Tetrahedral molekylær geometri - Tetrahedral molecular geometry

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

I en tetraedrisk molekylær geometri er et centralt atom placeret i midten med fire substituenter, der er placeret i hjørnerne af en tetraeder . De bindingsvinkler er cos -1 (- 1 / 3 ) = 109,4712206 ... ° ≈ 109,5 °, når alle fire substituenter er de samme, som i methan ( CH
4) samt dens tungere analoger . Metan og andre perfekt symmetriske tetraedriske molekyler tilhører punktgruppe T d , men de fleste tetraedriske molekyler har lavere symmetri . Tetrahedrale molekyler kan være chirale .

Tetrahedral bindingsvinkel

Beregning af bindingsvinkler for et symmetrisk tetraedrisk molekyle ved hjælp af et prikprodukt

Bindingen vinkel for en symmetrisk tetraedrisk molekyle, såsom CH 4 kan beregnes ved anvendelse af prikproduktet af to vektorer . Som vist i diagrammet kan molekylet indskrives i en terning med det tetravalente atom (f.eks. Kulstof ) i terningens centrum, som er koordinaternes oprindelse, O. De fire monovalente atomer (f.eks. Hydrogen) er i fire hjørner af terningen (A, B, C, D) valgt således, at der ikke er to atomer ved tilstødende hjørner, der kun er forbundet med en kubekant. Hvis kubens kantlængde vælges som 2 enheder, svarer de to bindinger OA og OB til vektorerne a = (1, -1, 1) og b = (1, 1, –1) og bindingsvinklen θ er vinklen mellem disse to vektorer. Denne vinkel kan beregnes ud fra punktproduktet af de to vektorer, defineret som a  •  b = || en || || b || fordi θ hvor || en || betegner længden af vektor a . Som vist i diagrammet er prikproduktet her –1 og længden af ​​hver vektor er √3, så cos θ = –1/3 og tetraedrisk bindingsvinkel θ = arccos (–1/3) ≃ 109,47 °.

Eksempler

Hovedgruppens kemi

Det tetraedriske molekyle methan ( CH
4)

Bortset fra stort set alle mættede organiske forbindelser er de fleste forbindelser af Si, Ge og Sn tetraedriske. Ofte har tetraedriske molekyler flere bindinger til de ydre ligander, som i xenontetroxid (XeO 4 ), perchlorationen ( ClO-
4), sulfationen ( SO2−
4), phosphationen ( PO3−
4). Thiazyltrifluorid ( SNF
3) er tetraedrisk og indeholder en trippelbinding mellem svovl og nitrogen.

Andre molekyler har et tetraedrisk arrangement af elektronpar omkring et centralt atom; for eksempel ammoniak ( NH
3) med nitrogenatomet omgivet af tre hydrogener og et ensomt par . Den sædvanlige klassifikation betragter imidlertid kun de bundne atomer og ikke det ensomme par, så ammoniak faktisk betragtes som pyramideformet . H – N – H vinklerne er 107 °, kontraheret fra 109,5 °. Denne forskel tilskrives indflydelsen fra det ensomme par, der udøver en større frastødende indflydelse end et bundet atom.

Overgang metal kemi

Igen er geometrien udbredt, især for komplekser, hvor metallet har d 0 eller d 10 konfiguration. Illustrative eksempler omfatter tetrakis (triphenylphosphin) palladium (0) ( Pd [P (C
6H
5)
3]
4), nikkelcarbonyl ( Ni (CO)
4) og titantetrachlorid ( TiCl
4). Mange komplekser med ufuldstændigt fyldte d-skaller er ofte tetraedriske, f.eks. Tetrahaliderne af jern (II), kobolt (II) og nikkel (II).

Vandstruktur

I gasfasen har et enkelt vandmolekyle et oxygenatom omgivet af to hydrogener og to ensomme par, og H
2O geometri beskrives simpelthen som bøjet uden at tage hensyn til de ikke -bundne ensomme par.

