Кіріспе

Молекулалардың 3D пішіндерін зерттеу

Молекулалық геометрия – молекула құрайтын атомдардың үш өлшемді кеңістіктегі орналасуы. Ол молекуланың жалпы пішінін, сондай-ақ байланыс ұзындығын, байланыс бұрыштарын, бұрылу бұрыштарын және әрбір атомның орнын анықтайтын кез келген басқа геометриялық параметрлерді қамтиды. Молекулалық геометрия заттың реактивтілігі, полярлығы, агрегаттық күйі, түсі, магниттік қасиеттері және биологиялық активтілігі сияқты бірнеше қасиеттеріне әсер етеді. Атом түзетін байланыстар арасындағы бұрыштар молекуланың қалған бөлігіне аз ғана тәуелді, яғни оларды шамамен жергілікті және осылайша ауыстырылатын қасиеттер деп қарастыруға болады.

Бiрiктiру

Молекулалар, анықтамасы бойынша, көбінесе ковалентті байланыстармен, біржаңды, екіжұңды және/немесе үшжұңды байланыстар арқылы байланыстырылады, мұнда "байланыс" – электрондардың ортақ жұбы (атомдар арасындағы байланыстың тағы бір түрі иондық байланыс деп аталады, ол оң катион мен теріс анионды қамтиды). Молекулалық геометрия "байланыс ұзындығы", "байланыс бұрыштары" және "торсиондық бұрыштар" арқылы сипатталады. Байланыс ұзындығы – кез келген молекуладағы екі атом ядросы арасындағы орташа қашықтық. Байланыс бұрышы – кем дегенде екі байланыс арқылы орналасқан үш атомның арасындағы бұрыш. Төрт атом тізбектей байланысқан жағдайда, торсиондық бұрыш – алғашқы үш атомнан және соңғы үш атомнан құралған жазықтықтар арасындағы бұрыш. Бір орталық атом мен төрт шеткі атом (1-ден 4-ке дейін нөмірленеді) арасындағы байланыс бұрыштары келесі детерминант арқылы математикалық түрде байланыстырылады. Бұл шектеу (бастапқыда) алты еркін байланыс бұрышының таңдауларынан бір еркіндік дәрежесін алып тастайды, нәтижесінде байланыс бұрыштарының бес нұсқасы ғана қалады. (Бұрыштар θ11, θ22, θ33 және θ44 әрқашан нөлге тең, ал бұл қатынасты шеткі атомдардың басқа саны үшін квадраттық матрицаны кеңейту/қысқарту арқылы өзгертуге болады.) Молекулалық геометрия электрондардың кванттық-механикалық қасиеттерімен анықталады. Валенттік байланыс теориясын қолдану арқылы молекуланы құрайтын атомдар арасындағы байланыстардың түрін түсінуге болады. Атомдар химиялық байланыс құру үшін өзара әрекеттескенде, әр атомның атомдық орбитальдары "орбитальдық гибридтеу" деп аталатын процесте бірігеді. Ең көп таралған екі байланыс түрі – сигма байланыстар (әдетте гибридтік орбитальдар арқылы қалыптасады) және пи байланыстар (негізгі топ элементтерінің атомдары үшін гибридтелмеген p орбитальдары арқылы қалыптасады). Геометрияны электрондардың делокализацияланған молекулалық орбитальдық теориясы арқылы да түсінуге болады. Атомдар мен молекулалардағы электрондардың толқындық қасиеттерін зерттеу кванттық химияның пәні болып табылады.

Молекулалық құрылыстың түрлері

Байланыс бұрышы – екі іргелес байланыстың арасындағы геометриялық бұрыш. Қарапайым молекулалардың кейбір жалпы пішіндеріне мыналар жатады: Сызықтық: Сызықтық модельде атомдар тура сызықта орналасады. Байланыс бұрыштары 180°-қа тең болады. Мысалы, көмірқышқыл газы (CO2) және азот оксиді (NO) сызықтық молекулалық пішінді болады. Үшбұрышты жазық: Үшбұрышты жазық пішінді молекулалар үшбұрышқа ұқсас және бір жазықтықта (жатық) орналасады. Сәйкесінше, байланыс бұрыштары 120°-қа орнатылады. Мысалы, борон трифториді (BF3). Бұрышты: Бұрышты молекулалар (оларды бүгілген немесе V пішінді деп те атайды) сызықтық емес пішінді болады. Мысалы, су (H2O), оның бұрышы шамамен 105°. Су молекуласында екі жұп байланысқан электрон және екі бөліспейтін электрон жұбы бар. Тетраэдр: "Тетра" сөзі төртті білдіреді, ал "хедрал" – қатты дененің бетін, сондықтан "тетраэдр" сөзбе-сөз "төрт бет" дегенді білдіреді. Бұл пішін бір орталық атомда төрт байланыс болғанда, қосымша бөліспеген электрон жұптары болмаған кезде кездеседі. VSEPR (валенттік қабық электронды жұптар керілу теориясы) бойынша электрондық байланыстар арасындағы байланыс бұрыштары arccos(−) = 109.47°-қа тең. Мысалы, метан (CH4) – тетраэдрлі молекула. Октаэдр: "Окта" сөзі сегізді білдіреді, ал "хедрал" – қатты дененің бетін, сондықтан "октаэдр" "сегіз бет" дегенді білдіреді. Байланыс бұрышы 90 градусқа тең. Мысалы, күкірт гексафториді (SF6) – октаэдрлі молекула. Тригональды пирамидалық: Тригональды пирамидалық молекула пирамида тәрізді пішінге және үшбұрышты негізге ие. Сызықтық және үшбұрышты жазық пішіндерден айырмашылығы, бірақ тетраэдрлік бағдарға ұқсас пирамидалық пішіндер электрондарды толық ажырату үшін үш өлшемді кеңістік қажет етеді. Бұл жағдайда тек үш жұп байланысқан электрон бар, ал қалғаны – бір бөліспейтін электрон жұбы. Бөліспейтін электрон жұбы мен байланысқан электрон жұбы арасындағы керілу байланыс бұрышын тетраэдрлік бұрыштан сәл төменгі мәнге өзгертеді. Мысалы, аммиак (NH3).

