Молекулярная геометрия - Molecular geometry

Геометрия молекула воды со значениями длины связи O-H и угла связи H-O-H между двумя связями

Молекулярная геометрия это трехмерный расположение атомы которые составляют молекула. Он включает в себя общую форму молекулы, а также длина облигаций, валентные углы, крутильные углы и любые другие геометрические параметры, определяющие положение каждого атома.

Геометрия молекул влияет на несколько свойств вещества, включая его реактивность, полярность, фаза материи, цвет, магнетизм и биологическая активность.^[1][2][3] Углы между связями, которые образует атом, слабо зависят от остальной части молекулы, т.е. их можно понимать как приблизительно локальные и, следовательно, передаваемая собственность.

Определение

Геометрия молекулы может быть определена различными спектроскопические методы и дифракция методы. ИК, микроволновая печь и Рамановская спектроскопия может дать информацию о геометрии молекулы из деталей вибрационного и вращательного поглощения, обнаруженного этими методами. Рентгеновская кристаллография, нейтронная дифракция и электронная дифракция может дать молекулярную структуру для кристаллических твердых тел на основе расстояния между ядрами и концентрации электронной плотности. Электронная дифракция в газе может использоваться для небольших молекул в газовой фазе. ЯМР и FRET методы могут использоваться для определения дополнительной информации, включая относительные расстояния,^[4][5][6]двугранные углы,^[7][8]углы и возможность подключения. 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 ), близкие по энергии на поверхность потенциальной энергии. Геометрии также могут быть вычислены с помощью ab initio методы квантовой химии с высокой точностью. Геометрия молекул может быть разной в твердом теле, в растворе и в газе.

Положение каждого атома определяется природой химические связи которым он связан с соседними атомами. Геометрия молекул может быть описана положениями этих атомов в пространстве, вызывая длина облигаций двух связанных атомов, валентных углов трех связанных атомов и углы кручения (двугранные углы ) из трех последовательный облигации.

Влияние теплового возбуждения

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 центробежная деформация, но это несущественно для настоящего обсуждения.) В дополнение к перемещению и вращению, третий тип движения - это молекулярная вибрация, что соответствует внутренним движениям атомов, таким как растяжение связей и изменение валентного угла. Молекулярные колебания гармонический (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 показывают квантово-механическое движение нулевой точки, так что волновая функция одиночной колебательной моды представляет собой не острый пик, а экспоненту конечной ширины (волновая функция для п = 0 изображено в статье о квантовый гармонический осциллятор ). 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 ≡ ехр (-ΔE/kT), где ΔE - энергия возбуждения колебательной моды, k то Постоянная Больцмана и Т абсолютная температура. При 298 K (25 ° C) типичные значения коэффициента Больцмана β:

• β = 0.0890 для ΔE = 0500 см⁻¹
• β = 0.0080 для ΔE = 1000 см⁻¹
• β = 0,0007 для ΔE = 1500 см⁻¹.

(The обратный сантиметр это единица энергии, которая обычно используется в ИК-спектроскопия; 1 см⁻¹ соответствует 1.23984×10⁻⁴ эВ). При энергии возбуждения 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 угловая скорость и угловой момент. На языке квантовой механики: становится больше собственных состояний с более высоким угловым моментом. термозаселенный при повышении температуры. Типичные энергии вращательного возбуждения составляют порядка нескольких 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 термически заселены.

Склеивание

Молекулы, по определению, чаще всего удерживаются вместе с ковалентные связи с одинарными, двойными и / или тройными связями, где «связь» - это общая пара электронов (другой способ связи между атомами называется ионная связь и включает в себя положительный катион и отрицательный анион ).

Молекулярная геометрия может быть определена в терминах длина облигаций, валентные углы и крутильные углы. 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 в цепочку, крутильный угол - 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 (первоначально) шести свободных валентных углов, оставляя только пять вариантов выбора валентных углов. (Обратите внимание, что углы θ₁₁, θ₂₂, θ₃₃, и θ₄₄ всегда равны нулю, и что это соотношение может быть изменено для другого числа периферийных атомов путем расширения / сжатия квадратной матрицы.)

