Molekulární geometrie - Molecular geometry
Molekulární geometrie je trojrozměrné uspořádání atomů, které tvoří molekulu . Obsahuje obecný tvar molekuly a také délky vazeb, úhly vazeb, torzní úhly a jakékoli další geometrické parametry, které určují polohu každého atomu.
Molekulární geometrie ovlivňuje několik vlastností látky včetně její reaktivity , polarity , fáze hmoty , barvy , magnetismu a biologické aktivity . Úhly mezi vazbami, které atom tvoří, závisí pouze slabě na zbytku molekuly, tj. Lze je chápat jako přibližně lokální a tedy přenosné vlastnosti .
odhodlání
Molekulární geometrii lze určit různými spektroskopickými metodami a difrakčními metodami. IR , mikrovlnná a Ramanova spektroskopie mohou poskytnout informace o geometrii molekuly z podrobností vibrační a rotační absorbance detekované těmito technikami. Rentgenová krystalografie , neutronová difrakce a elektronová difrakce mohou poskytnout molekulární strukturu krystalických pevných látek na základě vzdálenosti mezi jádry a koncentrace elektronové hustoty. Plynovou elektronovou difrakci lze použít pro malé molekuly v plynné fázi. Metody NMR a FRET lze použít ke stanovení komplementárních informací včetně relativních vzdáleností, dihedrálních úhlů, úhlů a konektivity. Molekulární geometrie se nejlépe stanoví při nízké teplotě, protože při vyšších teplotách je molekulární struktura zprůměrována na přístupnějších geometriích (viz následující část). Větší molekuly často existují ve více stabilních geometriích ( konformační izomerismus ), které jsou si energeticky blízké na povrchu potenciální energie . Geometrie mohou být také vypočítány ab initio metodami kvantové chemie s vysokou přesností. Molekulární geometrie se může lišit jako pevná látka, v roztoku a jako plyn.
Poloha každého atomu je dána povahou chemických vazeb , kterými je spojen se svými sousedními atomy. Molekulární geometrii lze popsat polohami těchto atomů v prostoru, které evokují délky vazeb dvou spojených atomů, úhly vazeb tří spojených atomů a torzní úhly ( dihedrální úhly ) tří po sobě jdoucích vazeb.
Vliv tepelného buzení
Protože pohyby atomů v molekule jsou určeny kvantovou mechanikou, „pohyb“ musí být definován kvantově mechanickým způsobem. Celková (vnější) translace a rotace kvantových mechanických pohybů téměř nemění geometrii molekuly. (Rotace do určité míry ovlivňuje geometrii pomocí Coriolisových sil a odstředivého zkreslení , ale to je pro tuto diskusi zanedbatelné.) Kromě translace a rotace je třetím typem pohybu molekulární vibrace , která odpovídá vnitřním pohybům atomů, jako je jako natahování vazby a variace úhlu vazby. Molekulární vibrace jsou harmonické (alespoň k dobrému přiblížení) a atomy kmitají kolem svých rovnovážných poloh, dokonce i při absolutní nule teploty. Při absolutní nule jsou všechny atomy ve svém vibračním základním stavu a vykazují kvantový mechanický pohyb nulového bodu , takže vlnová funkce jednoho vibračního režimu není ostrý vrchol, ale exponenciál konečné šířky (vlnová funkce pro n = 0 je znázorněna na článek o kvantovém harmonickém oscilátoru ). Při vyšších teplotách mohou být vibrační režimy tepelně buzeny (v klasické interpretaci je to vyjádřeno prohlášením, že „molekuly budou vibrovat rychleji“), ale stále kmitají kolem rozpoznatelné geometrie molekuly.
Abychom získali pocit pravděpodobnosti, že vibrace molekuly mohou být tepelně buzeny, zkontrolujeme Boltzmannův faktor β ≡ exp ( - Δ E/kT) , Kde Δ E je excitační energie vibračního módu, k je konstanta Boltzmannovu a T je absolutní teplota. Při 298 K (25 ° C) jsou typické hodnoty pro Boltzmannův faktor β následující:
- β = 0,089 pro Δ E = 500 cm −1
- β = 0,008 pro Δ E = 1 000 cm −1
- β = 0,0007 pro Δ E = 1 500 cm −1 .