VSEPR кестесі

Төмендегі кестедегі байланыс бұрыштары қарапайым VSEPR теориясынан (Vesper Theory) алынған идеалдық бұрыштар, ал келесі бағанда берілген мысалдың нақты бұрышы, егер ол өзгеше болса көрсетілген. Көптеген жағдайларда, мысалы, тригональды пирамидалық және иілген түрінде, мысалдың нақты бұрышы идеалдық бұрыштан өзгеше болады, және мысалдар әртүрлі дәрежеде айырмашылықтарды көрсетеді. Мысалы, H2S-дегі бұрыш (92°) H2O-дағы бұрыштан (104,48°) тетраэдрлік бұрыштан әлдеқайда көп өзгешеленеді. Орталық атомға байланысқан атомдар Далалық жұптар Электрондық домендер (Стерикалық сан) Пішін Идеалдық байланыс бұрышы (мысалдың байланыс бұрышы) Мысал Сурет 2 0 2 сызықтық 180° CO2 3 0 3 тригональды жазық 120° BF3 2 1 3 иілген 120° (119°) SO2 4 0 4 тетраэдрлік 109,5° CH4 3 1 4 тригональды пирамидалық 109,5° (106,8°) NH3 2 2 4 иілген 109,5° (104,48°) H2O 5 0 5 тригональды бипирамидалық 90°, 120° PCl5 4 1 5 науқас тебіріліс ax–ax 180° (173,1°), eq–eq 120° (101,6°), ax–eq 90° SF4 3 2 5 T тәрізді 90° (87,5°), 180° (175°) ClF3 2 3 5 сызықтық 180° XeF2 6 0 6 октаэдрлік 90°, 180° SF6 5 1 6 төртбұрышты пирамидалық 90° (84,8°) BrF5 4 2 6 төртбұрышты жазық 90°, 180° XeF4 7 0 7 бесбұрышты бипирамидалық 90°, 72°, 180° IF7 6 1 7 бесбұрышты пирамидалық 72°, 90°, 144° XeOF5 5 2 7 бесбұрышты жазық 72°, 144° XeF5 8 0 8 төртбұрышты антипризмалық XeF8(2 ) 9 0 9 үш қапталды тригональды призмалық ReH9(2 )

3D бейнелеулер

Сызық немесе таяқ – атом ядролары көрсетілмейді, тек байланыстар сызық немесе таяқ түрінде бейнеленеді. Осы типтегі 2D молекулалық құрылымдардағыдай, әрбір төбеде атомдар болжамдалады. Электрондық тығыздық графигі – кристаллграфиялық немесе кванттық механика арқылы анықталған электрондық тығыздықты көрсетеді, атомдар мен байланыстар емес. Шар және таяқ – атом ядролары шарлар (доптар) және байланыстар таяқтармен бейнеленеді. Кеңістікті толтыру модельдері немесе CPK модельдері (атомдық түс схемасы ретінде де қолданылады) – молекула атомдарды көрсететін үстіне жатқан шарлармен бейнеленеді. Сурет – белоктар үшін қолданылатын бейнелеу, онда циклдар, бета-парақтар және альфа-спиральдар схемалық түрде көрсетіледі және ешқандай атомдар мен байланыстар нақты бейнеленбейді (мысалы, белоктың тірек бөлігі тегіс құбыр ретінде бейнеленеді). Молекуладағы жалғыз электрон жұптарының саны неғұрлым көп болса, сол молекуланың атомдары арасындағы бұрыштар да соғұрлым кіші болады. VSEPR теориясы жалғыз электрон жұптары бір-бірін итеріп, басқа атомдарды олардан қашықтатады деп болжайды.