Войти
Геометрия молекулы воды со значениями длины связи OH и угла связи HOH между двумя связями Молекулярная геометрия - это трехмерное расположение атомов, составляющих молекулу. Он включает в себя общую форму молекулы, а также длины связей, валентные углы, торсионные углы и любые другие геометрические параметры, которые определяют положение каждого атома.
Геометрия молекулы влияет на несколько свойств вещества, включая его реакционную способность, полярность, фазу вещества, цвет, магнетизм и биологическую активность. Углы между связями, которые образует атом, слабо зависят от остальной части молекулы, т.е. их можно рассматривать как приблизительно локальные и, следовательно, передаваемые свойства.
Геометрию молекулы можно определить различными спектроскопическими и дифракционными методами. ИК, микроволновая и рамановская спектроскопия может дать информацию о геометрии молекулы на основе деталей колебательного и вращательного поглощения, обнаруживаемых этими методами. Рентгеновская кристаллография, нейтронная дифракция и дифракция электронов может дать молекулярную структуру для кристаллических твердых веществ на основе расстояния между ядрами и концентрацией электронной плотности. Газовая дифракция электронов может использоваться для небольших молекул в газовой фазе. Методы ЯМР и FRET могут использоваться для определения дополнительной информации, включая относительные расстояния, двугранные углы, углы и связность. Геометрии молекул лучше всего определять при низкой температуре, потому что при более высоких температурах молекулярная структура усредняется по более доступным геометриям (см. Следующий раздел). Более крупные молекулы часто существуют в нескольких стабильных геометриях ( конформационная изомерия ), близких по энергии на поверхности потенциальной энергии. Геометрии также могут быть вычислены с помощью ab initio методов квантовой химии с высокой точностью. Геометрия молекулы может быть разной для твердого тела, в растворе и в газе.
Положение каждого атома определяется природой химических связей, которыми он связан со своими соседними атомами. Геометрия молекулы может быть описана положением этих атомов в пространстве, вызывая длины связи двух связанных атомов, валентные углы трех связанных атомов и торсионные углы ( двугранные углы ) трех последовательных связей.
Поскольку движения атомов в молекуле определяются квантовой механикой, «движение» должно быть определено квантово-механическим способом. Общие (внешние) квантово-механические движения, трансляция и вращение практически не меняют геометрию молекулы. (В некоторой степени вращение влияет на геометрию через силы Кориолиса и центробежное искажение, но для настоящего обсуждения этим можно пренебречь.) В дополнение к поступлению и вращению, третьим типом движения является молекулярная вибрация, которая соответствует внутренним движениям атомов, таким как как растяжение связи и изменение угла связи. Колебания молекул являются гармоническими (по крайней мере, в хорошем приближении), и атомы колеблются около своего положения равновесия даже при абсолютном нуле температуры. При абсолютном нуле все атомы находятся в основном колебательном состоянии и демонстрируют квантово-механическое движение нулевой точки, так что волновая функция одной колебательной моды представляет собой не острый пик, а экспоненту конечной ширины (волновая функция для n = 0, изображенная в статья о квантовом гармоническом осцилляторе ). При более высоких температурах колебательные моды могут быть термически возбуждены (в классической интерпретации это выражается утверждением, что «молекулы будут колебаться быстрее»), но они по-прежнему колеблются вокруг узнаваемой геометрии молекулы.
Чтобы понять вероятность того, что колебание молекулы может быть термически возбуждено, мы исследуем фактор Больцмана β ≡ exp (- Δ E/kT), где Δ E - энергия возбуждения колебательной моды, k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура. При 298 K (25 ° C) типичные значения коэффициента Больцмана β:
( Обратный сантиметр - это единица измерения энергии, которая обычно используется в инфракрасной спектроскопии ; 1 см -1 соответствует1,239 84 × 10 −4 эВ). Когда энергия возбуждения составляет 500 см -1, то около 8,9% молекул термически возбуждаются при комнатной температуре. Для сравнения: самая низкая колебательная энергия возбуждения в воде - это изгибная мода (около 1600 см -1). Таким образом, при комнатной температуре менее 0,07 процента всех молекул данного количества воды будут колебаться быстрее, чем при абсолютном нуле.
Как указано выше, вращение практически не влияет на геометрию молекулы. Но как квантово-механическое движение оно термически возбуждается при относительно (по сравнению с вибрацией) низких температурах. С классической точки зрения можно утверждать, что при более высоких температурах большее количество молекул будет вращаться быстрее, что означает, что они имеют более высокую угловую скорость и угловой момент. На языке квантовой механики: большее количество собственных состояний с более высоким угловым моментом становится термически заселенным с повышением температуры. Типичные энергии вращательного возбуждения составляют несколько см -1. Результаты многих спектроскопических экспериментов расширены, потому что они включают усреднение по вращательным состояниям. Часто бывает трудно извлечь геометрию из спектров при высоких температурах, потому что количество вращательных состояний, исследуемых при экспериментальном усреднении, увеличивается с увеличением температуры. Таким образом, можно ожидать, что многие спектроскопические наблюдения дадут надежную молекулярную геометрию только при температурах, близких к абсолютному нулю, потому что при более высоких температурах слишком много более высоких вращательных состояний являются термически заселенными.
