Το Τριγωνικό Σχήμα των Μορίων στη Χημεία

Εισαγωγή

Τα πέντε κύρια σχήματα μορίων σύμφωνα με τη θεωρία VSEPR είναι γραμμικά (παράδειγμα:CO2), Τριγωνικό Επίπεδο (παράδειγμα:BCl3), Τετραεδρικό (παράδειγμα:CH4), Τριγωνικό διπυραμιδικό (παράδειγμα:PCl5) και Οκταεδρικό (παράδειγμα:SF6). Προκύπτουν μερικά ερωτήματα. Υπάρχουν μόρια σε «τριγωνικά σχήματα» με άτομα/μόρια ως κορυφές και δεσμούς ως τις πλευρές του τριγωνικού σχήματος; Οι όροι «τριγωνικό επίπεδο» και «τριγωνικό» αναφέρονται στην ίδια μοριακή δομή;.

Τα μόρια που υπάρχουν σε τριγωνικά σχήματα είναι εξαιρετικά αντιδραστικά (παράδειγμα:Κυκλοπροπάνιο). Αυτό συμβαίνει επειδή το στέλεχος του δακτυλίου σε τέτοια μόρια είναι υψηλό και τείνουν να αντιδρούν σε οποιοδήποτε άλλο χημικό είδος και να σχηματίζουν πιο σταθερές ενώσεις. Κάθε χημική ένωση τείνει να μειώνει την ενεργειακή της κατάσταση. Όσο χαμηλότερη είναι η ενεργειακή κατάσταση του μορίου, τόσο πιο σταθερή είναι η χημική ένωση. Η υψηλή τάση δακτυλίου αυξάνει την ενεργειακή κατάσταση του μορίου και, επομένως, αυτές οι τριγωνικές χημικές ενώσεις τείνουν να είναι εξαιρετικά αντιδραστικές για την επίτευξη χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης και να είναι σταθερές.

Θεωρία VSEPR Σχήματα μορίων

Το σχήμα ενός μορίου παίζει ζωτικό ρόλο στον προσδιορισμό των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων των μορίων. Ο χημικός δεσμός καθορίζει το σχήμα, την αντιδραστικότητα, την πολικότητα, το χρώμα και τη μαγνητική ιδιότητα ενός μορίου.

Η απώθηση ζεύγους ηλεκτρονίων αποτελεί τη θεωρητική βάση της θεωρίας VSEPR (Θεωρία απώθησης ζεύγους ηλεκτρονίων κελύφους σθένους). Η απωθητική φύση των ζευγών ηλεκτρονίων αυξάνεται με αυτή τη σειρά:

Ζεύγος δεσμών(bp)-Ζεύγος δεσμών(bp) <μοναχικό ζεύγος(lp)-ζεύγος δεσμών(bp) <μοναχικό ζεύγος(lp)-μοναχικό ζεύγος(lp)

Θεωρίες VSEPR

• Ο αριθμός των ζευγών ηλεκτρονίων του κελύφους σθένους (συνδεδεμένα ή μη) γύρω από το κεντρικό άτομο καθορίζει το σχήμα ενός μορίου.
• Καθώς τα νέφη ηλεκτρονίων είναι αρνητικά φορτισμένα και όπως τα φορτία απωθούνται μεταξύ τους, το ζεύγος ηλεκτρονίων στο φλοιό σθένους απωθεί το ένα το άλλο.
• Περισσότερη απώθηση σημαίνει περισσότερη αστάθεια. Επομένως, αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων τείνουν να καταλαμβάνουν τέτοιες θέσεις στο χώρο που θα μπορούσαν να μεγιστοποιήσουν την απόσταση μεταξύ τους και έτσι να ελαχιστοποιήσουν την απώθηση μεταξύ τους.
• Η θεωρία VSEPR ασχολείται με το φλοιό σθένους και τα ηλεκτρόνια σθένους λαμβάνονται ως ζεύγη ηλεκτρονίων που εντοπίζονται στο φλοιό σθένους σε μέγιστη απόσταση το ένα από το άλλο. Το κέλυφος σθένους λαμβάνεται ως σφαίρα.
• Πολλαπλοί δεσμοί αντιμετωπίζονται σαν να είναι ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων και τα δύο ή τρία ζεύγη ηλεκτρονίων πολλαπλών δεσμών αντιμετωπίζονται ως ένα μοναδικό υπερζεύγος.
• Ένα μόριο μπορεί να έχει δύο ή περισσότερες δομές συντονισμού. Σε αυτήν την περίπτωση, το μοντέλο VSEPR ισχύει για οποιαδήποτε τέτοια δομή.

Η παρουσία μεμονωμένων ζευγών ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα αποκλίσεις των μορίων από τα ιδανικά τους σχήματα, επειδή το μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων βιώνει μεγαλύτερη απώθηση σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια του ζεύγους δεσμών. Ο λόγος πίσω από τις μεγαλύτερες απωστικές δυνάμεις είναι ότι τα μόνα ζεύγη εντοπίζονται στα κεντρικά άτομα.

Τα γεωμετρικά σχήματα των μορίων προβλέπονται με τη βοήθεια της θεωρίας VSEPR. Για το σκοπό αυτό, τα μόρια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

• Μόρια στα οποία το κεντρικό άτομο δεν έχει μόνο ζεύγος.
• Μόρια στα οποία το κεντρικό άτομο έχει ένα ή περισσότερα μεμονωμένα ζεύγη.

