Тетраэдрическая молекулярная геометрия
| Тетраэдрическая молекулярная геометрия | |
|---|---|
 | |
| Примеры | СН 4 , МnО − 4 |
| Группа точек | Т д |
| Координационный номер | 4 |
| Угол(а) связи | ≈ 109.5° |
| μ (полярность) | 0 |
В тетраэдрической геометрии молекулы центральный атом расположен в центре, а четыре заместителя расположены в углах тетраэдра . Валентные углы равны cos −1 (− 1 ⁄ 3 ) = 109,4712206...° ≈ 109,5°, когда все четыре заместителя одинаковы, как в метане ( СН 4 ) [1] [2] а также его более тяжелые аналоги . Метан и другие совершенно симметричные тетраэдрические молекулы принадлежат к точечной группе Td , но большинство тетраэдрических молекул обладают более низкой симметрией . Тетраэдрические молекулы могут быть хиральными .
Тетраэдрический валентный угол
[ редактировать ]
Валентный угол для симметричной тетраэдрической молекулы, такой как CH 4 , может быть рассчитан с использованием скалярного произведения двух векторов . Как показано на диаграмме слева, молекулу можно вписать в куб с четырехвалентным атомом (например, углерода ) в центре куба, который является началом координат O. Четыре одновалентных атома (например, водорода) находятся в четырех углах куба. куб (A, B, C, D) выбран так, что никакие два атома в соседних углах не связаны только одним ребром куба.
Если длина ребра куба выбрана равной 2 единицам, то двум связям OA и OB соответствуют векторам a = (1, –1, 1) и b = (1, 1, –1), а валентному углу θ — угол между этими двумя векторами. Этот угол можно вычислить из скалярного произведения двух векторов, определяемого как a • b = || а || || б || потому что θ где || а || обозначает длину вектора a . Как показано на диаграмме, скалярное произведение здесь равно –1, а длина каждого вектора равна √3, так что cos θ = –1/3 и тетраэдрический валентный угол θ = arccos (–1/3) ≃ 109,47°.
Альтернативное доказательство с использованием тригонометрии показано на схеме справа.
Примеры
[ редактировать ]Химия основной группы
[ редактировать ]
За исключением практически всех насыщенных органических соединений, большинство соединений Si, Ge и Sn являются тетраэдрическими. Часто тетраэдрические молекулы имеют множественные связи с внешними лигандами, как в четырехокисье ксенона (XeO 4 ), перхлорат- ионе ( ClO − 4 ), сульфат- ион ( SO 2− 4 ), фосфат- ион ( ПО 3- 4 ). Тиазилтрифторид ( SNF 3 ) тетраэдрический, с тройной связью сера-азот. [3]
Другие молекулы имеют тетраэдрическое расположение электронных пар вокруг центрального атома; например аммиак ( NH 3 ) с атомом азота, окруженным тремя атомами водорода и одной неподеленной парой . Однако обычная классификация рассматривает только связанные атомы, а не неподеленную пару, так что аммиак фактически считается пирамидальным . Углы H–N–H составляют 107°, сокращены до 109,5°. Это различие объясняется влиянием неподеленной пары, которая оказывает большее отталкивающее влияние, чем связанный атом. [ нужна ссылка ]
Химия переходных металлов
[ редактировать ]Опять же, геометрия широко распространена, особенно для комплексов, где металл имеет d 0 или д 10 конфигурация. Иллюстративные примеры включают тетракис(трифенилфосфин)палладий(0) ( Pd[P(C 6 H 5 ) 3 ] 4 ), карбонил никеля ( Ni(CO) 4 ) и тетрахлорид титана ( TiCl4 ) . Многие комплексы с неполностью заполненными d-оболочками часто являются тетраэдрическими, например тетрагалогениды железа(II), кобальта(II) и никеля(II).
Структура воды
[ редактировать ]В газовой фазе одна молекула воды имеет атом кислорода, окруженный двумя атомами водорода и двумя неподеленными парами. Геометрия H 2 O просто описывается как изогнутая , без учета несвязывающих неподеленных пар. [ нужна ссылка ]
Однако в жидкой воде или льду неподеленные пары образуют водородные связи с соседними молекулами воды. Наиболее распространенное расположение атомов водорода вокруг кислорода — тетраэдрическое, в котором два атома водорода ковалентно связаны с кислородом, а два — водородными связями. Поскольку водородные связи различаются по длине, многие из этих молекул воды несимметричны и образуют временные неправильные тетраэдры между четырьмя связанными с ними атомами водорода. [4]
Битетраэдрические структуры
[ редактировать ]
Многие соединения и комплексы принимают битетраэдрическую структуру. В этом мотиве два тетраэдра имеют общее ребро. Неорганический полимер дисульфид кремния представляет собой бесконечную цепочку тетраэдров с общими ребрами. В полностью насыщенной углеводородной системе битетраэдрическая молекула C 8 H 6 предложена в качестве кандидата на роль молекулы с максимально короткой одинарной связью углерод-углерод . [5]
Исключения и искажения
[ редактировать ]Инверсия тетраэдров широко распространена в органической химии и химии основных групп. Инверсия Уолдена иллюстрирует стереохимические последствия инверсии углерода. Инверсия азота в аммиаке также влечет за собой временное образование плоских NH3 .
