MOLEKÜLGEOMETRIE: KONZEPT, TYPEN UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die Molekülgeometrie oder Molekülstruktur ist die räumliche Anordnung von Atomen um ein Zentralatom. Atome stellen Regionen dar, in denen eine hohe Elektronendichte vorliegt, und werden daher unabhängig von den Bindungen, die sie bilden (einfach, doppelt oder dreifach), als elektronische Gruppen betrachtet.

Die Molekülgeometrie eines Elements kann einige seiner physikalischen oder chemischen Eigenschaften (Siedepunkt, Viskosität, Dichte usw.) charakterisieren. Beispielsweise bestimmt die Molekülstruktur von Wasser seine Löslichkeit.

Quelle: Gabriel Bolívar

Dieses Konzept ergibt sich aus der Kombination und den experimentellen Daten zweier Theorien: der Valenzbindung (TEV) und der Abstoßung der elektronischen Paare der Valenzschale (RPECV). Während der erste die Bindungen und ihre Winkel definiert, legt der zweite die Geometrie und folglich die Molekülstruktur fest.

Welche geometrischen Formen können Moleküle annehmen? Die beiden vorhergehenden Theorien liefern die Antworten. Laut RPECV müssen die Atome und Paare freier Elektronen so im Raum angeordnet sein, dass die elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen minimiert wird.

Geometrische Formen sind also nicht willkürlich, sondern suchen das stabilste Design. Im obigen Bild sehen Sie beispielsweise links ein Dreieck und rechts ein Oktaeder. Die grünen Punkte repräsentieren die Atome und die orangefarbenen Streifen die Bindungen.

Im Dreieck sind die drei grünen Punkte 120 ° voneinander entfernt. Dieser Winkel, der dem der Bindung entspricht, ermöglicht es den Atomen, sich so wenig wie möglich gegenseitig abzustoßen. Daher nimmt ein Molekül mit einem an drei andere gebundenen Zentralatom eine Geometrie der trigonalen Ebene an.

RPECV sagt jedoch voraus, dass ein freies Elektronenpaar im Zentralatom die Geometrie verzerren wird. Für den Fall der trigonalen Ebene drückt dieses Paar die drei grünen Punkte nach unten, was zu einer trigonalen Pyramidengeometrie führt.

Das gleiche kann auch mit dem Oktaeder im Bild passieren. Darin sind alle Atome möglichst stabil getrennt.

Wie kann man die Molekülgeometrie eines X-Atoms im Voraus kennen?

Dazu ist es auch notwendig, die Paare freier Elektronen als elektronische Gruppen zu betrachten. Diese definieren zusammen mit den Atomen die sogenannte elektronische Geometrie, die ein untrennbarer Begleiter der molekularen Geometrie ist.

Aus der elektronischen Geometrie und nachdem die Paare freier Elektronen mittels der Lewis-Struktur nachgewiesen wurden, ist es möglich, die molekulare Geometrie zu bestimmen. Die Summe aller Molekülgeometrien liefert einen Überblick über die Gesamtstruktur.

Arten der Molekülgeometrie

Wie im Hauptbild zu sehen ist, hängt die Molekülgeometrie davon ab, wie viele Atome das Zentralatom umgeben. Wenn jedoch ein ungeteiltes Elektronenpaar vorhanden ist, ändert sich die Geometrie, da es viel Volumen einnimmt. Daher übt es eine sterische Wirkung aus.

Demnach kann die Geometrie für viele Moleküle eine Reihe charakteristischer Formen aufweisen. Und hier entstehen die verschiedenen Arten der Molekülgeometrie oder Molekülstruktur.

Wann ist Geometrie gleich Struktur? Beide bezeichnen dasselbe nur in Fällen, in denen die Struktur nicht mehr als einen Geometrietyp aufweist. Andernfalls sollten alle vorhandenen Typen berücksichtigt und der Struktur ein globaler Name gegeben werden (linear, verzweigt, kugelförmig, flach usw.).

Geometrien sind besonders nützlich, um die Struktur eines Festkörpers anhand seiner Struktureinheiten zu erklären.

