Tetrahedral molekylær geometri - Tetrahedral molecular geometry

Tetrahedral molekylær geometri
Tetrahedral-3D-balls.png
Eksempler CH 4 , MnO-
4
Punktgruppe T d
Koordinasjonsnummer 4
Bindingsvinkel (r) ≈ 109,5 °
μ (polaritet) 0

I en tetraedral molekylær geometri er et sentralt atom lokalisert i midten med fire substituenter som er plassert i hjørnene av et tetraeder . De bindingen vinkler er cos -1 (- Anmeldelse for 1. / 3- ) = 109,4712206 ... ° ≈ 109,5 ° når alle fire substituenter som er de samme, som i metan ( CH
4) så vel som de tyngre analogene . Metan og andre perfekt symmetriske tetraedriske molekyler tilhører punktgruppe T d , men de fleste tetraedriske molekyler har lavere symmetri . Tetrahedrale molekyler kan være kirale .

Tetrahedral bindingsvinkel

Beregning av bindingsvinkler til et symmetrisk tetraedrisk molekyl ved bruk av et prikkprodukt

Bindingen vinkel for en symmetrisk tetraedrisk molekyl slik som CH 4 kan beregnes ved hjelp av prikk-produktet av to vektorer . Som vist i diagrammet, kan molekylet skrives inn i en kube med det tetravalente atomet (f.eks. Karbon ) ved kubesenteret, som er opprinnelsen til koordinatene, O. De fire monovalente atomer (f.eks. Hydrogen) er i fire hjørner av kuben (A, B, C, D) valgt slik at det ikke er to atomer i tilstøtende hjørner forbundet med bare en kubekant. Hvis kantlengden på kuben er valgt som 2 enheter, tilsvarer de to bindingene OA og OB vektorene a = (1, -1, 1) og b = (1, 1, –1) og bindingsvinkelen θ er vinkelen mellom disse to vektorene. Denne vinkelen kan beregnes ut fra prikkproduktet til de to vektorene, definert som a  •  b = || en || || b || fordi θ hvor || en || betegner lengden på vektor a . Som vist i diagrammet er prikkproduktet her –1 og lengden på hver vektor er √3, slik at cos θ = –1/3 og tetraedrisk bindingsvinkel θ = arccos (–1/3) ≃ 109,47 °.

Eksempler

Hovedgruppens kjemi

Det tetraedriske molekylet metan ( CH
4)

Bortsett fra praktisk talt alle mettede organiske forbindelser, er de fleste forbindelser av Si, Ge og Sn tetraedriske. Ofte har tetraedriske molekyler flere bindinger til de ytre ligandene, som i xenontetroksid (XeO 4 ), perklorationen ( ClO-
4), sulfationen ( SO2−
4), fosfationen ( PO3−
4). Tiazyltrifluorid ( SNF
3) er tetraedrisk, og har en trippelbinding mellom svovel og nitrogen.

Andre molekyler har et tetraedrisk arrangement av elektronpar rundt et sentralt atom; for eksempel ammoniakk ( NH
3) med nitrogenatomet omgitt av tre hydrogener og ett ensomt par . Imidlertid vurderer den vanlige klassifiseringen bare de bundne atomene og ikke det eneste paret, slik at ammoniakk faktisk blir sett på som pyramidal . H – N – H -vinklene er 107 °, kontrahert fra 109,5 °. Denne forskjellen tilskrives påvirkningen fra det ensomme paret som utøver en større frastøtende innflytelse enn et bundet atom.

Overgangsmetallkjemi

Igjen er geometrien utbredt, spesielt for komplekser der metallet har d 0 eller d 10 konfigurasjon. Illustrerende eksempler inkluderer tetrakis (trifenylfosfin) palladium (0) ( Pd [P (C
6H
5)
3]
4), nikkelkarbonyl ( Ni (CO)
4) og titantetraklorid ( TiCl
4). Mange komplekser med ufullstendig fylte d-skall er ofte tetraedriske, f.eks. Tetrahalidene av jern (II), kobolt (II) og nikkel (II).

Vannstruktur

I gassfasen har et enkelt vannmolekyl et oksygenatom omgitt av to hydrogen og to ensomme par, og H
2O geometri er ganske enkelt beskrevet som bøyd uten å ta hensyn til de ikke -bundne ensomme parene.

