Molekulare Geometrie - Wikipedia

Molekulare Geometrie ist die dreidimensionale Anordnung der Atome, aus denen ein Molekül besteht. Es umfasst die allgemeine Form des Moleküls sowie Bindungslängen, Bindungswinkel, Torsionswinkel und andere geometrische Parameter, die die Position jedes Atoms bestimmen.

Die molekulare Geometrie beeinflusst verschiedene Eigenschaften einer Substanz, darunter Reaktivität, Polarität, Materiephase, Farbe, Magnetismus und biologische Aktivität. ^[1][2][3] Die Winkel zwischen Bindungen, die ein Atom bildet, hängen nur schwach vom Rest des Moleküls ab, dh von ihnen können als annähernd lokale und damit übertragbare Eigenschaften verstanden werden.

Bestimmung [ edit ]

Die Molekülgeometrie kann durch verschiedene spektroskopische Methoden und Beugungsverfahren bestimmt werden. IR-, Mikrowellen- und Raman-Spektroskopie können Informationen über die Molekülgeometrie aus den Details der Vibrations- und Rotationsabsorption liefern, die mit diesen Techniken erfasst werden. Röntgenkristallographie, Neutronenbeugung und Elektronenbeugung können auf der Grundlage des Abstands zwischen Kernen und der Elektronendichte eine molekulare Struktur für kristalline Feststoffe ergeben. Die Gaselektronenbeugung kann für kleine Moleküle in der Gasphase verwendet werden. NMR- und FRET-Verfahren können verwendet werden, um komplementäre Informationen zu bestimmen, einschließlich relativer Entfernungen, ^[4][5][6]
Diederwinkel, ^[7][8]
Winkel und Konnektivität. Molekulargeometrien werden am besten bei niedrigen Temperaturen bestimmt, da bei höheren Temperaturen die Molekülstruktur über besser zugängliche Geometrien gemittelt wird (siehe nächster Abschnitt). Größere Moleküle existieren oft in mehreren stabilen Geometrien (Konformationsisomerie), die energetisch auf der potentiellen Energieoberfläche liegen. Geometrien können auch mit ab-initio-Quantenchemieverfahren mit hoher Genauigkeit berechnet werden. Die Molekülgeometrie kann als Feststoff, in Lösung und als Gas unterschiedlich sein.

Die Position jedes Atoms wird durch die Art der chemischen Bindungen bestimmt, durch die es mit seinen Nachbaratomen verbunden ist. Die molekulare Geometrie kann durch die Positionen dieser Atome im Raum beschrieben werden, die Bindungslängen zweier verbundener Atome, Bindungswinkel von drei verbundenen Atomen und Torsionswinkel (Diederwinkel) von drei aufeinander folgenden Bindungen hervorrufen.

Der Einfluss der thermischen Erregung [ edit ]

Da die Bewegungen der Atome in einem Molekül durch die Quantenmechanik bestimmt werden, eine
muss "Bewegung" quantenmechanisch definieren. Die gesamten (externen) quantenmechanischen Bewegungen, Translation und Rotation verändern die Geometrie des Moleküls kaum. (Bis zu einem gewissen Grad Rotationseinflüsse
die Geometrie über Coriolis-Kräfte und Zentrifugalverzerrung, dies ist jedoch für die vorliegende Diskussion vernachlässigbar.)
Eine dritte Art von Bewegung ist neben der Translation und Rotation die molekulare Vibration, die den inneren Bewegungen der Atome entspricht, z. Die molekularen Schwingungen sind harmonisch (zumindest in guter Näherung), und die Atome schwingen um ihre Gleichgewichtspositionen, selbst bei dem absoluten Temperaturnullpunkt. Bei dem absoluten Nullpunkt befinden sich alle Atome in ihrem Schwingungsgrundzustand und zeigen eine quantenmechanische Nullpunktbewegung, so dass die Wellenfunktion eines einzelnen Schwingungsmodus kein scharfer Peak ist, sondern ein Exponential endlicher Breite (die Wellenfunktion für n ] = 0 im Artikel über den Quantenharmonischen Oszillator dargestellt). Bei höheren Temperaturen können die Schwingungsmoden thermisch angeregt werden (in einer klassischen Interpretation drückt man dies mit der Aussage aus, dass "die Moleküle schneller schwingen"), aber sie schwingen immer noch um die erkennbare Geometrie des Moleküls herum.