Linear

Alle kovalenten Bindungen sind gerichtet, daher ist die AB-Bindung linear. Aber wird das AB ₂ -Molekül linear sein ? In diesem Fall wird die Geometrie einfach wie folgt dargestellt: BAB. Die beiden B-Atome sind durch einen Winkel von 180º voneinander getrennt, und laut TEV muss A hybride sp-Orbitale haben.

Winkelig

Quelle: Gabriel Bolívar

Für das Molekül AB ₂ kann zunächst eine lineare Geometrie angenommen werden ; Es ist jedoch wichtig, die Lewis-Struktur zu zeichnen, bevor eine Schlussfolgerung gezogen wird. Mit der gezeichneten Lewis-Struktur kann die Anzahl der nicht gemeinsam genutzten Elektronenpaare (:) am A-Atom identifiziert werden.

Wenn dies so ist, drücken die Elektronenpaare oben auf A die beiden Atome von B nach unten und ändern ihre Winkel. Infolgedessen verwandelt sich das lineare BAB-Molekül in ein V, einen Bumerang oder eine Winkelgeometrie (oberes Bild).

Das Wassermolekül HOH ist das ideale Beispiel für diese Art von Geometrie. Im Sauerstoffatom befinden sich zwei Elektronenpaare ohne gemeinsame Nutzung, die in einem Winkel von ungefähr 109 ° ausgerichtet sind.

Warum dieser Winkel? Weil die elektronische Geometrie tetraedrisch ist und vier Eckpunkte hat: zwei für H-Atome und zwei für Elektronen. Beachten Sie im oberen Bild, dass die grünen Punkte und die beiden „Lappen mit Augen“ einen Tetraeder mit dem blauen Punkt in der Mitte zeichnen.

Wenn O keine freien Elektronenpaare hätte, würde das Wasser ein lineares Molekül bilden, seine Polarität würde abnehmen und die Ozeane, Meere, Seen usw. würden wahrscheinlich nicht existieren, wie sie bekannt sind.

Tetraeder

Quelle: Gabriel Bolívar

Das obere Bild zeigt die tetraedrische Geometrie. Für das Wassermolekül ist seine elektronische Geometrie tetraedrisch, aber durch Eliminieren der freien Elektronenpaare kann man sehen, dass es sich in eine Winkelgeometrie umwandelt. Dies wird auch einfach durch Entfernen von zwei grünen Punkten beobachtet; Die verbleibenden zwei zeichnen das V mit dem blauen Punkt.

Was wäre, wenn es anstelle von zwei Paaren freier Elektronen nur eines gäbe? Dann würde eine trigonale Ebene verbleiben (Hauptbild). Durch Entfernen einer elektronischen Gruppe wird jedoch der durch das freie Elektronenpaar erzeugte sterische Effekt nicht vermieden. Daher verzerrt es die trigonale Ebene zu einer Pyramide mit dreieckiger Basis:

Quelle: Gabriel Bolívar

Obwohl die molekulare Geometrie der trigonalen und tetraedrischen Pyramide unterschiedlich ist, ist die elektronische Geometrie dieselbe: tetraedrisch. Die trigonale Pyramide zählt also nicht als elektronische Geometrie?

Die Antwort lautet Nein, da es sich um das Produkt der Verzerrung handelt, die durch den „Lappen mit Augen“ und seine sterische Wirkung verursacht wird, und diese Geometrie berücksichtigt nachfolgende Verzerrungen nicht.

Aus diesem Grund ist es immer wichtig, zuerst die elektronische Geometrie mit Hilfe von Lewis-Strukturen zu bestimmen, bevor die Molekülgeometrie definiert wird. Das Ammoniakmolekül NH ₃ ist ein Beispiel für die Molekülgeometrie der trigonalen Pyramide, jedoch mit tetraedrischer Elektronengeometrie.

Trigonale Bipyramide

Quelle: Gabriel Bolívar

Mit Ausnahme der linearen Geometrie weisen ihre Zentralatome in der tetraedrischen, eckigen und trigonalen Pyramide laut TEV bisher eine sp ³ -Hybridisierung auf. Dies bedeutet, dass wenn ihre Bindungswinkel experimentell bestimmt wurden, sie ungefähr 109º betragen sollten.

