Types de géométrie moléculaire et exemples

Le géométrie moléculaire o structure moléculaireest la distribution spatiale des atomes autour d'un atome central. Les atomes représentent des régions où la densité électronique est élevée et, par conséquent, les groupes électroniques sont pris en compte, quels que soient les liens qu'ils forment (simple, double ou triple).

Ce concept est né de la combinaison et des données expérimentales de deux théories: celle de la liaison de valence (VTE) et celle de la répulsion des paires électroniques de la couche de valence (VSEPR). Alors que le premier définit les liens et leurs angles, le second établit la géométrie et donc la structure moléculaire.

Quelles formes géométriques sont des molécules capables d'adopter? Les deux théories précédentes fournissent les réponses. Selon le VSEPR, les atomes et les paires d’électrons libres doivent être disposés dans l’espace de manière à minimiser la répulsion électrostatique entre eux.

Les formes géométriques ne sont donc pas arbitraires, mais elles recherchent la conception la plus stable. Par exemple, dans l’image supérieure, on peut voir un triangle à gauche et un octaèdre à droite. Les points verts représentent les atomes et les franges orange représentent les liaisons.

Dans le triangle, les trois points verts sont orientés dans une séparation de 120º. Cet angle, qui est égal à celui de la liaison, permet aux atomes de se repousser le moins possible. Par conséquent, une molécule avec un atome central attaché à trois autres adoptera une géométrie de plan trigonal.

Cependant, le VSCR prédit qu'une paire d'électrons libres dans l'atome central faussera la géométrie. Dans le cas du plan trigonal, cette paire va abaisser les trois points verts, ce qui entraîne une géométrie pyramidale trigonale.

La même chose peut également arriver avec l'octaèdre de l'image. Tous les atomes y sont séparés de la manière la plus stable possible.

Index

• 1 Comment connaître à l’avance la géométrie moléculaire d’un atome X?
• 2 types
  • 2.1 linéaire
  • 2.2 angulaire
  • 2.3 Tétraédrique
  • 2,4 bipyramide trigonale
  • 2,5 octaédrique
  • 2.6 Autres géométries moléculaires
• 3 exemples
  • 3.1 Géométrie linéaire
  • 3.2 Géométrie angulaire
  • 3.3 Plan Trigonal
  • 3.4 Tétraèdre
  • 3.5 pyramide trigonale
  • 3,6 bipyramide trigonal
  • 3.7 oscillant
  • 3.8 Forme de T
  • 3.9 octaédrique
• 4 références

Comment connaître à l’avance la géométrie moléculaire d’un atome X?

Pour cela, il faut aussi considérer les paires d’électrons libres comme des groupes électroniques. Celles-ci, avec les atomes, définiront ce que l'on appelle la géométrie électronique, qui est le compagnon inséparable de la géométrie moléculaire.

À partir de la géométrie électronique, et après avoir détecté par la structure de Lewis les paires d’électrons libres, on peut établir la géométrie moléculaire. La somme de toutes les géométries moléculaires fournira un aperçu de la structure globale.

Types

Comme on le voit dans l'image principale, la géométrie moléculaire dépend du nombre d'atomes entourant l'atome central. Cependant, si une paire d'électrons est présente sans partage, cela modifiera la géométrie car elle occupe beaucoup de volume. Par conséquent, il exerce un effet stérique.

Selon cela, la géométrie peut présenter une série de formes caractéristiques pour de nombreuses molécules. Et c'est là que surgissent différents types de géométrie moléculaire ou de structure moléculaire.

Quand la géométrie est-elle égale à la structure? Les deux désignent la même chose uniquement dans les cas où la structure ne comporte pas plus d'un type de géométrie; sinon, tous les types présents doivent être considérés et la structure doit avoir un nom global (linéaire, ramifié, globulaire, plat, etc.).

Les géométries sont particulièrement utiles pour expliquer la structure d'un solide à partir de ses unités structurelles.

Linéaire

Toutes les liaisons covalentes sont directionnelles, donc le lien A-B est linéaire. Mais la molécule AB sera-t-elle linéaire?₂? Si oui, la géométrie est simplement représentée par: B-A-B. Les deux atomes B sont séparés par un angle de 180 °, et selon le TEV, A doit avoir des orbitales hybrides sp.

Angulaire

On peut supposer dans un premier temps une géométrie linéaire pour la molécule AB₂; Cependant, il est essentiel de dessiner la structure de Lewis avant de parvenir à une conclusion. En traçant la structure de Lewis, on peut identifier le nombre de paires d’électrons sans partage (:) sur l’atome de A.

Lorsque c'est le cas, au-dessus des paires d'électrons, poussez les deux atomes de B et modifiez leurs angles. En conséquence, la molécule linéaire B-A-B finit par devenir un V, un boomerang ou une géométrie angulaire (image du haut)

La molécule d'eau, H-O-H, est l'exemple idéal pour ce type de géométrie. Dans l'atome d'oxygène, il y a deux paires d'électrons sans partage qui sont orientés à un angle approximatif de 109º.