Um ein Gefühl für die Wahrscheinlichkeit zu erhalten, dass die Molekülschwingung thermisch angeregt wird,
wir untersuchen den Boltzmann-Faktor ${\displaystyle \mathrm{\beta \; <!--\; \beta \; -->}19\; <!--\; \equiv \; -->\exp 19\; <!--\; \; -->(-\; <!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\Delta \; <!--\; \Delta \; -->}E}{T}}$,
wobei ${\displaystyle \mathrm{\Delta \; <!--\; \Delta \; -->}E}$ die Anregungsenergie des Vibrationsmodus ist, ${\displaystyle k}$ die Boltzmann-Konstante und ${ displaystyle T]$ T die absolute Temperatur. Bei 298 K (25 ° C) sind typische Werte für den Boltzmann-Faktor β:
β = 0,089 für ΔE = 500 cm ^-1 ; β = 0,008 für ΔE = 1000 cm ^-1 ; β = 7 × 10 ^-4 für ΔE = 1500 cm ^-1 . (Der reziproke Zentimeter ist eine Energieeinheit, die üblicherweise in der Infrarotspektroskopie verwendet wird; 1 cm ^-1 entspricht 1,23984 × 10 ^-4 eV. Wenn eine Anregungsenergie 500 cm beträgt ^-1 werden etwa 8,9 Prozent der Moleküle bei Raumtemperatur thermisch angeregt. Um dies in die richtige Perspektive zu bringen: Die niedrigste Schwingungsenergie der Anregung in Wasser ist der Biegemodus (etwa 1600 cm ^-1 ). Bei Raumtemperatur schwanken also weniger als 0,07 Prozent aller Moleküle einer gegebenen Wassermenge schneller als bei absolutem Nullpunkt.

Wie bereits erwähnt, beeinflusst Rotation die molekulare Geometrie kaum. Als quantenmechanische Bewegung wird es jedoch bei relativ niedrigen Temperaturen (im Vergleich zu Vibrationen) thermisch angeregt. Aus klassischer Sicht kann gesagt werden, dass sich bei höheren Temperaturen mehr Moleküle schneller drehen,
was bedeutet, dass sie höhere Winkelgeschwindigkeit und Drehimpuls haben. In der quantenmechanischen Sprache: Mehr Eigenzustände mit höherem Drehimpuls werden mit steigenden Temperaturen thermisch bevölkert. Typische Rotationserregungsenergien liegen in der Größenordnung von wenigen cm ^-1 . Die Ergebnisse vieler spektroskopischer Experimente werden verbreitert, da sie über Rotationszustände gemittelt werden. Es ist oft schwierig, Geometrien aus Spektren bei hohen Temperaturen zu extrahieren, da die Anzahl der Rotationszustände, die bei der experimentellen Mittelung untersucht wurden, mit zunehmender Temperatur zunimmt. Viele spektroskopische Beobachtungen können daher nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verlässliche Molekülgeometrien liefern, da bei höheren Temperaturen zu viele höhere Rotationszustände thermisch besiedelt sind.

Bonding [ edit ]

Moleküle werden per Definition am häufigsten mit kovalenten Bindungen zusammengehalten, die Einzel-, Doppel- und / oder Dreifachbindungen umfassen, wobei eine "Bindung" eine ist gemeinsames Elektronenpaar (die andere Methode der Bindung zwischen Atomen wird als Ionenbindung bezeichnet und beinhaltet ein positives Kation und ein negatives Anion).