Aus der trigonalen dipyramidalen Geometrie ergeben sich fünf elektronische Gruppen um das Zentralatom. Im Bild oben ist es mit den fünf grünen Punkten zu sehen; drei in der dreieckigen Basis und zwei in axialen Positionen, die die oberen und unteren Eckpunkte der Pyramide sind.

Welche Hybridisierung hat der blaue Punkt dann? Es werden fünf Hybridorbitale benötigt, um die Einfachbindungen (orange) zu bilden. Dies wird durch die fünf sp ³ d -Orbitale erreicht (Produkt der Mischung aus einem s-, drei p- und einem d-Orbital).

Wenn man fünf elektronische Gruppen betrachtet, ist die Geometrie diejenige, die bereits freigelegt ist. Da es jedoch Elektronenpaare ohne gemeinsame Nutzung gibt, leidet sie erneut unter Verzerrungen, die andere Geometrien erzeugen. Ebenso stellt sich folgende Frage: Können diese Paare eine beliebige Position in der Pyramide einnehmen? Dies sind: das axiale oder das äquatoriale.

Axiale und äquatoriale Positionen

Die grünen Punkte, aus denen die dreieckige Basis besteht, befinden sich in äquatorialen Positionen, während sich die beiden am oberen und unteren Ende in axialen Positionen befinden. Wo wird sich das ungeteilte Elektronenpaar bevorzugt befinden? In dieser Position, die die elektrostatische Abstoßung und den sterischen Effekt minimiert.

In axialer Position würde das Elektronenpaar senkrecht (90º) auf die dreieckige Basis "drücken", während in der äquatorialen Position die beiden verbleibenden elektronischen Gruppen auf der Basis 120º voneinander entfernt wären und die beiden Enden bei 90º drücken würden (anstelle von drei, wie bei der Basis).

Daher wird das Zentralatom versuchen, seine freien Elektronenpaare an den äquatorialen Positionen auszurichten, um stabilere Molekülgeometrien zu erzeugen.

Oszillierende und T-Form

Quelle: Gabriel Bolívar

Wenn in der trigonalen Bipyramidengeometrie eines oder mehrere seiner Atome durch freie Elektronenpaare ersetzt würden, hätten wir auch unterschiedliche Molekülgeometrien.

Links vom oberen Bild ändert sich die Geometrie in die oszillierende Form. Darin drückt das freie Elektronenpaar den Rest der vier Atome in die gleiche Richtung und biegt ihre Bindungen nach links. Beachten Sie, dass dieses Paar und zwei der Atome in derselben Dreiecksebene der ursprünglichen Bipyramide liegen.

Und rechts im Bild die T-förmige Geometrie. Diese Molekülgeometrie ist das Ergebnis des Ersetzens von zwei Elektronenpaaren durch zwei Atome, was dazu führt, dass sich die drei verbleibenden Atome in derselben Ebene ausrichten, die genau einen Buchstaben zeichnet T.

Dann nimmt es für ein Molekül vom Typ AB ₅ die trigonale Bipyramidengeometrie an. AB ₄ mit derselben elektronischen Geometrie übernimmt jedoch die oszillierende Geometrie. und AB ₃ , die T-förmige Geometrie. In allen von ihnen wird A (im Allgemeinen) eine sp ³ d- Hybridisierung aufweisen .

Um die Molekülgeometrie zu bestimmen, muss die Lewis-Struktur und damit ihre elektronische Geometrie gezeichnet werden. Wenn dies eine trigonale Bipyramide ist, werden die freien Elektronenpaare verworfen, nicht jedoch ihre sterischen Wirkungen auf den Rest der Atome. Somit kann man perfekt zwischen den drei möglichen Molekülgeometrien unterscheiden.

Oktaeder

Die oktaedrische Molekülgeometrie ist rechts vom Hauptbild dargestellt. Diese Art der Geometrie entspricht AB ₆ -Verbindungen . AB ₄ bilden die quadratische Basis, während die verbleibenden zwei B in axialen Positionen positioniert sind. Somit werden mehrere gleichseitige Dreiecke gebildet, die die Flächen des Oktaeders sind.

