfosfaat, PF ₆ ^-

Concluderend, moleculaire geometrie is wat de waarnemingen van de chemische of fysische eigenschappen van materie verklaart. Het is echter georiënteerd volgens elektronische geometrie, dus de laatste moet altijd vóór de eerste worden bepaald.

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren, p 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde editie, blz. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Moleculaire geometrie en de VSEPR-theorie. Hersteld van: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Inleiding tot moleculaire meetkunde. Hersteld van: chemistry.elmhurst.edu
5. Chemie LibreTexts. (8 september 2016). Geometrie van moleculen. Hersteld van: chem.libretexts.org