Molekulare Geometrien können in Bezug auf Bindungslängen Bindungswinkel und Torsionswinkel angegeben werden. Die Bindungslänge ist definiert als der durchschnittliche Abstand zwischen den Kernen von zwei Atomen, die in einem gegebenen Molekül miteinander verbunden sind. Ein Bindungswinkel ist der Winkel, der zwischen drei Atomen über mindestens zwei Bindungen gebildet wird. Für vier Atome, die in einer Kette miteinander verbunden sind, ist der Torsionswinkel der Winkel zwischen der von den ersten drei Atomen gebildeten Ebene und der von den letzten drei Atomen gebildeten Ebene.

Es gibt eine mathematische Beziehung zwischen den Bindungswinkeln für ein Zentralatom und vier peripheren Atomen (mit 1 bis 4 bezeichnet), ausgedrückt durch die folgende Determinante. Diese Einschränkung entfernt einen Freiheitsgrad von den (ursprünglich) sechs freien Bindungswinkeln, so dass nur fünf Bindungswahlen zur Verfügung stehen. (Beachten Sie, dass die Winkel ${ displaystyle theta _ {11}}$${\displaystyle {\mathrm{\theta \; <!--\; \theta \; -->}}_{\mathrm{22\; [19659049]\; \{\; displaystyle\; theta\; \_\; \{22\}\}}}}$${ displaystyle theta _ {33}} [19659060] theta _ {{33}} "/>$ und ${ displaystyle theta _ {44}}$ immer Null und diese Beziehung kann für eine andere Anzahl von peripheren Atomen modifiziert werden, indem die quadratische Matrix erweitert / zusammengezogen wird.)

Die molekulare Geometrie wird durch das quantenmechanische Verhalten der Elektronen bestimmt. Unter Verwendung der Valenzbindungsannäherung kann dies durch die Art der Bindungen zwischen den Atomen verstanden werden, aus denen das Molekül besteht. Wenn Atome eine chemische Bindung eingehen, verbinden sich die Atomorbitale jedes Atoms in einem Vorgang, der als Orbitalhybridisierung bezeichnet wird. Die zwei häufigsten Arten von Bindungen sind Sigma-Bindungen (in der Regel durch Hybridorbitale gebildet) und Pi-Bindungen (gebildet durch nicht hybridisierte p-Orbitale für Atome von Hauptgruppenelementen). Die Geometrie kann auch durch die Theorie der Molekülorbitale verstanden werden, wo die Elektronen delokalisiert werden.

Ein Verständnis des wellenförmigen Verhaltens von Elektronen in Atomen und Molekülen ist Gegenstand der Quantenchemie.

Isomere [ edit ]

Isomere sind Arten von Molekülen, die eine chemische Formel haben, aber unterschiedliche Geometrien haben, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führt:

• A pure pure-Substanz besteht aus nur einem Isomertyp eines Moleküls (alle haben die gleiche geometrische Struktur).


• Strukturisomere haben dieselbe chemische Formel, aber unterschiedliche physikalische Anordnungen, die sich oft abwechseln Molekülgeometrien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Die Atome sind nicht in derselben Reihenfolge miteinander verbunden (verbunden).
  
  • Funktionsisomere sind spezielle Arten von Strukturisomeren, bei denen bestimmte Atomgruppen ein besonderes Verhalten zeigen, wie z. B. ein Ether oder ein Alkohol.


• Stereoisomere können viele ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften haben (Schmelzen) Siedepunkt) und gleichzeitig sehr unterschiedliche biochemische Aktivitäten. Dies liegt daran, dass sie eine Händigkeit zeigen, die in lebenden Systemen häufig anzutreffen ist. Eine Manifestation dieser Chiralität oder Händigkeit ist die Fähigkeit, polarisiertes Licht in verschiedene Richtungen zu drehen.


• Die Proteinfaltung betrifft die komplexen Geometrien und die verschiedenen Isomere, die Proteine ​​einnehmen können.

