14 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как определить геометрическую форму молекулы

Геометрические формы молекул

Когда говорят о формах молекул, прежде всего имеют в виду взаимное расположение в пространстве ядер атомов. О форме молекулы имеет смысл говорить, когда молекула состоит из трех и более атомов (два ядра всегда находятся на одной прямой). Форма молекул определяется на основе теории отталкивания валентных (внешних) электронных пар. Согласно этой теории молекула всегда будет принимать форму, при которой отталкивание внешних электронных пар минимально (принцип минимума энергии). При этом необходимо иметь в виду следующие утверждения теории отталкивания.

1. Наибольшее отталкивание претерпевают неподеленные электронные пары. 2. Несколько меньше отталкивание между неподеленной парой и парой, участвующей в образовании связи.

3. Наименьшее отталкивание между электронными парами, участвующими в образовании связи. Но и этого бывает недостаточно, чтобы развести ядра атомов, участвующих в образовании химических связей, на максимальный угол.

В качестве примера рассмотрим формы водородных соединений элементов второго периода: BeH2, BH3, CH4, C2H4, C2H2, NH3, H2O. Начнем с определения формы молекулы BeH2. Изобразим ее электронную формулу: H:Be:H,

из которой ясно, что в молекуле отсутствуют неподеленные электронные пары. Следовательно, для электронных пар, связывающих атомы, есть возможность оттолкнуться на максимальное расстояние, при котором все три атома находятся на одной прямой, т.е. угол HBeH составляет 180°. Молекула BH3 состоит из четырех атомов. Согласно ее электронной формуле в ней отсутствуют неподеленные пары электронов:

Молекула приобретет такую форму, при которой расстояние между всеми связями максимально, а угол между ними равен 120°. Все четыре атома окажутся в одной плоскости – молекула плоская:

Электронная формула молекулы метана выглядит следующим образом:

Все атомы данной молекулы не могут оказаться в одной плоскости. В таком случае угол между связями равнялся бы 90°. Есть более оптимальное (с энергетической точки зрения) размещение атомов – тетраэдрическое. Угол между связями в этом случае равен 109°28′. Электронная формула этена имеет вид:

Естественно, все углы между химическими связями принимают максимальное значение – 120°. Очевидно, что в молекуле ацетилена все атомы должны находиться на одной прямой:

H:C. C:H

Отличие молекулы аммиака NH3 от всех предшествующих состоит в наличии в ней неподеленной пары электронов у атома азота:

Как уже указывалось, от неподеленной электронной пары более сильно отталкиваются электронные пары, участвующие в образовании связи. Неподеленная пара располагается симметрично относительно атомов водорода в молекуле аммиака:

Угол HNH меньше, чем угол HCH в молекуле метана (вследствие более сильного электронного отталкивания). В молекуле воды неподеленных пар уже две:

Этим обусловлена уголковая форма молекулы:

Как следствие более сильного отталкивания неподеленных электронных пар, угол HOH еще меньше, чем угол HNH в молекуле аммиака. Приведенные примеры достаточно наглядно демонстрируют возможности теории отталкивания валентных электронных пар. Она позволяет сравнительно легко предсказывать формы многих как неорганических, так и органических молекул.

Задачи и упражнения

1. Используя приведенные данные привести структурные формулы кислотных остатков для следующих кислот: серная кислота H2SO4, соли – сульфаты, степень окисления серы +6; тритионовая кислота H2S3O6, соли – тритионаты, степень окисления серы +6,-2.

Помните, что химические связи в структурной формуле обозначаются черточками, их число равно валентности элемента в данном химическом соединении.

Решение: Формальные структуры

Молекулярная геометрия — Molecular geometry

Молекулярная геометрия является трехмерное расположение атомов , составляющих молекулу . Она включает в себя общую форму молекулы, а также длины связей , углы между связями, торсионные углы и любые другие геометрические параметры которые определяют положение каждого атома.

Молекулярная геометрия влияет на некоторые свойства вещества , в том числе его реакционной способности , полярности , фазы материи , цвета , магнетизма и биологической активности . Углы между связями , что атом образует слабо зависят от остальной части молекулы, то есть они могут быть поняты как приблизительно местные и , следовательно , передаваемые свойства .