( Reciproční centimetr je energetická jednotka, která se běžně používá v infračervené spektroskopii ; 1 cm −1 odpovídá1,239 84 × 10 −4 eV ). Když je excitační energie 500 cm −1 , pak je při pokojové teplotě tepelně excitováno asi 8,9 procent molekul. Abych to uvedl na pravou míru: nejnižší excitační vibrační energie ve vodě je režim ohybu (asi 1600 cm −1 ). Při pokojové teplotě tedy bude vibrovat méně než 0,07 procent všech molekul daného množství vody rychleji než při absolutní nule.
Jak je uvedeno výše, rotace téměř neovlivňuje molekulární geometrii. Ale jako kvantově mechanický pohyb je tepelně buzen při relativně nízkých teplotách (ve srovnání s vibracemi). Z klasického hlediska lze konstatovat, že při vyšších teplotách se více molekul bude otáčet rychleji, což znamená, že mají vyšší úhlovou rychlost a moment hybnosti . V kvantově mechanickém jazyce: více vlastních stavů vyšší hybnosti se tepelně zalidňuje rostoucími teplotami. Typické energie rotační excitace jsou řádově několik cm −1 . Výsledky mnoha spektroskopických experimentů jsou rozšířeny, protože zahrnují zprůměrování rotačních stavů. Extrahování geometrií ze spekter při vysokých teplotách je často obtížné, protože počet rotačních stavů sondovaných v experimentálním zprůměrování se zvyšuje s rostoucí teplotou. Lze tedy očekávat, že mnoho spektroskopických pozorování poskytne spolehlivé molekulární geometrie při teplotách blízkých absolutní nule, protože při vyšších teplotách je tepelně osídleno příliš mnoho vyšších rotačních stavů.
Lepení
Molekuly jsou podle definice nejčastěji drženy pohromadě s kovalentními vazbami zahrnujícími jednoduché, dvojité a/nebo trojné vazby, kde „vazba“ je sdílený pár elektronů (další způsob vazby mezi atomy se nazývá iontová vazba a zahrnuje pozitivní kation a negativní anion ).
Molekulární geometrii lze specifikovat z hlediska délek vazeb , vazebných úhlů a torzních úhlů . Délka vazby je definována jako průměrná vzdálenost mezi jádry dvou atomů spojených dohromady v jakékoli dané molekule. Úhel vazby je úhel vytvořený mezi třemi atomy přes alespoň dvě vazby. U čtyř atomů spojených dohromady v řetězci je torzní úhel úhel mezi rovinou tvořenou prvními třemi atomy a rovinou tvořenou posledními třemi atomy.
Mezi úhly vazby pro jeden centrální atom a čtyři periferní atomy (označené 1 až 4) existuje matematický vztah vyjádřený následujícím determinantem. Toto omezení odstraní jeden stupeň volnosti z volby (původně) šesti volných úhlů vazby a ponechá pouze pět voleb úhlů vazby. (Všimněte si, že úhly θ 11 , θ 22 , θ 33 a θ 44 jsou vždy nulové a že tento vztah lze upravit pro různý počet periferních atomů rozšířením/smrštěním čtvercové matice.)
Molekulární geometrie je určena kvantově mechanickým chováním elektronů. Pomocí aproximace valenčních vazeb to lze pochopit podle typu vazeb mezi atomy, které tvoří molekulu. Když atomy interagují za vzniku chemické vazby , atomové orbitaly každého atomu se údajně spojí v procesu nazývaném orbitální hybridizace . Dva nejběžnější typy vazeb jsou sigma vazby (obvykle tvořené hybridními orbitaly) a pi vazby (tvořené nehybridizovanými p orbitaly pro atomy prvků hlavní skupiny ). Geometrii lze také pochopit molekulární orbitální teorií, kde jsou elektrony delokalizovány.