Arten von Molekülstrukturen [ edit ]

Ein Bindungswinkel ist der geometrische Winkel zwischen zwei benachbarten Bindungen. Einige häufige Formen von einfachen Molekülen umfassen:

• Linear: In einem linearen Modell werden Atome in einer geraden Linie verbunden. Die Bindungswinkel sind auf 180 ° eingestellt. Zum Beispiel haben Kohlendioxid und Stickstoffoxid eine lineare Molekülform.


• Trigonal planar: Moleküle mit der trigonal planaren Form sind etwas dreieckig und liegen in einer Ebene (flach). Folglich sind die Bindungswinkel auf 120 ° eingestellt. B. Bortrifluorid.


• Angular: Angular-Moleküle (auch als gebogen oder V-förmig bezeichnet) haben eine nichtlineare Form. Zum Beispiel Wasser (H ₂ O), das einen Winkel von etwa 105 ° hat. Ein Wassermolekül hat zwei Paare von gebundenen Elektronen und zwei ungeteilte einsame Paare.


• Tetraeder: Tetra bedeutet vier und -Hedral bezieht sich auf eine Seite eines Festkörpers "Tetraeder" bedeutet wörtlich "mit vier Gesichtern". Diese Form wird gefunden, wenn sich vier Bindungen auf einem Zentralatom befinden, ohne zusätzliche Elektronenpaare. Gemäß der VSEPR (Valence-Shell-Elektronenpaar-Abstoßungstheorie) betragen die Bindungswinkel zwischen den Elektronenbindungen Arccos (–1/3) = 109,47 °. Zum Beispiel ist Methan (CH ₄ ) ein tetraedrisches Molekül.


• Octahedral: Octa- bedeutet acht und -hedral bezieht sich auf a Gesicht eines Körpers, so bedeutet "Oktaeder" "mit acht Gesichtern". Der Bindungswinkel beträgt 90 Grad. Beispielsweise ist Schwefelhexafluorid (SF ₆ ) ein oktaedrisches Molekül.


• Trigonal pyramidal: Ein trigonal pyramidales Molekül hat eine pyramidenartige Form mit einer dreieckigen Basis. Im Gegensatz zu den linearen und trigonalen ebenen Formen, aber ähnlich der tetraedrischen Orientierung, erfordern Pyramidenformen drei Dimensionen, um die Elektronen vollständig zu trennen. Hier gibt es nur drei Paare gebundener Elektronen, so dass ein einzelnes, ungeteiltes Paar übrig bleibt. Abgelehnte Paarpaare zwischen den Bindungspaaren ändern den Bindungswinkel vom tetraedrischen Winkel auf einen etwas niedrigeren Wert. ^[9] Zum Beispiel Ammoniak (NH ₃ ).

VSEPR-Tabelle [ edit ]

Die Bindungswinkel in der nachstehenden Tabelle sind ideale Winkel aus der einfachen VSEPR-Theorie, gefolgt von dem tatsächlichen Winkel für das in der folgenden Spalte angegebene Beispiel, in dem sich dieser unterscheidet. In vielen Fällen, wie z. B. trigonal pyramidenförmig und gebogen, unterscheidet sich der tatsächliche Winkel für das Beispiel vom idealen Winkel, und Beispiele unterscheiden sich um unterschiedliche Beträge. Beispielsweise unterscheidet sich der Winkel in H ₂ S (92 °) vom tetraedrischen Winkel viel stärker als der Winkel von H ₂ O (104,48 °).