${ displaystyle 0 = { begin {vmatrix} cos theta _ {11} & cos theta _ {12} & cos theta _ {13} & cos theta _ {14} cos theta _ {21} & cos theta _ {22} & cos theta _ {23} & cos theta _ {24} cos theta _ {31} & cos theta _ { 32} & cos theta _ {33} & cos theta _ {34} cos theta _ {41} & cos theta _ {42} & cos theta _ {43} & cos theta _ {44} end {vmatrix}}}$

Молекулярная геометрия определяется квантово-механический поведение электронов. С использованием приближение валентных связей это можно понять по типу связей между атомами, составляющими молекулу. Когда атомы взаимодействуют с образованием химическая связь, атомные орбитали каждого атома, как говорят, объединяются в процессе, называемом орбитальная гибридизация. Двумя наиболее распространенными типами облигаций являются сигма-облигации (обычно образованные гибридными орбиталями) и пи-облигации (образованных негибридизованными p-орбиталями для атомов элементы основной группы ). Геометрию также можно понять по теория молекулярных орбиталей где электроны делокализованы.

Понимание волнообразного поведения электронов в атомах и молекулах является предметом исследования. квантовая химия.

Изомеры

Изомеры это типы молекул, которые имеют общую химическую формулу, но имеют различную геометрию, что приводит к различным свойствам:

• А чистый Вещество состоит только из одного типа изомера молекулы (все они имеют одинаковую геометрическую структуру).
• Структурные изомеры имеют одинаковую химическую формулу, но разное физическое устройство, часто образуя альтернативную молекулярную геометрию с очень разными свойствами. Атомы не связаны (связаны) вместе в одном порядке.
  • Функциональные изомеры представляют собой особые виды структурных изомеров, в которых определенные группы атомов проявляют особый тип поведения, например, эфир или спирт.
• Стереоизомеры может иметь много схожих физико-химических свойств (точка плавления, температура кипения) и в то же время очень разные биохимический виды деятельности. Это потому, что они демонстрируют руки это обычно встречается в живых системах. Одно из проявлений этого хиральность или ручность заключается в том, что они обладают способностью вращать поляризованный свет в разных направлениях.
• Сворачивание белков касается сложной геометрии и различных изомеров, которые белки может взять.

Типы молекулярной структуры

Связующий угол - это геометрический угол между двумя соседними связями. Некоторые распространенные формы простых молекул включают:

• Линейный: В линейной модели атомы соединены прямой линией. Связанные углы установлены на 180 °. Например, углекислый газ и оксид азота имеют линейную молекулярную форму.
• Тригональный планарный: Молекулы плоско-тригональной формы имеют несколько треугольную форму и расположены в одной плоскости. самолет (плоский). Следовательно, валентные углы установлены равными 120 °. Например, трифторид бора.
• Угловой: Угловые молекулы (также называемые согнутый или же V-образный) имеют нелинейную форму. Например, вода (H₂O), который имеет угол около 105 °. Молекула воды имеет две пары связанных электронов и две неподеленные неподеленные пары.
• Тетраэдр: Тетра- означает четыре, и -гедральный относится к поверхности твердого тела, поэтому "четырехгранный "буквально означает" иметь четыре лица ". Эта форма встречается, когда есть четыре связи на одном центральном атоме, без дополнительных неподписанных электрон пары. В соответствии с VSEPR (теория отталкивания электронных пар валентных оболочек), валентные углы между электронными связями равны arccos (−1/3) = 109,47 °. Например, метан (CH₄) - тетраэдрическая молекула.
• Восьмигранный: Окта означает восемь, и -гедральный относится к поверхности твердого тела, поэтому "восьмигранный "означает" имеющий восемь граней ". Угол соединения составляет 90 градусов. Например, гексафторид серы (SF₆) - октаэдрическая молекула.
• Тригонально-пирамидальный: Молекула тригональной пирамиды имеет пирамидальная форма с треугольным основанием. В отличие от линейных и тригональных плоских форм, но аналогичных тетраэдрической ориентации, пирамидальные формы требуют трех измерений, чтобы полностью разделить электроны. Здесь есть только три пары связанных электронов, а одна неподеленная пара остается неподеленной. Отталкивание неподеленной пары и пары связей изменяет угол связи с тетраэдрического угла на несколько меньшее значение.^[9] Например, аммиак (NH₃).