I flytende vann eller i is danner de ensomme parene imidlertid hydrogenbindinger med vannmolekyler i nærheten. Det vanligste arrangementet av hydrogenatomer rundt et oksygen er tetraedrisk med to hydrogenatomer kovalent bundet til oksygen og to knyttet til hydrogenbindinger. Siden hydrogenbindingene varierer i lengde, er mange av disse vannmolekylene ikke symmetriske og danner forbigående uregelmessige tetraeder mellom de fire tilhørende hydrogenatomer.

Bitetrahedrale strukturer

Mange forbindelser og komplekser adopterer bitetrahedrale strukturer. I dette motivet deler de to tetraedrene en felles kant. Det uorganiske polymer silisium disulfid har en uendelig kjede av kant-delte tetrahedra.

Bitetrahedral struktur vedtatt av Al
2Br
6(" aluminiumtribromid ") og Ga
2Cl
6(" galliumtriklorid ").

Unntak og forvrengninger

Inversjon av tetraeder forekommer mye i organisk kjemi og hovedgruppe. Den såkalte Walden-inversjonen illustrerer de stereokjemiske konsekvensene av inversjon ved karbon. Nitrogeninversjon i ammoniakk medfører også forbigående dannelse av plant NH
3.

Omvendt tetraedral geometri

Geometriske begrensninger i et molekyl kan forårsake en alvorlig forvrengning av idealisert tetraedral geometri. I forbindelser med "invertert" tetraedral geometri ved et karbonatom er alle fire gruppene knyttet til dette karbonet på den ene siden av et plan. Karbonatomet ligger ved eller nær toppen av en firkantet pyramide med de fire andre gruppene i hjørnene.

Invertert karbon

De enkleste eksemplene på organiske molekyler som viser invertert tetraedral geometri er de minste propellanene , for eksempel [1.1.1] propellan ; eller mer generelt paddlanene , og pyramidane ([3.3.3.3] fenestrane). Slike molekyler er vanligvis anstrengt , noe som resulterer i økt reaktivitet.

Planarisering

Et tetraeder kan også forvrenges ved å øke vinkelen mellom to av bindingene. I ekstreme tilfeller resulterer utflating. For karbon kan dette fenomenet observeres i en klasse forbindelser som kalles fenestranes .

Tetrahedrale molekyler uten et sentralt atom

Noen få molekyler har en tetraedral geometri uten et sentralt atom. Et uorganisk eksempel er tetrafosfor ( P
4) som har fire fosforatomer ved toppunktene til et tetraeder og hver bundet til de tre andre. Et organisk eksempel er tetraeder ( C
4H
4) med fire karbonatomer hver bundet til ett hydrogen og de andre tre karbonatomer. I dette tilfellet er den teoretiske C − C − C bindingsvinkelen bare 60 ° (i praksis vil vinkelen være større på grunn av bøyde bindinger ), noe som representerer en stor belastning.

Se også

Referanser

  1. ^ Alger, Nick. "Vinkel mellom to bein av et tetraeder" . Arkivert fra originalen 2018-10-03.
  2. ^ Brittin, WE (1945). "Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom". J. Chem. Educ. 22 (3): 145. Bibcode : 1945JChEd..22..145B . doi : 10.1021/ed022p145 .
  3. ^ Miessler, GL; Tarr, DA (2004). Uorganisk kjemi (3. utg.). Pearson/Prentice Hall. ISBN 0-13-035471-6.
  4. ^ Mason, PE; Brady, JW (2007). " " Tetrahedrality "og forholdet mellom kollektiv struktur og radial distribusjonsfunksjoner i flytende vann". J. Phys. Chem. B . 111 (20): 5669–5679. doi : 10.1021/jp068581n . PMID  17469865 .
  5. ^ Wiberg, Kenneth B. (1984). "Inverterte geometrier ved karbon". Acc. Chem. Res. 17 (11): 379–386. doi : 10.1021/ar00107a001 .
  6. ^ a b Joseph P. Kenny; Karl M. Krueger; Jonathan C. Rienstra-Kiracofe; Henry F. Schaefer III (2001). "C 5 H 4 : Pyramidane og dets lavtliggende isomerer". J. Phys. Chem. A . 105 (32): 7745–7750. Bibcode : 2001JPCA..105.7745K . doi : 10.1021/jp011642r .
  7. ^ a b Lewars, E. (1998). "Pyramidane: en ab initio studie av C 5 H 4 potensiell energioverflate". Journal of Molecular Structure: THEOCHEM . 423 (3): 173–188. doi : 10.1016/S0166-1280 (97) 00118-8 .
  8. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , andre utg. ("Gullboken") (1997). Online korrigert versjon: (2006–) " paddlanes ". doi : 10.1351/goldbook.P04395

Eksterne linker