содержание

определение

Молекулярная геометрия может быть определена различными методами спектроскопии и дифракции методами. ИК , СВЧ — и спектроскопии комбинационного рассеяния света может дать информацию о геометрии молекулы из деталей колебательного и вращательного поглощения , обнаруженного этими методами. Рентгеновская кристаллография , нейтронная дифракция и дифракция электронов могут дать молекулярную структуру для кристаллических твердых веществ на основе расстояния между ядрами и концентрацией электронной плотности. Газ дифракция электронов может быть использована для малых молекул в газовой фазе. ЯМР и FRET методы могут быть использованы для определения дополнительной информации , включающих в относительных расстояниях, двугранные углами, углов и соединений. Молекулярные геометрии лучше всего определяется при низкой температуре , так как при более высоких температурах молекулярной структура усредняется по более доступным геометриям (смотрите следующий раздел). Более крупные молекулы часто существуют в нескольких устойчивых геометрических формах ( конформация ), которые близки по энергии на поверхности потенциальной энергии . Геометрий также может быть вычислена с помощью неэмпирических квантово — химических методов с высокой точностью. Молекулярная геометрия может быть различной в виде твердого вещества в растворе, а также в виде газа.

Читать еще:  В чем заключается транзитная роль россии

Положение каждого атома определяется характером химических связей , с помощью которого он соединен с соседними атомами. Молекулярная геометрия может быть описана позициями этих атомов в пространстве, вызывая длины связей двух соединенных атомов, валентные углы трех соединенных атомов, и торсионные углы ( двугранные углов ) три последовательных связей.

Влияние теплового возбуждения

Поскольку движение атомов в молекуле определяется квантовой механикой, нужно определить «движение» в квантовом механическом способе. Целом (внешний) квантово — механические движения перевод и вращение едва ли изменить геометрию молекулы. (В каком — то повороте степени влияет на геометрию с помощью силы Кориолиса и центробежного искажения , но это ничтожно мало для настоящего обсуждения.) В дополнении к переводу и повороту, третий типом движения является молекулярной вибрацией , которая соответствует внутренним движениям атомов таких в связи растяжения и изменение угла связи. Молекулярные колебания гармоники (по крайней мере в хорошее приближение), а атомы колеблются около своих положений равновесия, даже при абсолютном нуле температуры. При абсолютном нуле все атомы находятся в колебательном состоянии и показать нулевой точки квантово — механическое движение , так что волновая функция одного колебательной моды не острый пик, но экспоненциального конечной ширины (волновой функции для п = 0 , изображенной в статья о квантовом гармоническом осцилляторе ). При более высоких температурах колебательных моды могут быть термически возбуждены (в классической интерпретации один выражает это, о том , что «молекула будет вибрировать быстрее»), но они колеблются еще вокруг распознаваемой геометрии молекулы.

Для того, чтобы получить ощущение вероятности того, что вибрация молекулы могут быть термически возбуждены, мы проверить коэффициент Больцмана , где есть энергия возбуждения колебательной моды, на постоянной Больцмана и абсолютной температуры. При 298 К (25 ° С), типичные значения для коэффициента р Больцмана являются: β = 0,089 для E = 500 см -1 ; β = 0,008 для E = 1000 см -1 ; β = 7 × 10 -4 для E = 1500 см -1 . (Взаимный сантиметр это единица энергии , которая обычно используется в инфракрасной спектроскопии ; 1 см -1 соответствует 1.23984 × 10 -4 эВ). Когда энергия возбуждения составляет 500 см -1 , то около 8,9 процента молекул являются термически возбужденным при комнатной температуре. Чтобы поместить это в перспективе: самый низкий возбуждения колебательной энергии в воде является режим изгиба (около 1600 см -1 ). Таким образом, при комнатной температуре менее 0,07 процентов всех молекул данного количества воды будут вибрировать быстрее , чем при абсолютном нуле. β ≡ ехр ⁡ ( — Δ Е К T ) < Displaystyle бета эквив ехр влево (- < гидроразрыва < Delta E><кТ>> справа)> Δ Е < Displaystyle Delta E> К < Displaystyle к> T < Displaystyle Т>

