Tipos e exemplos de geometria molecular

O geometria molecular o estrutura molecularé a distribuição espacial dos átomos em torno de um átomo central. Os átomos representam regiões onde há alta densidade eletrônica e, portanto, grupos eletrônicos são considerados, independentemente dos elos que eles formam (simples, duplo ou triplo).

Este conceito nasce da combinação e dados experimentais de duas teorias: a da ligação de valência (VTE) e a da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência (VSEPR). Enquanto o primeiro define os links e seus ângulos, o segundo estabelece a geometria e, portanto, a estrutura molecular.

Quais formas geométricas são moléculas capazes de adotar? As duas teorias anteriores fornecem as respostas. De acordo com o VSEPR, os átomos e pares de elétrons livres devem ser dispostos no espaço de forma a minimizar a repulsão eletrostática entre eles.

Portanto, as formas geométricas não são arbitrárias, mas procuram o design mais estável. Por exemplo, na imagem superior, um triângulo pode ser visto à esquerda e um octaedro à direita. Os pontos verdes representam os átomos e as franjas alaranjadas representam as ligações.

No triângulo, os três pontos verdes são orientados em uma separação de 120º. Esse ângulo, que é igual ao da ligação, permite que os átomos se repelem o mínimo possível. Portanto, uma molécula com um átomo central ligado a outras três adotará uma geometria do plano trigonal.

No entanto, o VSCR prevê que um par de elétrons livres no átomo central irá distorcer a geometria. Para o caso do plano trigonal, este par irá empurrar para baixo os três pontos verdes, resultando em uma geometria da pirâmide trigonal.

O mesmo também pode acontecer com o octaedro da imagem. Nele, todos os átomos são separados da maneira mais estável possível.

Índice

• 1 Como saber de antemão a geometria molecular de um átomo X?
• 2 tipos
  • 2.1 Linear
  • 2.2 Angular
  • 2.3 Tetraédrico
  • 2,4 Bipirâmide trigonal
  • 2.5 Octaedro
  • 2.6 Outras geometrias moleculares
• 3 exemplos
  • 3.1 geometria linear
  • 3.2 geometria angular
  • 3.3 Plano Trigonal
  • 3,4 Tetraédrico
  • 3.5 Pirâmide Trigonal
  • 3.6 Bipirâmide trigonal
  • 3.7 Oscilante
  • 3.8 Forma de T
  • 3,9 Octaédrica
• 4 referências

Como saber de antemão a geometria molecular de um átomo X?

Para isso, é necessário considerar também os pares de elétrons livres como grupos eletrônicos. Estes, juntamente com os átomos, definirão o que é conhecido como geometria eletrônica, que é o companheiro inseparável da geometria molecular.

A partir da geometria eletrônica, e tendo detectado pela estrutura de Lewis os pares de elétrons livres, pode-se estabelecer qual será a geometria molecular. A soma de todas as geometrias moleculares fornecerá um esboço da estrutura global.

Tipos

Como visto na imagem principal, a geometria molecular depende de quantos átomos rodeiam o átomo central. No entanto, se um par de elétrons estiver presente sem compartilhar, ele modificará a geometria porque ocupa muito volume. Portanto, exerce um efeito estérico.

De acordo com isso, a geometria pode apresentar uma série de formas características para muitas moléculas. E é aí que surgem diferentes tipos de geometria molecular ou estrutura molecular.

Quando a geometria é igual à estrutura? Ambos denotam o mesmo apenas nos casos em que a estrutura não possui mais de um tipo de geometria; caso contrário, todos os tipos presentes devem ser considerados e a estrutura deve receber um nome global (linear, ramificado, globular, plano, etc.).

As geometrias são especialmente úteis para explicar a estrutura de um sólido de suas unidades estruturais.

Linear

Todas as ligações covalentes são direccionais, pelo que a ligação A-B é linear. Mas a molécula AB será linear?₂? Se sim, a geometria é simplesmente representada como: B-A-B. Os dois átomos de B estão separados por um ângulo de 180 °, e de acordo com o TEV, A deve ter orbitais híbridos sp.

Angular

Pode-se assumir, em primeira instância, uma geometria linear para a molécula AB₂; no entanto, é essencial desenhar a estrutura de Lewis antes de chegar a uma conclusão. Desenhando a estrutura de Lewis, pode-se identificar o número de pares de elétrons sem compartilhar (:) no átomo de A.

Quando isto acontece, no topo dos pares de elétrons, empurre os dois átomos de B para baixo, mudando seus ângulos. Como resultado, a molécula linear B-A-B acaba se tornando um V, um bumerangue ou uma geometria angular (imagem superior)

A molécula de água, H-O-H, é o exemplo ideal para esse tipo de geometria. No átomo de oxigênio há dois pares de elétrons sem compartilhamento, que são orientados em um ângulo aproximado de 109º.