Pourquoi cet angle? Parce que la géométrie électronique est tétraédrique, qui a quatre sommets: deux pour les atomes d’H et deux pour les électrons. Dans l'image ci-dessus, notez que les points verts et les deux "lobes avec des yeux" dessinent un tétraèdre avec la pointe bleuâtre en son centre.

Si le O n'avait pas de paires d'électrons libres, l'eau formerait une molécule linéaire, sa polarité diminuerait et les océans, les mers, les lacs, etc. n'existeraient probablement pas comme ils sont connus.

Tétraèdre

L'image supérieure représente la géométrie tétraédrique. Pour la molécule d'eau, sa géométrie électronique est tétraédrique, mais en éliminant les paires sans électrons, on peut voir qu'elle se transforme en géométrie angulaire. Ceci est également observé simplement en éliminant deux points verts; les deux autres dessineront le V avec le point bleu.

Et si au lieu de deux paires d'électrons libres, il n'y en avait qu'une? Il y aurait alors un plan trigonal (image principale). Cependant, en éliminant un groupe électronique, l'effet stérique produit par la paire d'électrons libres n'est pas évité. Par conséquent, il déforme le plan trigonal en une pyramide de base triangulaire:

Bien que la géométrie moléculaire des pyramides trigonales et tétraédriques soit différente, la géométrie électronique est la même: tétraédrique. Donc, la pyramide trigonale ne compte pas comme géométrie électronique?

La réponse est non, car c'est un produit de la distorsion causée par le "lobe avec les yeux" et de son effet stérique, et cette géométrie ne tient pas compte des distorsions ultérieures.

Pour cette raison, il est toujours important de déterminer d'abord la géométrie électronique à l'aide de structures de Lewis avant de définir la géométrie moléculaire. La molécule d'ammoniac, NH₃, est un exemple de géométrie moléculaire de la pyramide trigonale, mais avec une géométrie électronique tétraédrique.

Pyramide trigonale

Jusqu'à présent, à l'exception de la géométrie linéaire, dans le tétraèdre, la pyramide angulaire et la pyramide trigonale, ses atomes centraux ont une hybridation sp³, selon la TEV. Cela signifie que si vos angles de liaison ont été déterminés expérimentalement, ils devraient être autour de 109º.

À partir de la géométrie dipiramidale trigonale, il existe cinq groupes électroniques autour de l'atome central. Dans l'image supérieure, vous pouvez voir avec les cinq points verts; trois dans la base triangulaire et deux dans les positions axiales, qui sont les sommets supérieur et inférieur de la pyramide.

Quelle hybridation a le point bleu alors? Il faut cinq orbitales hybrides pour former les liaisons simples (orange). Ceci est réalisé grâce aux cinq orbitales sp³d (produit du mélange d'une orbitale s, trois p et a d).

Lorsque l'on considère cinq groupes électroniques, la géométrie est celle déjà exposée, mais ayant des paires d'électrons sans partage, celle-ci subit à nouveau des distorsions qui génèrent d'autres géométries. En outre, la question suivante se pose: ces paires peuvent-elles occuper une position quelconque dans la pyramide? Ce sont: l'axe ou l'équatorial.

Positions axiales et équatoriales

Les points verts qui constituent la base triangulaire sont en position équatoriale, tandis que les deux points situés aux extrémités supérieure et inférieure sont en position axiale. Où, de préférence, la paire d'électrons sans partage sera-t-elle située? Dans cette position qui minimise la répulsion électrostatique et l'effet stérique.

positionner axialement la paire d'électrons serait perpendiculaire « pression » (90) sur la base triangulaire, tandis que si en position équatoriale, les deux groupes restants électroniques de la base, il est à 120 ° et se presser les deux extrémités 90 ° (au lieu de trois, comme avec la base).

Par conséquent, l'atome central cherchera à orienter ses paires sans électrons dans les positions équatoriales pour générer des géométries moléculaires plus stables.

Oscillant et forme de T

Si remplacé dans la géométrie de bipyramide trigonale un ou plusieurs des atomes de paires d'électrons célibataires, il aurait également différentes géométries moléculaires.

À gauche de l'image supérieure, la géométrie change en forme d'oscillation. Dans ce document, la paire d'électrons libres dans le même sens repousse les quatre atomes restants, le pliage des liens vers la gauche. Notez que cette paire et deux des atomes sont dans le même plan triangulaire que le dipyramide original.

Et la droite de l'image, la géométrie en forme de T Cette géométrie moléculaire est le résultat du remplacement de deux atomes par deux paires d'électrons, par conséquent, résultant dans les trois atomes restants sont alignés dans le même plan, en formant exactement une lettre T.