Как указывалось выше, вращение почти не влияет на молекулярную геометрию. Но, как квантово — механическое движение, он термически возбуждается при относительно (по сравнению с вибрацией) низкие температуры. С классической точки зрения можно утверждать , что при более высоких температурах больше молекул будет вращаться быстрее, что означает , что они имеют более высокую угловую скорость и момент импульса . В квантово — механическом языке: больше собственных состояний высших углового момента стали термически заселена с повышением температуры. Типичная энергия вращательного возбуждения находится на порядка нескольких см -1 . Результаты многих экспериментов спектроскопических расширяются , поскольку они включают усреднение по вращательным состояниям. Часто бывает трудно извлечь из геометрии спектров при высоких температурах, так как число вращательных состояний исследовало в экспериментальной усреднении возрастает с ростом температуры. Таким образом, многие спектроскопические наблюдения можно ожидать только с получением надежных геометрии молекул при температурах , близких к абсолютному нулю, так как при более высоких температурах слишком много высших вращательных состояний термически заселены.

Склеивание

Молекулы, по определению, наиболее часто проводится совместно с ковалентными связями с участием одно-, двух-, и / или тройных связей, где «связь» представляет собой общую пару электронов (другой способ связи между атомами называется ионной связи и включает в себя положительный катион и отрицательный анион ).

Молекулярные геометрии могут быть определены в терминах длин связей , валентных углов и торсионных углов . Длина связи определяются как среднее расстояние между ядрами двух атомов , соединенных вместе в любой данной молекуле. Угол связь представляет собой угол , образованный между тремя атомами по меньшей мере двух связей. В течение четырех атомов , соединенных друг с другом в цепи, торсионный угол представляет собой угол между плоскостью , образованной первыми тремя атомами и плоскостью , образованной последних трех атомов.

Там существует математическое соотношение между валентными углами для одного центрального атома и четыре периферийных атомов (меченного с 1 по 4) выражаются следующим определителем. Это ограничение устраняет одну степень свободы от выборов (первоначально) шесть свободных валентных углов , чтобы оставить только пять выбор валентных углов. (Обратите внимание , что углы , , и всегда равен нуль , и что эти отношения могут быть модифицированы для различного числа периферических атомов пути расширения / сжатий квадратной матрицы.) θ 11 < Displaystyle тета _ <11>> θ 22 < Displaystyle тета _ <22>> θ 33 < Displaystyle тета _ <33>> θ 44 < Displaystyle тета _ <44>>

0 знак равно | соз ⁡ θ 11 соз ⁡ θ 12 соз ⁡ θ 13 соз ⁡ θ 14 соз ⁡ θ 21 соз ⁡ θ 22 соз ⁡ θ 23 соз ⁡ θ 24 соз ⁡ θ 31 соз ⁡ θ 32 соз ⁡ θ 33 соз ⁡ θ 34 соз ⁡ θ 41 соз ⁡ θ 42 соз ⁡ θ 43 соз ⁡ θ 44 | < Displaystyle 0 = < BEGIN соз тета _ <11>& соз тета _ <12>& соз тета _ <13>& соз тета _ <14>\ соз тета _ <21>& соз тета _ <22>& соз тета _ <23>& соз тета _ <24>\ соз тета _ <31>& соз тета _ < 32>& соз тета _ <33>& соз тета _ <34>\ соз тета _ <41>& соз тета _ <42>& соз тета _ <43>& соз тета _ <44> конец >>

Читать еще:  Можно ли запускать игры PS3 на PS4

Молекулярная геометрия определяется квантово — механического поведения электронов. Используя приближение валентной связи этого можно понять , по типу связей между атомами , которые составляют молекулу. Когда атомы взаимодействуют с образованием химической связи , атомные орбитали каждого атома , как говорят , объединить в процессе , называемом гибридизация орбиталей . Два наиболее распространенные типов облигаций являются сигма связи ( как правило , образованной гибридными орбиталями) и пи — связи (образованной негибридизированным р — орбиталями для атомов основных элементов группы ). Геометрия также можно понять теории молекулярных орбиталей , где электроны делокализованы.

Понимание волнообразного поведения электронов в атомах и молекулах является предметом квантовой химии .