Por que esse ângulo? Porque a geometria eletrônica é tetraédrica, que tem quatro vértices: dois para átomos de H e dois para elétrons. Na imagem acima, observe que os pontos verdes e os dois "lobos com os olhos" desenham um tetraedro com o ponto azulado no centro.

Se o O não tivesse pares de elétrons livres, a água formaria uma molécula linear, sua polaridade diminuiria e os oceanos, mares, lagos, etc., provavelmente não existiriam como são conhecidos.

Tetraédrico

A imagem superior representa a geometria tetraédrica. Para a molécula de água, sua geometria eletrônica é tetraédrica, mas ao eliminar os pares livres de elétrons pode-se ver que ela é transformada em uma geometria angular. Isso também é observado simplesmente pela eliminação de dois pontos verdes; os dois restantes desenharão o V com o ponto azul.

E se, em vez de dois pares de elétrons livres, houvesse apenas um? Então haveria um plano trigonal (imagem principal). No entanto, ao eliminar um grupo eletrônico, o efeito estérico produzido pelo par de elétrons livres não é evitado. Portanto, distorce o plano trigonal para uma pirâmide de base triangular:

Embora a geometria molecular da pirâmide trigonal e tetraédrica seja diferente, a geometria eletrônica é a mesma: tetraédrica. Então a pirâmide trigonal não conta como geometria eletrônica?

A resposta é não, já que é um produto da distorção causada pelo "lóbulo com os olhos" e seu efeito estérico, e essa geometria não leva em conta as distorções posteriores.

Por essa razão, é sempre importante determinar primeiro a geometria eletrônica com a ajuda das estruturas de Lewis antes de definir a geometria molecular. A molécula de amônia, NH₃, é um exemplo de geometria molecular da pirâmide trigonal, mas com geometria eletrônica tetraédrica.

Pirâmide Trigonal

Até agora, com exceção da geometria linear, na pirâmide tetraédrica, angular e trigonal, seus átomos centrais têm hibridização sp³, de acordo com o TEV. Isto significa que se os seus ângulos de ligação fossem determinados experimentalmente, eles deveriam estar em torno de 109º.

A partir da geometria dip-nidal trigonal, existem cinco grupos eletrônicos ao redor do átomo central. Na imagem superior você pode ver com os cinco pontos verdes; três na base triangular e dois em posições axiais, que são os vértices superiores e inferiores da pirâmide.

Qual hibridação o ponto azul tem então? Precisa de cinco orbitais híbridos para formar os laços simples (laranja). Isto é conseguido através dos cinco orbitais sp³d (produto da mistura de um orbital s, três pe d).

Ao considerar cinco grupos eletrônicos, a geometria é a que já está exposta, mas tendo pares de elétrons sem compartilhamento, esta sofre novamente distorções que geram outras geometrias. Além disso, surge a seguinte questão: esses pares podem ocupar qualquer posição na pirâmide? Estes são: o axial ou o equatorial.

Posições axiais e equatoriais

Os pontos verdes que compõem a base triangular estão em posições equatoriais, enquanto os dois nas extremidades superior e inferior, em posições axiais. Onde, preferencialmente, o par de elétrons sem compartilhamento será localizado? Nessa posição, isso minimiza a repulsão eletrostática e o efeito estérico.

Axialmente localizar o par de electrões ia "pressão" perpendicular (90) na base triangular, enquanto se na posição equatorial, os grupos electrónicos duas restantes da base seria de 120 ° afastados e vai pressionar as duas extremidades 90 ° (em vez de três, como na base).

Portanto, o átomo central procurará orientar seus pares livres de elétrons nas posições equatoriais para gerar geometrias moleculares mais estáveis.

Oscilante e em forma de T

Se a geometria bipirâmide trigonal substituísse um ou mais de seus átomos por pares livres de elétrons, também teria diferentes geometrias moleculares.

À esquerda da imagem superior, a geometria muda para a forma oscilante. Nele, o par de elétrons livres empurra o restante dos quatro átomos na mesma direção, dobrando seus elos para a esquerda. Note que este par e dois dos átomos estão no mesmo plano triangular da dipirâmide original.

E a direita da imagem, a geometria em forma de T Esta geometria molecular é o resultado da substituição de dois átomos por dois pares de electrões, consequentemente resultando nos restantes três átomos estão alinhados no mesmo plano, formando exatamente uma carta T.

Então, para uma molécula do tipo AB₅, adota a geometria bipirâmide trigonal. No entanto, AB₄, com a mesma geometria eletrônica, adotará a geometria oscilante; e AB₃, a geometria em forma de T. Em todos eles, A terá (geralmente) sp hibridização³d.

