Tetraedryczna geometria molekularna - Tetrahedral molecular geometry

Tetraedryczna geometria molekularna
Tetraedry-3D-kulki.png
Przykłady CH 4 , MnO−
4
Grupa punktów T d
Numer koordynacyjny 4
Kąt(y) wiązania ≈ 109,5°
μ (polaryzacja) 0

W czworościennej geometrii molekularnej centralny atom znajduje się w centrum z czterema podstawnikami znajdującymi się w rogach czworościanu . Te kąty wiązań są cos -1 (- 1 / 3 ) = 109,4712206 ... ° ≈ 109,5 °, gdy wszystkie cztery podstawniki są takie same, jak w metan ( CH
4) oraz jego cięższe odpowiedniki . Metan i doskonale symetryczny czworościenne cząsteczki należą do punktu grupy T D , ale większość czworościennych cząsteczki mają mniejszą symetrii . Cząsteczki tetraedryczne mogą być chiralne .

Kąt wiązania czworościennego

Obliczanie kątów wiązania symetrycznej cząsteczki czworościennej za pomocą iloczynu skalarnego

Kąt Bond symetrycznego tetraedrycznej cząsteczki takie jak CH 4 może być obliczona za pomocą iloczyn skalarny dwóch wektorów . Jak pokazano na schemacie, cząsteczka może być wpisana w sześcian z czterowartościowym atomem (np. węgiel ) w środku sześcianu, który jest początkiem współrzędnych O. Cztery jednowartościowe atomy (np. wodory) znajdują się w czterech rogach sześcianu (A, B, C, D) dobrana tak, aby żadne dwa atomy nie znajdowały się w sąsiednich rogach połączonych tylko jedną krawędzią sześcianu. Jeśli długość krawędzi sześcianu zostanie wybrana jako 2 jednostki, to dwa wiązania OA i OB odpowiadają wektorom a = (1, –1, 1) i b = (1, 1, –1) oraz kątowi wiązania θ to kąt między tymi dwoma wektorami. Kąt ten można obliczyć z iloczynu skalarnego dwóch wektorów, zdefiniowanego jako a  •  b = || a || || b || cos θ gdzie || a || oznacza długość wektora a . Jak pokazano na schemacie, iloczyn skalarny wynosi –1 a długość każdego wektora wynosi √3, więc cos θ = –1/3 a kąt wiązania czworościennego θ = arccos (–1/3) ≃ 109.47°.

Przykłady

Chemia grupy głównej

Czterościenna cząsteczka metanu ( CH
4)

Oprócz praktycznie wszystkich nasyconych związków organicznych, większość związków Si, Ge i Sn jest czworościenna. Często cząsteczki tetraedryczne mają wielokrotne wiązania z zewnętrznymi ligandami, jak w tetratlenku ksenonu (XeO 4 ), jon nadchloranowy ( ClO−
4), jon siarczanowy ( SO2-
4), jon fosforanowy ( PO3−
4). Trifluorek tiazylu ( SNF
3) jest czworościenny, zawierający potrójne wiązanie siarka-azot.

Inne cząsteczki mają tetraedryczny układ par elektronów wokół centralnego atomu; na przykład amoniak ( NH
3) z atomem azotu otoczonym trzema wodorami i jedną wolną parą . Jednak zwykła klasyfikacja uwzględnia tylko związane atomy, a nie samotną parę, tak że amoniak jest faktycznie uważany za piramidalny . Kąty H–N–H wynoszą 107°, skrócone od 109,5°. Różnicę tę przypisuje się wpływowi samotnej pary, która wywiera większy wpływ odpychający niż związany atom.

Chemia metali przejściowych

Ponownie, geometria jest powszechna, zwłaszcza tak dla kompleksów gdzie metal ď 0 lub D 10 konfiguracji. Ilustrujące przykłady obejmują tetrakis(trifenylofosfino)pallad(0) ( Pd[P(C .)
6h
5)
3]
4), karbonylek niklu ( Ni(CO)
4) i czterochlorek tytanu ( TiCl
4). Wiele kompleksów z niecałkowicie wypełnionymi powłokami d jest często czworościennymi, np. tetrahalogenki żelaza(II), kobaltu(II) i niklu(II).

Struktura wody

W fazie gazowej pojedyncza cząsteczka wody ma atom tlenu otoczony dwoma wodorami i dwiema samotnymi parami, a H
2Geometria O jest po prostu opisana jako wygięta bez uwzględniania niezwiązanych samotnych par.

Jednak w wodzie płynnej lub w lodzie, samotne pary tworzą wiązania wodorowe z sąsiednimi cząsteczkami wody. Najczęstszym układem atomów wodoru wokół tlenu jest tetraedryczny, w którym dwa atomy wodoru są kowalencyjnie związane z tlenem i dwa połączone wiązaniami wodorowymi. Ponieważ wiązania wodorowe różnią się długością, wiele z tych cząsteczek wody nie jest symetrycznych i tworzy przejściowe nieregularne czworościany między czterema powiązanymi atomami wodoru.