Изомеры

Изомеры являются типами молекул , которые разделяют химическую формулу , но имеют различные геометрические формы, что приводит к различным свойствам:

  • Чистое вещество состоит только из одного типа изомера молекулы (все имеют одинаковую геометрическую структуру).
  • Структурные изомеры имеют одинаковую химическую формулу , но различные физические механизмы, часто образуют альтернативные молекулярные геометрии с очень разными свойствами. Атомы не соединены (соединено) вместе в одних и тех же порядках.
    • Функциональные изомеры специальные виды структурных изомеров, где определенные группы атомов проявляют особый вид поведения, таком как простой эфир или спирт.
  • Стереоизомеры могут иметь много аналогичных физико — химических свойств (температура плавления, температура кипения) и в то же время очень разные биохимические деятельности. Это потому , что они проявляют беспристрастность , которые обычно встречаются в живых системах. Одним из проявлений этой хиральности или хиральности является то , что они обладают способностью вращать поляризованный свет в разных направлениях.
  • Белок складывания относится к сложной геометрии и различные изомеры , которые белки могут принимать.

Виды молекулярной структуры

Угол связи геометрический угол между двумя соседними связями. Некоторые распространенные формы простых молекул включают:

  • Линейный : В линейной модели, атомы соединены по прямой линии. Углы облигаций устанавливаютсяуглом 180 °. Такнапример, двуокись углерода и окись азота имеют линейную молекулярную форму.
  • Тригональные планарные : Молекулы с тригональной плоской формы, несколько треугольной формы и в одном из плоскости (плоские) . Следовательно, углы связи устанавливаютсяуглом 120 °. Такнапример, трифторид бора .
  • Угловой : Угловые молекулы (также называемый согнуто или V-образный ) имеет нелинейную форму. Например, вода (Н 2 О), который имеет угол около 105 °. Молекула воды имеет две пары скрепленных электронов и две пары неразделенные одиночки.
  • Тетраэдрический :тетра- означает четыре, и -hedral относится к поверхности твердого тела, так« тетраэдрический » буквально означает «имеющие четыре лица». Эта форма встречаетсякогда есть четыре связей все на одном центральном атом , без какихлибо дополнительных неподелённых электронных пар. В соответствии с VSEPR (валентной оболочка электронной пара теории отталкивания), углами связи между электронными связями являются агссозом (-1/3) = 109,47 °. Например, метан (СН 4 ) представляет собой тетраэдрической молекулы.
  • Восьмигранная :Окта- означает восемь, и -hedral относится к поверхности твердого тела, так« октаэдрической » означает «имеющий восемь граней». Угол связи составляет 90 градусов. Такнапример, гексафторид серы (SF 6 ) представляет собой молекулу октаэдрической.
  • Тригональные пирамидальный : тригональная молекула пирамидальная имеет пирамидальную форму с треугольным основанием. В отличии от линейного и плоских треугольных формно похож на тетраэдрическую ориентацию, пирамидальные формы требуют три измерения для тогочтобы полностью отделить электроны. Здесь есть только три пары связанных электронов, оставляя одну неразделенную одну пару. Неподеленная пара — отталкивание пара облигаций изменить угол связи с тетраэдрическим угла к немногонизкому значению. Такнапример, аммиака (NH 3 ).

VSEPR стол

Углы связей в приведенной ниже таблице являются идеальными углами от простой теории VSEPR , а затем фактическим углом для примера , приведенного в следующем столбце , где это отличается. Для многих случаев, такие как тригональные пирамидальные и согнуты, фактический угол для примера отличается от идеального угла, и примеры отличаются различными количествами. Так , например, угол в H 2 S (92 °) отличается от тетраэдрического угла намного больше , чем угол для H 2 O (104,48 °) делает.

Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Данный урок поможет вам получить представление о теме «Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации». Будет раскрыт универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода. Вы узнаете о зависимости геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей и свойств веществ от геометрии молекул.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации

на примере молекул с одинарными связями

1. Основное и возбужденное состояние атома углерода

Внешний уровень атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии описывается формулой 2s 2 2p 2 или схемой:

Читать еще:  Как повысить работоспособность и умственную активность

В этом строении заложены предпосылки для своеобразной симметрии – для четырех электронов имеются как раз 4 орбитали. Еще в середине XIX века немецкий ученый Фридрих Кекуле справедливо предположил, что в органических соединениях валентность углерода равна четырем.