Молекулы, по определению, чаще всего удерживаются вместе ковалентными связями, включающими одинарные, двойные и / или тройные связи, где «связь» представляет собой общую пару электронов (другой метод связи между атомами называется ионной связью и включает в себя положительный катион и отрицательный анион ).
Молекулярная геометрия может быть указана в терминах длин связей, валентных углов и углов скручивания. Длина связи определяется как среднее расстояние между ядрами двух атомов, связанных вместе в любой данной молекуле. Валентный угол - это угол, образованный между тремя атомами, по крайней мере, через две связи. Для четырех атомов, связанных вместе в цепочку, торсионный угол - это угол между плоскостью, образованной первыми тремя атомами, и плоскостью, образованной последними тремя атомами.
Существует математическая взаимосвязь между валентными углами для одного центрального атома и четырех периферийных атомов (обозначенных от 1 до 4), выраженная следующим определителем. Это ограничение удаляет одну степень свободы из выбора (изначально) шести свободных валентных углов, оставляя только пять вариантов выбора валентных углов. (Обратите внимание, что углы θ 11, θ 22, θ 33 и θ 44 всегда равны нулю и что это соотношение может быть изменено для другого числа периферийных атомов путем расширения / сжатия квадратной матрицы.)
Молекулярная геометрия определяется квантово-механическим поведением электронов. Используя приближение валентных связей, это можно понять по типу связей между атомами, составляющими молекулу. Когда атомы взаимодействуют, образуя химическую связь, атомные орбитали каждого атома, как говорят, объединяются в процессе, называемом орбитальной гибридизацией. Двумя наиболее распространенными типами связей являются сигма-связи (обычно образованные гибридными орбиталями) и пи-связи (образованные негибридизованными p-орбиталями для атомов основных элементов группы ). Геометрию также можно понять с помощью теории молекулярных орбиталей, в которой электроны делокализованы.
Понимание волнообразного поведения электронов в атомах и молекулах является предметом квантовой химии.
Изомеры - это типы молекул, которые имеют общую химическую формулу, но имеют различную геометрию, что приводит к различным свойствам:
Связующий угол - это геометрический угол между двумя соседними связями. Некоторые распространенные формы простых молекул включают:
Валентные углы в таблице ниже являются идеальными углами из простой теории VSEPR (произносится как «Теория Веспера »), за которыми следует фактический угол для примера, приведенного в следующем столбце, где он отличается. Для многих случаев, таких как тригонально-пирамидальный или изогнутый, фактический угол для примера отличается от идеального угла, а примеры отличаются на разную величину. Например, угол в H 2 S (92 °) отличается от тетраэдрического угла намного больше, чем угол для H 2 O (104,48 °).
| Атомы, связанные с центральным атомом | Одинокие пары | Электронные домены (стерическое число) | Форма | Идеальный угол связи (примерный угол связи) | Пример | Изображение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 0 | 2 | линейный | 180 ° | CO 2 |  |
| 3 | 0 | 3 | тригональный плоский | 120 ° | BF 3 |  |
| 2 | 1 | 3 | согнутый | 120 ° (119 °) | SO 2 |  |
| 4 | 0 | 4 | четырехгранный | 109,5 ° | CH 4 |  |
| 3 | 1 | 4 | тригонально-пирамидальный | 109,5 (107,8 °) | NH 3 |  |
| 2 | 2 | 4 | согнутый | 109,5 ° (104,48 °) | H 2 O | |
| 5 | 0 | 5 | тригонально-бипирамидный | 90 °, 120 ° | PCl 5 |  |
| 4 | 1 | 5 | качели | ax – ax 180 ° (173,1 °), eq – eq 120 ° (101,6 °), ax – eq 90 ° | SF 4 |  |
| 3 | 2 | 5 | Т-образный | 90 ° (87,5 °), 180 ° (175 °) | ClF 3 |  |
| 2 | 3 | 5 | линейный | 180 ° | XeF 2 | |
| 6 | 0 | 6 | восьмигранный | 90 °, 180 ° | SF 6 |  |
| 5 | 1 | 6 | квадратно-пирамидальный | 90 ° (84,8 °) | BrF 5 |  |
| 4 | 2 | 6 | квадратный плоский | 90 °, 180 ° | XeF 4 |  |
| 7 | 0 | 7 | пятиугольный бипирамидальный | 90 °, 72 °, 180 ° | ЕСЛИ 7 |  |
| 6 | 1 | 7 | пятиугольная пирамидальная | 72 °, 90 °, 144 ° | XeOF- 5 |  |
| 5 | 2 | 7 | пятиугольный плоский | 72 °, 144 ° | XeF- 5 |  |
| 8 | 0 | 8 | квадратный антипризматический | XeF2- 8 |  | |
| 9 | 0 | 9 | трехшарошечная тригонально-призматическая | ReH2- 9 |  |
 |  |  |  |
 |  |
 |  |  |  |
 |  |  |  |
 |  |  |  |
Чем больше количество неподеленных пар содержится в молекуле, тем меньше углы между атомами этой молекулы. Теория VSEPR предсказывает, что неподеленные пары отталкиваются друг от друга, отталкивая, таким образом, разные атомы от них.