Таблица VSEPR

Связанные углы в таблице ниже - идеальные углы от простого Теория VSEPR (произносится «Теория Веспера»), за которым следует фактический угол для примера, приведенного в следующем столбце, где он отличается. Для многих случаев, таких как тригонально-пирамидальные и изогнутые, фактический угол для примера отличается от идеального угла, а примеры отличаются на разную величину. Например, угол в ЧАС₂S (92 °) отличается от тетраэдрического угла намного больше, чем угол для ЧАС₂О (104,48 °) делает.

Атомы связаны с центральный атом	Одинокие пары	Электронные домены (Стерический номер)	Форма	Идеальный угол крепления (примерный угол связи)	Пример	Изображение
2	0	2	линейный	180°	CO2
3	0	3	тригонально плоский	120°	BF3
2	1	3	угловатый	120° (119°)	ТАК2
4	0	4	четырехгранный	109.5°	CH4
3	1	4	тригонально-пирамидальный	109.5 (107.8°)	NH3
2	2	4	угловатый	109.5° (104.48°)[10][11]	ЧАС2О
5	0	5	тригонально-бипирамидный	90°, 120°	PCl5
4	1	5	качели	ось – ось 180 ° (173,1 °), экв – экв 120 ° (101,6 °), ax – eq 90 °	SF4
3	2	5	Т-образный	90° (87.5°), 180° (175°)	ClF3
2	3	5	линейный	180°	XeF2
6	0	6	восьмигранный	90°, 180°	SF6
5	1	6	квадратно-пирамидальный	90° (84.8°)	BrF5
4	2	6	квадратный плоский	90°, 180°	XeF4
7	0	7	пятиугольный бипирамидальный	90°, 72°, 180°	ЕСЛИ7
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 тригональная призматическая		ReH2− 9

3D-изображения

• Линия или же палка - атомные ядра не представлены, только связи в виде палочек или линий. Как и в двумерных молекулярных структурах этого типа, атомы подразумеваются в каждой вершине.

• График электронной плотности - показывает плотность электронов, определенную либо кристаллографически или используя квантовая механика а не отдельные атомы или связи.

• Мяч и клюшка - атомные ядра представлены сферами (шарами), а связи - палками.

• Модели заполнения пространства или же Модели CPK (также атомная схема окраски в представлениях) - молекула представлена ​​перекрывающимися сферами, представляющими атомы.

• Мультфильм - представление, используемое для белков, в котором петли, бета-листы и альфа-спирали представлены схематически, и никакие атомы или связи явно не представлены (например, остов белка представлен в виде гладкой трубы).

Чем больше количество неподеленных пар содержится в молекуле, тем меньше углы между атомами этой молекулы. В Теория VSEPR предсказывает, что неподеленные пары отталкиваются друг от друга, тем самым отталкивая от себя разные атомы.

Смотрите также

• Jemmis mno правила
• Структура Льюиса
• Программное обеспечение для молекулярного дизайна
• Молекулярная графика
• Молекулярная механика
• Молекулярное моделирование
• Редактор молекул
• Теория пар многогранных скелетных электронов
• Квантовая химия
• Топология (химия)

Рекомендации

внешняя ссылка

• Учебное пособие по молекулярной геометрии и полярности 3D визуализация молекул для определения полярности.
• Молекулярная геометрия с использованием кристаллов Визуализация трехмерной структуры молекул с помощью кристаллографии.