С точки зрения электронного строения атома это можно объяснить так:

Один электрон с 2s-орбитали «перескакивает» на 2p-орбиталь, атом углерода при этом переходит в так называемое возбужденное состояние:

Возбужденное состояние атома углерода 2s 1 2p 3 :

позволяет атому углерода образовать 4 ковалентные связи по обменному механизму.

2. Гибридизация

Три p-орбитали традиционно изображают в форме взаимно перпендикулярных друг другу «гантелей», а s-орбиталь – в форме шара. Три связи, образованные p-электронами, должны располагаться под углом 90 o друг к другу, и они значительно длиннее, чем связь, образованная s-электроном. Но метан СН4 – это симметричный тетраэдр.

Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало возможным прямое определение строения молекул, Якоб Генрик Вант-Гофф (1852–1911), будучи студентом Утрехтского университета, предположил, что атом углерода в соединениях имеет тетраэдрическое строение. Строение молекулы метана СН4 – правильный тетраэдр с атомом углерода в центре. Валентные углы связей Н-С-Н равны 109 о 28’.

Упрощенное объяснение: все орбитали внешнего уровня углерода выравниваются по энергии и форме, смешиваются, т.е. «гибридизуются», образуя одинаковые гибридные орбитали. См. рис. 1.

Рис. 1. Гибридизация – это смешивание электронных облаков при образовании химических связей

3. Пространственное строение молекул с разным видом гибридизации

Смешение одной s-орбитали и трех p-орбиталей дает четыре sp 3 -гибридные орбитали, вытянутые по углам тетраэдра с атомом С в центре. Углерод в метане находится в состоянии sp 3 -гибридизации. Рис. 2.

Рис. 2. Строение метана

Строение аммиака

Таким же образом гибридизуются четыре орбитали атома азота в молекуле аммиака NH3: У атома азота 5 электронов на внешнем уровне. Поэтому на одной sp 3 -орбитали расположена неподеленная пара электронов, а на остальных трех – электронные пары связей N-H. Все четыре электронные пары располагаются по углам искаженного тетраэдра (электронное облако неподеленной пары больше, чем связывающей). Рис. 3

Рис. 3. Строение аммиака

Строение воды

У атома кислорода 6 электронов на внешнем уровне. Поэтому на двух sp 3 -орбиталях расположены неподеленные пары электронов, а на остальных двух – электронные пары связей О-H. Молекула имеет угловое строение. Рис. 4.

Рис. 4. Строение воды

При таком анализе строения молекул важно не путать геометрию расположения в пространстве электронных пар и геометрию химических связей. Мы видим, что в аммиаке и воде не все электронные пары участвуют в образовании химических связей.

Геометрия молекул или химических связей рассматривает именно расположение атомов в пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар. Электронные облака гибридных орбиталей стараются как можно дальше оттолкнуться друг от друга. Если облака четыре– то они разойдутся по углам тетраэдра, три – разместятся в плоскости под углом 120°.

Строение молекулы BF3

На внешнем уровне атома бора 3 электрона. При образовании связей бор, как и углерод, переходит в возбужденное состояние. Одна s- и две p-орбитали, на которых есть электроны, гибридизуются, образуя три одинаковых sp 2 -гибридных орбитали, располагающиеся по углам равностороннего треугольника с атомом бора в центре. Рис. 5

Рис. 5. Строение три фторида бора

Вывод: Геометрия молекул рассматривает расположение атомов в пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар. Так, строение молекулы воды, состоящей из трех атомов, – не тетраэдрическое, а угловое.

Подведение итога урока

Вы получили представление о теме «Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации». Был раскрыт универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода. Вы узнали о зависимости геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей и свойств веществ от геометрии молекул.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

2. Органическая химия (Источник).

Домашнее задание

1. №№ 1-3 (с. 22) Рудзитис Г.Е. , Фельдман Ф.Г.Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Почему, имея одинаковый тип гибридизации (какой?), молекулы метана и аммиака имеют разное пространственное строение?

3. Чем отличается основное состояние атома углерода от возбужденного?

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Источники:

http://studfile.net/preview/5050097/page:8/
http://ru.qwe.wiki/wiki/Molecular_Geometry
http://interneturok.ru/lesson/chemistry/10-klass/bvvedenieb/geometriya-molekul-ponyatie-o-teorii-gibridizatsii

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector
×
×
×
×