Struktury dwuścienne

Wiele związków i kompleksów przyjmuje struktury dwuścienne. W tym motywie dwa czworościany mają wspólną krawędź. Nieorganiczny polimerowy dwusiarczek krzemu ma nieskończony łańcuch czworościanów o wspólnych krawędziach.

Bitetraedryczna struktura przyjęta przez Al
2Br
6(" tribromek glinu ") i Ga
2Cl
6(„ trichlorek galu ”).

Wyjątki i wypaczenia

Odwrócenie czworościanu występuje powszechnie w chemii organicznej i chemii grup głównych. Tak zwana inwersja Waldena ilustruje stereochemiczne konsekwencje inwersji na węglu. Inwersja azotu w amoniaku pociąga za sobą również przejściowe tworzenie płaskiego NH
3.

Odwrócona geometria czworościenna

Ograniczenia geometryczne w cząsteczce mogą powodować poważne zniekształcenia wyidealizowanej geometrii czworościennej. W związkach o „odwróconej” geometrii czworościennej przy atomie węgla wszystkie cztery grupy przyłączone do tego węgla znajdują się po jednej stronie płaszczyzny. Atom węgla leży na wierzchołku kwadratowej piramidy lub w jego pobliżu, a pozostałe cztery grupy znajdują się w rogach.

Odwrócony węgiel

Najprostszymi przykładami cząsteczek organicznych wykazujących odwróconą geometrię czworościenną są najmniejsze propelany , takie jak [1.1.1]propelan ; lub ogólniej paddlanes i piramidan ([3.3.3.3]fenestrane). Takie cząsteczki są zazwyczaj napięte , co skutkuje zwiększoną reaktywnością.

Planaryzacja

Czworościan można również zniekształcić, zwiększając kąt między dwoma wiązaniami. W skrajnym przypadku wyniki spłaszczenia. W przypadku węgla zjawisko to można zaobserwować w klasie związków zwanych fenestranami .

Cząsteczki tetraedryczne bez centralnego atomu

Kilka cząsteczek ma geometrię czworościenną bez centralnego atomu. Przykładem nieorganicznym jest tetrafosfor ( P
4), który ma cztery atomy fosforu na wierzchołkach czworościanu, z których każdy jest połączony z pozostałymi trzema. Przykładem organicznym jest tetraedran ( C
4h
4) z czterema atomami węgla, z których każdy jest związany z jednym wodorem i pozostałymi trzema atomami węgla. W tym przypadku teoretyczny kąt wiązania C-C-C wynosi zaledwie 60° (w praktyce kąt będzie większy z powodu zgiętych wiązań ), co oznacza duży stopień odkształcenia.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Alger, Nick. „Kąt między 2 nogami czworościanu” . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2018-10-03.
  2. ^ Brittin, WE (1945). „Kąt walencyjny tetraedrycznego atomu węgla”. J.Chem. Wyk. 22 (3): 145. Kod Bib : 1945JChEd..22..145B . doi : 10.1021/ed022p145 .
  3. ^ Miessler, GL; Tarr, DA (2004). Chemia nieorganiczna (3rd ed.). Pearson/Prentice Hall. Numer ISBN 0-13-035471-6.
  4. ^ Mason, PE; Brady, JW (2007). „ ” Tetrahedrality „oraz związku między Collective struktury i funkcji rozkładu radialnego w ciekłej wody”. J. Fiz. Chem. B . 111 (20): 5669–5679. doi : 10.1021/jp068581n . PMID  17469865 .
  5. ^ Wiberg Kenneth B. (1984). „Odwrócone geometrie na węglu”. wg. Chem. Res. 17 (11): 379–386. doi : 10.1021/ar00107a001 .
  6. ^ B Joseph P. Kenny; Karl M. Krueger; Jonathan C. Rienstra-Kiracofe; Henryk F. Schaefer III (2001). „C 5 H 4 : Piramidan i jego nisko leżące izomery”. J. Fiz. Chem. . 105 (32): 7745–7750. Kod bib : 2001JPCA..105.7745K . doi : 10.1021/jp011642r .
  7. ^ B Lewars, E. (1998). „Piramidan: badanie ab initio powierzchni energii potencjalnej C 5 H 4 ”. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM . 423 (3): 173–188. doi : 10.1016/S0166-1280(97)00118-8 .
  8. ^ IUPAC , Kompendium terminologii chemicznej , wyd. ("Złota Księga") (1997). Wersja poprawiona online: (2006-) " paddlanes ". doi : 10.1351/goldbook.P04395

Linki zewnętrzne