Μπορούμε τώρα να βουτήξουμε βαθύτερα στα διάφορα σχήματα που μπορεί να αποκτήσουν τα μόρια λόγω της φύσης του υβριδισμού ή/και άλλων παραγόντων που συχνά χρειάζεται να μελετηθούν σε ατομική βάση.

Γραμμικό μόριο

Ένα παράδειγμα Γραμμικής μοριακής δομής είναι το CO2, όπου το άτομο άνθρακα (C) είναι παρόν στη μέση και τα δύο άτομα οξυγόνου (Ο) απέχουν 1800 μεταξύ τους. Ο υβριδισμός ενός γραμμικού μορίου είναι sp.

Τριγωνικό επίπεδο 

Ένα παράδειγμα μορίου που έχει τριγωνική επίπεδη μοριακή γεωμετρία είναι το BCl3. Σε αυτό το μόριο, το άτομο βορίου (Β) είναι παρόν στο κέντρο και τρία άτομα χλωρίου (Cl) υπάρχουν στις γωνίες ενός ισόπλευρου τριγώνου που είναι τριγωνικής επίπεδης μοριακής γεωμετρίας.

Ένα ιδανικό τριγωνικό επίπεδο σχήμα είναι διαθέσιμο σε ένα μόριο όπου και οι τρεις συνδέτες είναι πανομοιότυποι. η γωνία δεσμού σε ένα τέτοιο μόριο είναι 1200. Η απόκλιση στο ιδανικό σχήμα ενός μορίου συμβαίνει όταν υπάρχουν διαφορετικοί συνδέτες ως διαφορά ηλεκτραρνητικότητας και οι αλληλεπιδράσεις ζευγών ηλεκτρονίων επηρεάζουν το σχήμα των μορίων. Ο υβριδισμός που έχει το τριγωνικό επίπεδο είναι ο υβριδισμός sp2.

Τετραεδρικό

Ένα παράδειγμα τετραεδρικής μοριακής δομής είναι το CH4, όπου το άτομο άνθρακα (C) είναι παρόν στο κέντρο και όλα τα άλλα άτομα υδρογόνου είναι διατεταγμένα σε μια τρισδιάστατη διάταξη με γωνίες δεσμού 109,50. Ο υβριδισμός ενός τετραεδρικού μορίου είναι sp3.

Τριγωνικό διπυραμιδικό 

Ένα παράδειγμα μορίου που έχει τριγωνική διπυραμιδική δομή είναι το PCl5, όπου ένα άτομο φωσφόρου (Ρ) υπάρχει στο κέντρο και πέντε άτομα χλωρίου (Cl) το περιβάλλουν, από τα οποία τρία άτομα υπάρχουν σε ένα επίπεδο που σχηματίζει γωνία δεσμού 1200 και δύο είναι διατεταγμένα σε τρισδιάστατη διάταξη στα απέναντι άκρα του μορίου. Ο υβριδισμός που έχει το τριγωνικό διπυραμιδικό είναι sp3d.

Οκτάεδρος

Ένα παράδειγμα μορίου που έχει οκταεδρική μοριακή δομή είναι το SF6, όπου το άτομο θείου (S) υπάρχει στο κέντρο και και τα έξι άτομα φθορίου περιβάλλουν το κεντρικό άτομο σε μια τρισδιάστατη δομή με γωνίες δεσμού 900. Ο υβριδισμός που κατέχεται από το οκτάεδρο είναι το sp3d2. 

Συμπέρασμα

Ένα τεράστιο τμήμα της χημείας ασχολείται με τη μελέτη του μοριακού σχήματος και της γεωμετρίας επειδή αυτό τελικά καθορίζει την ενεργειακή κατάσταση των μορίων και καθορίζει την αντιδραστικότητα, την πολικότητα, κ.λπ. Σε μεγάλο βαθμό, η θεωρία VSEPR είναι επιτυχής στην πρόβλεψη της μοριακής γεωμετρίας των χημικών ενώσεις, ενώ οι έννοιες των απωθητικών ζευγών ηλεκτρονίων εξακολουθούν να αποτελούν σημείο συζήτησης.

Καλύψαμε τη θεωρία VSEPR, η οποία εξηγεί και δικαιολογεί τη μοριακή γεωμετρία σε ένα μεγάλο τμήμα. Έχουμε επίσης συζητήσει το τριγωνικό επίπεδο σχήμα ενός μορίου όπου καταλάβαμε ότι μια τριγωνική επίπεδη δομή είναι αυτή όπου ένα άτομο είναι παρόν στο κέντρο και τρία άτομα υπάρχουν στην κορυφή ενός ισόπλευρου τριγώνου. Τα μόρια σε τριγωνικό σχήμα, εκεί όπου τα άτομα/μόρια σχηματίζουν την κορυφή του τριγώνου και οι δεσμοί σχηματίζουν τις πλευρές, είναι εξαιρετικά ασταθή επειδή οι γωνίες δεσμού σε αυτά τα μόρια είναι περίπου 600. Μια τόσο μικρή γωνία δεσμού οδηγεί σε τάση και αστάθεια του δεσμού , και λόγω της μικρότερης σταθερότητας, αυτά τα μόρια δεν εντοπίζονται εύκολα καθώς τείνουν να αντιδρούν το συντομότερο δυνατό και να σχηματίζουν ορισμένες σταθερές ενώσεις.