Einführung in die Molekülgeometrie
Dreidimensionale Anordnung von Atomen in einem Molekül
Die meisten Molekülmodellsätze enthalten die richtigen Bindungswinkel für Atome, sodass Sie die molekulare Geometrie von Molekülen sehen können, wenn Sie sie herstellen. Grzegorz Tomasiuk / EyeEm / Getty Images
Molekulargeometrie oder Molekülstruktur ist die dreidimensionale Anordnung von Atomen innerhalb eines Moleküls. Es ist wichtig, die molekulare Struktur eines Moleküls vorhersagen und verstehen zu können, da viele der Eigenschaften einer Substanz durch ihre Geometrie bestimmt werden. Beispiele für diese Eigenschaften sind Polarität, Magnetismus, Phase, Farbe und chemische Reaktivität. Molekulargeometrie kann auch verwendet werden, um die biologische Aktivität vorherzusagen, Medikamente zu entwerfen oder die Funktion eines Moleküls zu entschlüsseln.
Die Valenzschale, Bindungspaare und das VSEPR-Modell
Die dreidimensionale Struktur eines Moleküls wird durch seine Valenzelektronen bestimmt, nicht durch seinen Kern oder die anderen Elektronen in den Atomen. Die äußersten Elektronen eines Atoms sind seine Valenzelektronen . Die Valenzelektronen sind die Elektronen, die am häufigsten beteiligt sind beim Knüpfen von Bindungen und Moleküle machen .
Elektronenpaare werden zwischen Atomen in einem Molekül geteilt und halten die Atome zusammen. Diese Paare heißen ' Bindungspaare '.
Eine Möglichkeit, den Weg vorherzusagen Elektronen innerhalb von Atomen sich gegenseitig abstoßen, ist die Anwendung des VSEPR-Modells (Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung). VSEPR kann verwendet werden, um die allgemeine Geometrie eines Moleküls zu bestimmen.
Vorhersage der molekularen Geometrie
Hier ist ein Diagramm, das die übliche Geometrie für Moleküle basierend auf ihrem Bindungsverhalten beschreibt. Um diesen Schlüssel zu verwenden,erste Ziehungaus dem Lewis-Struktur für ein Molekül. Zählen Sie, wie viele Elektronenpaare vorhanden sind, einschließlich beider Bindungspaare und einsame Paare . Behandeln Sie Doppel- und Dreifachbindungen so, als wären sie einzelne Elektronenpaare. A wird verwendet, um das Zentralatom darzustellen. B bezeichnet Atome, die A umgeben. E bezeichnet die Anzahl einsamer Elektronenpaare. Bindungswinkel werden in der folgenden Reihenfolge vorhergesagt:
Einzelpaar versus Einzelpaarabstoßung > Einzelpaar versus Bindungspaarabstoßung > Bindungspaar versus Bindungspaarabstoßung
Beispiel Molekulargeometrie
Es gibt zwei Elektronenpaare um das Zentralatom in einem Molekül mit linearer Molekülgeometrie, 2 bindende Elektronenpaare und 0 freie Elektronenpaare. Der ideale Bindungswinkel beträgt 180°.
Geometrie | Typ | Anzahl der Elektronenpaare | Idealer Bindungswinkel | Beispiele |
linear | ABzwei | zwei | 180° | BeClzwei |
trigonal planar | AB3 | 3 | 120° | BF3 |
Tetraeder | AB4 | 4 | 109,5° | CH4 |
trigonal bipyramidal | AB5 | 5 | 90°, 120° | PCl5 |
oktoedrisch | AB6 | 6 | 90° | SF6 |
gebogen | ABzweiUND | 3 | 120° (119°) | ALSOzwei |
trigonal pyramidenförmig | AB3UND | 4 | 109,5° (107,5°) | NH3 |
gebogen | ABzweiUNDzwei | 4 | 109,5° (104,5°) | HzweiÖ |
Wippe | AB4UND | 5 | 180°, 120° (173,1°, 101,6°) | SF4 |
T-Form | AB3UNDzwei | 5 | 90°, 180° (87,5°,<180°) | ClF3 |
linear | ABzweiUND3 | 5 | 180° | XeFzwei |
quadratisch pyramidenförmig | AB5UND | 6 | 90° (84,8°) | BrF5 |
quadratisch planar | AB4UNDzwei | 6 | 90° | XeF4 |
Isomere in der Molekülgeometrie
Moleküle mit der gleichen chemischen Formel können Atome unterschiedlich angeordnet haben. Die Moleküle heißen Isomere . Isomere können sehr unterschiedliche Eigenschaften voneinander haben. Es gibt verschiedene Arten von Isomeren:
- Verfassungs- bzw Strukturisomere haben die gleichen Formeln, aber die Atome sind nicht miteinander verbunden das gleiche Wasser.
- Stereoisomere haben die gleichen Formeln, wobei die Atome in der gleichen Reihenfolge gebunden sind, aber Gruppen von Atomen rotieren unterschiedlich um eine Bindung, um Chiralität oder Händigkeit zu ergeben. Stereoisomere polarisieren Licht unterschiedlich. In der Biochemie neigen sie dazu, unterschiedliche biologische Aktivität zu zeigen.
Experimentelle Bestimmung der Molekülgeometrie
Sie können Lewis-Strukturen verwenden, um die molekulare Geometrie vorherzusagen, aber es ist am besten, diese Vorhersagen experimentell zu überprüfen. Mehrere Analysemethoden können verwendet werden, um Moleküle abzubilden und etwas über ihre Vibrations- und Rotationsabsorption zu erfahren. Beispiele umfassen Röntgenkristallographie, Neutronenbeugung, Infrarot(IR)-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, Elektronenbeugung und Mikrowellenspektroskopie. Die beste Strukturbestimmung erfolgt bei niedriger Temperatur, da eine Erhöhung der Temperatur den Molekülen mehr Energie verleiht, was zu Konformationsänderungen führen kann. Die molekulare Geometrie einer Substanz kann unterschiedlich sein, je nachdem, ob die Probe ein Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder Teil einer Lösung ist.
Molekulargeometrie Schlüsselmitnahmen
- Die Molekülgeometrie beschreibt die dreidimensionale Anordnung von Atomen in einem Molekül.
- Daten, die aus der Geometrie eines Moleküls erhalten werden können, umfassen die relative Position jedes Atoms, Bindungslängen, Bindungswinkel und Torsionswinkel.
- Die Vorhersage der Geometrie eines Moleküls ermöglicht die Vorhersage seiner Reaktivität, Farbe, Phase der Materie, Polarität, biologischen Aktivität und Magnetismus.
- Die Molekülgeometrie kann unter Verwendung von VSEPR- und Lewis-Strukturen vorhergesagt und unter Verwendung von Spektroskopie und Beugung verifiziert werden.
Verweise
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- Miessler G.L. und Tarr D.A. Anorganische Chemie (2. Aufl., Prentice-Hall 1999), S. 57-58.