I flydende vand eller i is danner de enlige par imidlertid hydrogenbindinger med tilstødende vandmolekyler. Det mest almindelige arrangement af hydrogenatomer omkring et oxygen er tetraedrisk med to hydrogenatomer kovalent bundet til ilt og to knyttet ved hydrogenbindinger. Da hydrogenbindinger varierer i længde, er mange af disse vandmolekyler ikke symmetriske og danner forbigående uregelmæssige tetraeder mellem deres fire tilhørende hydrogenatomer.

Bitetrahedrale strukturer

Mange forbindelser og komplekser anvender bitetrahedrale strukturer. I dette motiv deler de to tetraeder en fælles kant. Det uorganiske polymer siliciumdisulfid har en uendelig kæde af kantdelte tetraeder.

Bitetrahedral struktur vedtaget af Al
2Br
6(" aluminiumtribromid ") og Ga
2Cl
6(" galliumtrichlorid ").

Undtagelser og forvrængninger

Inversion af tetrahedral forekommer bredt inden for organisk kemi og hovedgruppe. Den såkaldte Walden-inversion illustrerer de stereokemiske konsekvenser af inversion ved kulstof. Kvælstofinversion i ammoniak medfører også forbigående dannelse af plant NH
3.

Omvendt tetraedral geometri

Geometriske begrænsninger i et molekyle kan forårsage en alvorlig forvrængning af idealiseret tetraedral geometri. I forbindelser med "omvendt" tetraedral geometri ved et carbonatom er alle fire grupper knyttet til dette carbon på den ene side af et plan. Carbonatomet ligger ved eller nær toppen af ​​en firkantet pyramide med de fire andre grupper i hjørnerne.

Omvendt kulstof

De enkleste eksempler på organiske molekyler, der viser omvendt tetraedral geometri, er de mindste propellaner , såsom [1.1.1] propellan ; eller mere generelt paddlanerne og pyramidane ([3.3.3.3] fenestran). Sådanne molekyler er typisk anstrengt , hvilket resulterer i øget reaktivitet.

Planarisering

Et tetraeder kan også forvrænges ved at øge vinklen mellem to af bindingerne. I ekstreme tilfælde resulterer udfladning. For kulstof kan dette fænomen observeres i en klasse af forbindelser kaldet fenestranes .

Tetrahedrale molekyler uden noget centralt atom

Nogle få molekyler har en tetraedral geometri uden noget centralt atom. Et uorganisk eksempel er tetraphosphor ( P
4), der har fire fosforatomer ved et tetraeders hjørner og hver bundet til de tre andre. Et organisk eksempel er tetrahedran ( C
4H
4) med fire carbonatomer hver bundet til et hydrogen og de andre tre carbonatomer. I dette tilfælde er den teoretiske C − C − C bindingsvinkel kun 60 ° (i praksis vil vinklen være større på grund af bøjede bindinger ), hvilket repræsenterer en stor grad af belastning.

Se også

Referencer

  1. ^ Alger, Nick. "Vinkel mellem to ben af ​​en tetraeder" . Arkiveret fra originalen 2018-10-03.
  2. ^ Brittin, WE (1945). "Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom". J. Chem. Uddannelse. 22 (3): 145. Bibcode : 1945JChEd..22..145B . doi : 10.1021/ed022p145 .
  3. ^ Miessler, GL; Tarr, DA (2004). Uorganisk kemi (3. udgave). Pearson/Prentice Hall. ISBN 0-13-035471-6.
  4. ^ Mason, PE; Brady, JW (2007). " " Tetrahedralitet "og forholdet mellem kollektiv struktur og radial distribution i flydende vand". J. Phys. Chem. B . 111 (20): 5669–5679. doi : 10.1021/jp068581n . PMID  17469865 .
  5. ^ Wiberg, Kenneth B. (1984). "Omvendte geometrier ved kulstof". 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 undersøgelse af C 5 H 4 potentiel energioverflade". Journal of Molecular Structure: THEOCHEM . 423 (3): 173–188. doi : 10.1016/S0166-1280 (97) 00118-8 .
  8. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2. udgave. ("Guldbogen") (1997). Online korrigeret version: (2006–) " paddlanes ". doi : 10.1351/goldbook.P04395

eksterne links