Auch hier kann es (wie bei allen elektronischen Geometrien) Paare freier Elektronen geben, und daher leiten sich aus dieser Tatsache andere Molekülgeometrien ab. Zum Beispiel besteht AB ₅ mit oktaedrischer Elektronengeometrie aus einer Pyramide mit einer quadratischen Basis und AB ₄ aus einer quadratischen Ebene:

Quelle: Gabriel Bolívar

Für den Fall der oktaedrischen Elektronengeometrie sind diese beiden Molekülgeometrien hinsichtlich der elektrostatischen Abstoßung am stabilsten. In der Geometrie der quadratischen Ebene sind die beiden Elektronenpaare um 180 ° voneinander entfernt.

Was ist die Hybridisierung für Atom A in diesen Geometrien (oder Strukturen, wenn es die einzige ist)? Wiederum gibt das TEV an, dass es sp ³ d ² , sechs Hybridorbitale, sind, die es A ermöglichen, die elektronischen Gruppen an den Eckpunkten eines Oktaeders zu orientieren.

Andere molekulare Geometrien

Durch Modifizieren der Basen der bisher genannten Pyramiden können einige komplexere Molekülgeometrien erhalten werden. Zum Beispiel hat die fünfeckige Bipyramide ein Fünfeck als Basis und die Verbindungen, die sie bilden, haben die allgemeine Formel AB ₇ .

Wie bei den anderen Molekülgeometrien verzerrt das Ersetzen der B-Atome durch freie Elektronenpaare die Geometrie zu anderen Formen.

AB ₈ -Verbindungen können auch Geometrien wie quadratisches Antiprisma annehmen. Einige Geometrien können sehr kompliziert sein, insbesondere für Formeln ab AB ₇ (bis AB ₁₂ ).

Beispiele für molekulare Geometrie

Eine Reihe von Verbindungen wird nachstehend für jede der Hauptmolekulargeometrien erwähnt. Als Übung könnte man die Lewis-Strukturen für alle Beispiele zeichnen und bestätigen, ob angesichts der elektronischen Geometrie die Molekülgeometrien wie unten aufgeführt erhalten werden.

Lineare Geometrie

-Ethylen, H ₂ C≡CH ₂

-Berylliumchlorid, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Kohlendioxid, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

-Mercury Dibromid, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodidanion, I ₃ ^- (III)

-Hydrocyansäure, HCN (HN≡C)

Ihre Winkel müssen 180º betragen und daher eine sp-Hybridisierung aufweisen.

Winkelgeometrie

- Wasser

-Schwefeldioxid, SO ₂

- Stickstoffdioxid, NO ₂

-Ozon, O ₃

-Amidanion, NH ₂ ^-

Trigonale Ebene

-Bromotrifluorid, BF ₃

-Aluminiumtrichlorid, AlCl ₃

-Nitratanion, NO ₃ ^-

-Carbonatanion, CO ₃ ^2–

Tetraeder

-Methangas, CH ₄

-Kohlenstofftetrachlorid, CCl ₄

-Ammoniumkation, NH ₄ ⁺

-Sulfatanion, SO ₄ ^2-

Trigonale Pyramide

-Amonia, NH ₃

-Kation Hydronium, H ₃ O ⁺

Trigonale Bipyramide

-Phosphorpentafluorid, PF ₅

-Antimonpentachlorid, SbF ₅

Schwingen

Schwefeltetrafluorid, SF ₄

T-Form

-Iodtrichlorid, ICl ₃

-Chlortrifluorid, ClF ₃ (beide Verbindungen sind als Interhalogene bekannt)

Oktaeder

-Schwefelhexafluorid, SF ₆

-Seleniumhexafluorid, SeF ₆

-Hexafluorophosphat, PF ₆ ^-

Zusammenfassend erklärt die Molekülgeometrie die Beobachtungen der chemischen oder physikalischen Eigenschaften von Materie. Es ist jedoch nach elektronischer Geometrie ausgerichtet, so dass letztere immer vor ersteren bestimmt werden muss.

Verweise

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