Перевернутая тетраэдрическая геометрия
[ редактировать ]Геометрические ограничения в молекуле могут вызвать серьезное искажение идеализированной геометрии тетраэдра. В соединениях с «перевернутой» тетраэдрической геометрией у атома углерода все четыре группы, присоединенные к этому углероду, находятся на одной стороне плоскости. [6] Атом углерода расположен на вершине квадратной пирамиды или рядом с ней , а остальные четыре группы — в углах. [7] [8]
Простейшими примерами органических молекул, имеющих геометрию перевернутого тетраэдра, являются наименьшие пропелланы , такие как [1.1.1] пропеллан ; или, в более общем смысле, гребные дорожки , [9] и пирамидан ([3.3.3.3]фенестран). [7] [8] Такие молекулы обычно напряжены , что приводит к увеличению реакционной способности.
Планаризация
[ редактировать ]Тетраэдр также можно исказить, увеличив угол между двумя связями. В крайнем случае, результат выравнивается. Для углерода это явление можно наблюдать в классе соединений, называемых фенестранами . [ нужна ссылка ]
Тетраэдрические молекулы без центрального атома
[ редактировать ]Некоторые молекулы имеют тетраэдрическую геометрию без центрального атома. Неорганический пример - тетрафосфор ( P 4 ), который имеет четыре атома фосфора в вершинах тетраэдра и каждый из них связан с тремя другими. Органический пример — тетраэдран ( C 4 H 4 ) с четырьмя атомами углерода, каждый из которых связан с одним водородом и тремя другими атомами углерода. В этом случае теоретический угол связи C-C-C составляет всего 60 ° (на практике угол будет больше из-за изогнутых связей ), что представляет собой большую степень деформации. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Алджер, Ник. «Угол между двумя катетами тетраэдра» . Архивировано из оригинала 3 октября 2018 г.
- ^ Бриттин, МЫ (1945). «Валентный угол тетраэдрического атома углерода». Дж. Хим. Образование. 22 (3): 145. Бибкод : 1945ЖЧЭд..22..145Б . дои : 10.1021/ed022p145 .
- ^ Мисслер, Г.Л.; Тарр, Д.А. (2004). Неорганическая химия (3-е изд.). Пирсон/Прентис Холл. ISBN 0-13-035471-6 .
- ^ Мейсон, ЧП; Брэди, JW (2007). « «Тетраэдральность» и связь между коллективной структурой и функциями радиального распределения в жидкой воде». Дж. Физ. хим. Б. 111 (20): 5669–5679. дои : 10.1021/jp068581n . ПМИД 17469865 .
- ^ Се, Яомин; Шефер, Генри Ф. (29 сентября 1989 г.). «Битраэдрическая молекула C8H6: кратчайшее возможное расстояние связи CC для насыщенного углеводорода?» . Письма по химической физике . 161 (6): 516–518. Бибкод : 1989CPL...161..516X . дои : 10.1016/0009-2614(89)87031-9 . ISSN 0009-2614 .
- ^ Виберг, Кеннет Б. (1984). «Перевернутая геометрия углерода». Акк. хим. Рез. 17 (11): 379–386. дои : 10.1021/ar00107a001 .
- ^ Jump up to: а б Джозеф П. Кенни; Карл М. Крюгер; Джонатан К. Риенстра-Киракофе; Генри Ф. Шефер III (2001). «C 5 H 4 : Пирамидан и его низколежащие изомеры». Дж. Физ. хим. А. 105 (32): 7745–7750. Бибкод : 2001JPCA..105.7745K . дои : 10.1021/jp011642r .
- ^ Jump up to: а б Льюарс, Э. (1998). «Пирамидан: ab initio исследование поверхности потенциальной энергии C 5 H 4 ». Журнал молекулярной структуры: THEOCHEM . 423 (3): 173–188. дои : 10.1016/S0166-1280(97)00118-8 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « paddlanes ». два : 10.1351/goldbook.P04395
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Примеры тетраэдрических молекул
- Анимированный тетраэдрический визуал
- Элмхерст Колледж
- Интерактивные молекулярные примеры для точечных групп
- 3D Chem – химия, структуры и 3D-молекулы
- IUMSC – Центр молекулярной структуры Университета Индианы]
- Сложная геометрия иона: тетраэдрическая.
- Молекулярное моделирование
| Координационный номер 2 | |
|---|---|
| Координационный номер 3 | |
| Координационный номер 4 | |
| Координационный номер 5 | |
| Координационный номер 6 | |
| Координационный номер 7 | |
| Координационный номер 8 | |
| Координационный номер 9 | |