Pochopení vlnového chování elektronů v atomech a molekulách je předmětem kvantové chemie .
Izomery
Izomery jsou typy molekul, které sdílejí chemický vzorec, ale mají odlišnou geometrii, což má za následek různé vlastnosti:
- Čistá látka je tvořena pouze jedním typem izomeru molekuly (všechny mají stejnou geometrickou strukturu).
-
Strukturní izomery mají stejný chemický vzorec, ale různá fyzikální uspořádání, často tvoří alternativní molekulární geometrie s velmi odlišnými vlastnostmi. Atomy nejsou spojeny (spojeny) dohromady ve stejných řádech.
- Funkční izomery jsou speciální druhy strukturních izomerů, kde určité skupiny atomů vykazují zvláštní druh chování, například ether nebo alkohol.
- Stereoisomery mohou mít mnoho podobných fyzikálně -chemických vlastností (teplota tání, teplota varu) a současně velmi odlišné biochemické aktivity. Důvodem je, že projevují šikovnost, která se běžně vyskytuje v živých systémech. Jedním z projevů této chirality nebo rukou je, že mají schopnost otáčet polarizované světlo v různých směrech.
- Skládání proteinů se týká složitých geometrií a různých izomerů, které mohou proteiny přijímat.
Typy molekulární struktury
Úhel vazby je geometrický úhel mezi dvěma sousedními vazbami. Mezi běžné tvary jednoduchých molekul patří:
- Lineární : V lineárním modelu jsou atomy spojeny přímkou. Úhly spoje jsou nastaveny na 180 °. Například oxid uhličitý a oxid dusnatý mají lineární molekulární tvar.
- Trigonální rovinné : Molekuly s trigonálním rovinným tvarem jsou poněkud trojúhelníkové a v jedné rovině (ploché) . V důsledku toho jsou úhly vazby nastaveny na 120 °. Například fluorid boritý .
- Úhlové : Úhlové molekuly (nazývané také ohnuté nebo ve tvaru písmene V ) mají nelineární tvar. Například voda (H 2 O), která má úhel asi 105 °. Molekula vody má dva páry spojených elektronů a dva nesdílené osamocené páry.
- Čtyřboký : Tetra- znamená čtyři a -hedral týká povrchu pevné látky, takže „ čtyřboká “ doslova znamená „mající čtyři plochy“. Tento tvar je nalezen, když existují čtyři vazby na jednom centrálním atomu , bez dalších nesdílených elektronových párů. V souladu s VSEPR (teorie odpuzování elektronových párů valence-skořápka) jsou úhly vazeb mezi elektronovými vazbami arccos (-1/3) = 109,47 °. Například metan (CH 4 ) je čtyřboká molekula.
- Octahedral : Octa- znamená osm a -hedral se vztahuje k ploše tělesa, takže „ octahedral “ znamená „mít osm tváří“. Úhel vazby je 90 stupňů. Například hexafluorid síry (SF 6 ) je oktaedrická molekula.
- Trigonální pyramidální : Trigonální pyramidová molekula má tvar pyramidy s trojúhelníkovou základnou. Na rozdíl od lineárních a trigonálních rovinných tvarů, ale podobných tetrahedrální orientaci, pyramidové tvary vyžadují tři rozměry, aby se elektrony zcela oddělily. Zde jsou pouze tři páry vázaných elektronů, takže jeden nesdílený osamocený pár. Osamělý pár - odpuzování párových párů mění úhel vazby z tetraedrického úhlu na mírně nižší hodnotu. Například čpavek (NH 3 ).