Para determinar a geometria molecular é necessário desenhar a estrutura de Lewis e, portanto, sua geometria eletrônica. Se esta for uma bipirâmide trigonal, então os pares livres de elétrons serão descartados, mas não seus efeitos estéricos sobre o resto dos átomos. Assim, pode-se distinguir perfeitamente entre as três possíveis geometrias moleculares.

Octaédrica

A geometria molecular octaédrica é representada à direita da imagem principal. Este tipo de geometria corresponde aos compostos AB₆. AB₄ eles formam a base quadrada, enquanto os dois restantes B estão posicionados em posições axiais. Assim, vários triângulos equiláteros são formados, que são as faces do octaedro.

Aqui, novamente, pode haver (como em todas as geometrias eletrônicas) pares de elétrons livres e, portanto, outras geometrias moleculares derivam desse fato. Por exemplo, AB₅ com geometria eletrônica octaédrica consiste de uma pirâmide com uma base quadrada, e AB₄ de um plano quadrado:

Para o caso da geometria eletrônica octaédrica, essas duas geometrias moleculares são as mais estáveis ​​em termos de repulsão eletrostática. Na geometria quadrada-planar, os dois pares de elétrons estão separados por 180 °.

Qual é a hibridização do átomo A nessas geometrias (ou estruturas, se for a única)? Mais uma vez, o TEV estabelece que é sp³d², seis orbitais híbridos, que permitem que A oriente os grupos eletrônicos nos vértices de um octaedro.

Outras geometrias moleculares

Modificando as bases das pirâmides mencionadas até agora, algumas geometrias moleculares mais complexas podem ser obtidas. Por exemplo, a bipirâmide pentagonal é baseada em um pentágono e os compostos que a formam têm uma fórmula geral AB₇.

Como as outras geometrias moleculares, substituir átomos de B por pares livres de elétrons distorcerá a geometria para outras formas.

Além disso, os compostos AB₈ eles podem adotar geometrias como o antiprisma quadrado. Algumas geometrias podem ser muito complicadas, especialmente para fórmulas AB₇ em diante (até AB₁₂).

Exemplos

Em seguida, uma série de compostos será mencionada para cada uma das principais geometrias moleculares. Como um exercício, você poderia desenhar as estruturas de Lewis para todos os exemplos e certificar se, dada a geometria eletrônica, você obtém as geometrias moleculares conforme listado abaixo.

Geometria linear

-Etileno, H₂C≡CH₂

-Cílio de berílio, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

Dióxido de carbono, CO₂ (O = C = O)

-Nitrogênio, N₂ (N≡N)

- brometo de mercúrio, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anión triyoduro, eu₃^- (Eu-eu-eu)

Ácido-cianídrico, HCN (H-N≡C)

Seus ângulos devem ser de 180º e, portanto, possuem hibridização sp.

Geometria angular

-A água

Dióxido de enxofre, SO₂

Dióxido de nitrogênio NÃO₂

-Ozone, ó₃

-Anion amiduro, NH₂^-

Plano Trigonal

Trifluoreto de Bromo, BF₃

Tricloreto de alumínio, AlCl₃

-Anion nitrato, NÃO₃^-

Carbonato de Anion, CO₃^2-

Tetraédrico

-Gás metano, CH₄

Tetracloreto de carbono, CCl₄

-Catión amonio, NH₄⁺

Sulfato de ânion, SO₄^2-

Pirâmide Trigonal

Amônia, NH₃

Hidrônio de ligação, H₃O⁺

Pirâmide Trigonal

-Fosfato de fosfato, PF₅

-Pentamina-antimônio, SbF₅

Oscilante

Tetrafluoreto de enxofre, SF₄

Forma de t

Tricloreto de iodo, ICl₃

-Clorofluoreto ClF₃ (ambos os compostos são conhecidos como interhalogênicos)

Octaédrica

-Hex enxofre enxofre, SF₆

-Hexafluoreto de sódio, SeF₆

-Hexafluorofosfato PF₆^-

Para culminar, a geometria molecular é o que explica as observações das propriedades químicas ou físicas da matéria. No entanto, ele é orientado de acordo com a geometria eletrônica, de modo que o último deve ser sempre determinado antes do primeiro.

Referências

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química (8a ed.). CENGAGE Learning, p 194-198.
2. Arrepio e Atkins. (2008). Química Inorgânica (Quarta edição., Pp. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria molecular e teoria VSEPR. Retirado de: nyu.edu
4. Chembook Virtual, Charles E. Ophardt. (2003). Introdução à Geometria Molecular. Retirado de: chemistry.elmhurst.edu
5. Química LibreTexts. (8 de setembro de 2016). Geometria de Moléculas. Retirado de: chem.libretexts.org