Donc, pour une molécule de type AB₅, ceci adopte la géométrie bipyramide trigonale. Cependant, AB₄, avec la même géométrie électronique, adoptera la géométrie oscillante; et AB₃, la géométrie en forme de T. Dans tous les A aura (généralement) sp hybridation³d.

Pour déterminer la géométrie moléculaire, il est nécessaire de dessiner la structure de Lewis et donc sa géométrie électronique. S'il s'agit d'une bipyramide trigonale, alors les paires sans électrons seront éliminées, mais pas leurs effets stériques sur le reste des atomes. Ainsi, on peut parfaitement distinguer les trois géométries moléculaires possibles.

Octaèdre

La géométrie moléculaire octaédrique est représentée à droite de l'image principale. Ce type de géométrie correspond aux composés AB₆. AB₄ ils forment la base carrée, tandis que les deux autres B sont positionnés en position axiale. Ainsi, plusieurs triangles équilatéraux sont formés, qui sont les faces de l'octaèdre.

Là encore, il peut y avoir (comme dans toutes les géométries électroniques) des paires d’électrons libres et, par conséquent, d’autres géométries moléculaires en découlent. Par exemple, AB₅ avec une géométrie électronique octaédrique composée d'une pyramide à base carrée et AB₄ d'un plan carré:

Pour la géométrie électronique octaédrique, ces deux géométries moléculaires sont les plus stables en termes de répulsion électrostatique. En géométrie carrée, les deux paires d'électrons sont distantes de 180 °.

Quelle est l'hybridation pour l'atome A dans ces géométries (ou structures, si c'est la seule)? Encore une fois, le TEV établit qu'il est sp³d², six orbitales hybrides, qui permettent à A d’orienter les groupes électroniques dans les sommets d’un octaèdre.

Autres géométries moléculaires

En modifiant les bases des pyramides mentionnées jusqu'à présent, on peut obtenir des géométries moléculaires plus complexes. Par exemple, la bipyramide pentagonale est basée sur un pentagone et les composés qui la composent ont la formule générale AB₇.

Comme les autres géométries moléculaires, la substitution des atomes B aux paires sans électrons déformera la géométrie à d’autres formes.

En outre, les composés AB₈ ils peuvent adopter des géométries telles que l'antiprisme carré. Certaines géométries peuvent être très compliquées, en particulier pour les formules AB₇ à partir de (jusqu'à AB₁₂).

Des exemples

Ensuite, une série de composés sera mentionnée pour chacune des géométries moléculaires principales. En guise d'exercice, vous pouvez dessiner les structures de Lewis pour tous les exemples et certifier si, compte tenu de la géométrie électronique, vous obtenez les géométries moléculaires indiquées ci-dessous.

Géométrie linéaire

-Ethylène, H₂C≡CH₂

-Cyllium de béryllium, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

Dioxyde de carbone, CO₂ (O = C = O)

-Azote, N₂ (N≡N)

- Bromure de mercure, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anión triyoduro, je₃^- (I-I-I)

Acide cyanhydrique, HCN (H-N≡C)

Ses angles doivent être de 180º et ont donc une hybridation sp.

Géométrie angulaire

-L'eau

-Dioxyde de soufre, SO₂

-Dioxyde d'azote, NO₂

-Ozone, O₃

-Anion Amiduro, NH₂^-

Avion Trigonal

Trifluorure de brome, BF₃

Trichlorure d'aluminium, AlCl₃

-Anion nitrate, NO₃^-

-Anion carbonate, CO₃^2-

Tétraèdre

-Gaz méthane, CH₄

- tétrachlorure de carbone, CCl₄

-Catión amonio, NH₄⁺

-Anion sulfate, SO₄^2-

Pyramide trigonale

Ammoniac, NH₃

-Cation hydronium, H₃O⁺

Pyramide trigonale

-Phtalate de phosphore, PF₅

-Pentamine-antimoine, SbF₅

Oscillant

Tétrafluorure de soufre, SF₄

Forme de t

Trichlorure d'iode, ICl₃

Chlorifluorure, ClF₃ (les deux composés sont connus sous le nom d'interhalogènes)

Octaèdre

-Hex soufre soufre, SF₆

- hexafluorure d'hélium, SeF₆

- hexafluorophosphate, PF₆^-

Pour aboutir, la géométrie moléculaire est ce qui explique les observations des propriétés chimiques ou physiques de la matière. Cependant, il est orienté selon la géométrie électronique, de sorte que celle-ci doit toujours être déterminée avant la première.

Références

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimie (8ème éd.). CENGAGE Learning, p 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie inorganique (Quatrième édition., Pp. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Géométrie moléculaire et théorie VSEPR. Récupéré de: nyu.edu
4. Chembook virtuel, Charles E. Ophardt. (2003). Introduction à la géométrie moléculaire. Récupéré de: chemistry.elmhurst.edu
5. Chimie LibreTexts. (8 septembre 2016). Géométrie des molécules. Extrait de: chem.libretexts.org