Tabulka VSEPR
Úhly vazeb v následující tabulce jsou ideální úhly z jednoduché teorie VSEPR (vyslovuje se „Vesperova teorie“), následované skutečným úhlem pro příklad uvedený v následujícím sloupci, kde se tento rozdíl liší. V mnoha případech, jako jsou trigonální pyramidální a ohnuté, se skutečný úhel v příkladu liší od ideálního úhlu a příklady se liší v různých velikostech. Například, úhel v H 2 S (92 °) se liší od čtyřboké úhel o mnohem více, než je úhel pro H 2 O (104.48 °) dělá.
| Atomy vázané na centrální atom |
Osamělé páry | Elektronové domény (sterické číslo) |
Tvar | Ideální úhel vazby ( úhel vazby příkladu) |
Příklad | obraz |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 0 | 2 | lineární | 180 ° | CO 2 |
|
| 3 | 0 | 3 | trigonální planární | 120 ° | BF 3 |
|
| 2 | 1 | 3 | ohnutý | 120 ° (119 °) | SO 2 |
|
| 4 | 0 | 4 | čtyřboká | 109,5 ° | CH 4 |
|
| 3 | 1 | 4 | trigonální pyramidální | 109,5 (107,8 °) | NH 3 |
|
| 2 | 2 | 4 | ohnutý | 109,5 ° (104,48 °) | H 2 O |
|
| 5 | 0 | 5 | trigonální bipyramidové | 90 °, 120 ° | PCl 5 |
|
| 4 | 1 | 5 | houpačka | sekera – osa 180 ° (173,1 °), rovnice – ekv. 120 ° (101,6 °), sekce – ekv. 90 ° |
SF 4 |
|
| 3 | 2 | 5 | Ve tvaru T. | 90 ° (87,5 °), 180 ° (175 °) | ClF 3 |
|
| 2 | 3 | 5 | lineární | 180 ° | XeF 2 |
|
| 6 | 0 | 6 | osmiboká | 90 °, 180 ° | SF 6 |
|
| 5 | 1 | 6 | čtvercový pyramidový | 90 ° (84,8 °) | BrF 5 |
|
| 4 | 2 | 6 | čtvercový rovinný | 90 °, 180 ° | XeF 4 |
|
| 7 | 0 | 7 | pětiboký bipyramidový | 90 °, 72 °, 180 ° | IF 7 |
|
| 6 | 1 | 7 | pětiboký pyramidový | 72 °, 90 °, 144 ° |
XeOF- 5 |
|
| 5 | 2 | 7 | pětiúhelníkový rovinný | 72 °, 144 ° |
XeF- 5 |
|
| 8 | 0 | 8 | náměstí antiprismatic |
XeF2- 8 |
|
|
| 9 | 0 | 9 | trojúhelníkový trigonální prizmatický |
ReH2- 9 |
|
3D reprezentace
- Čára nebo tyč - atomová jádra nejsou zastoupena, pouze vazby jako tyčinky nebo čáry. Stejně jako ve 2D molekulárních strukturách tohoto typu jsou atomy implikovány v každém vrcholu.
 |
 |
 |
 |
- Graf elektronové hustoty - ukazuje elektronovou hustotu určenou buď krystalograficky nebo pomocí kvantové mechaniky, nikoli zřetelnými atomy nebo vazbami.
 |
 |
- Ball and stick - atomová jádra jsou reprezentována koulemi (koulemi) a vazbami jako tyčkami.
 |
 |
 |
 |
- Modely vyplňující vesmír nebo CPK (také schéma atomového barvení v reprezentacích) - molekula je reprezentována překrývajícími se koulemi představujícími atomy.
 |
 |
 |
 |
- Cartoon - znázornění používané pro proteiny, kde jsou smyčky, beta listy a alfa helixy znázorněny schematicky a žádné atomy ani vazby nejsou výslovně zastoupeny (např. Páteř proteinu je znázorněna jako hladká trubka).
 |
 |
 |
 |
Čím větší je množství osamocených párů obsažených v molekule, tím menší jsou úhly mezi atomy dané molekuly. Teorie VSEPR předpovídá, že volných párů vzájemně odpuzují, čímž tlačí na různé atomy pryč od nich.
Viz také
Reference
externí odkazy
- Molekulární geometrie a polarita Výuková 3D vizualizace molekul k určení polarity.
- Molekulární geometrie využívající krystaly 3D vizualizace struktury molekul pomocí krystalografie.