Atome an Zentralatom gebunden	Einzelne Paare	Elektronendomänen (Sterische Nummer)	Form	Idealer Bindungswinkel (Bindungswinkel des Beispiels)	Beispiel	Bild
2	0	2	linear	180 °	CO 2
3	0	3	Trigonalplanar	120 °	BF 3
2	1	3	eckig	120 ° (119 °)	SO 2
4	0	4	Tetraeder	109.5 °	CH 4
3	1	4	trigonal pyramidal	109.5 (107.8 °)	NH 3
2	2	4	eckig	109,5 ° (104,48 °) [10] [11]	H 2 O
5	0	5	trigonal bipyramidal	90 °, 120 °	PCl 5
3	2	5	T-förmig	90 ° (87,5 °), 180 ° (175 °)	ClF 3
2	3	5	linear	180 °	XeF 2
6	0	6	oktaedrisch	90 °, 180 °	SF 6
5	1	6	quadratisch Pyramiden	90 ° (84,8 °)	BrF 5		0	7	pentagonal bipyramidal	90 °, 72 °, 180 °	IF 7
6	1	7	pentagonal pyramidal	72 °, 90 °, 144 °	XeOF 5 -
5	2	7	pentagonale Ebene	72 °, 144 °	XeF 5 -
8	0	8	quadratisches Antiprismatikum		XeF 8 2−
9 [19659170] 0	9	tricapped trigonal prismatisch		ReH 9 2−

3D-Darstellungen [ edit ]

• Linie oder stick - Atomkerne werden nicht dargestellt, nur die Bindungen als Stöcke oder Linien. Wie bei 2D-Molekülstrukturen dieses Typs sind Atome an jedem Knoten impliziert.

• Ball and stick - Atomkerne werden durch Kugeln (Kugeln) und die Bindungen als Stöcke dargestellt.

• Cartoon - eine Darstellung, die für Proteine ​​verwendet wird, bei denen Schleifen, Beta-Sheets, Alpha-Helices schematisch dargestellt werden und keine Atome oder Bindungen explizit nur das Proteinrückgrat als glattes Rohr darstellen.

Je mehr Einzelpaare vorhanden sind Je kleiner die Winkel zwischen den Atomen dieses Moleküls sind, desto geringer sind die Winkel in einem Molekül. Die VSEPR-Theorie sagt voraus, dass sich einzelne Paare gegenseitig abstoßen, wodurch die verschiedenen Atome von ihnen weggedrängt werden.

Siehe auch [ edit ]

Referenzen ]

1. McMurry, John E. (1992), Organic Chemistry (3. Ausgabe), Belmont: Wadsworth, ISBN 0-534-16218-5
   


2. ^ Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; Murillo, Carlos A .; Bochmann, Manfred (1999), Advanced Inorganic Chemistry (6. Ausgabe), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5
   


3. ^ Alexandros Chremos; Jack F. Douglas (2015). "Wann wird ein verzweigtes Polymer zu einem Partikel?" J. Chem. Phys . 143 : 111104. Bibcode: 2015JChPh.143k1104C. doi: 10.1063 / 1.4931483.
   


4. ^ FRET Beschreibung Archiviert am 18.09.2008 in der Wayback Machine
   


5. ^ Hillisch, A; Lorenz, M; Diekmann, S. (2001). "Neueste Fortschritte bei FRET: Entfernungsbestimmung in Protein-DNA-Komplexen". Aktuelle Stellungnahme in der Strukturbiologie . 11 (2): 201–207. doi: 10.1016 / S0959-440X (00) 00190-1. PMID 11297928.
   


6. ^ Einführung der FRET-Bildgebung Archiviert am 14. Oktober 2008 an der Wayback Machine
   


7. ^ wobei Diederwinkel von ³ J-Kopplungskonstanten erhalten wurden. Archiviert am 2008-12-07 at the Wayback Machine
   


8. ^ Eine weitere Javascript-ähnliche NMR-Kopplungskonstante an den Dieder Archiv 2005-12-28 am Wayback Machine
   


9. ^ Miessler GL und Tarr DA Inorganic Chemistry (2. Auflage, Prentice-Hall 1999), S. 57-58
   


10. Hoy, AR; Bunker, PR (1979). "Eine präzise Lösung der rotationsbiegenden Schrödinger-Gleichung für ein dreiatomiges Molekül mit Anwendung auf das Wassermolekül". Journal of Molecular Spectroscopy . 74 : 1–8. Bibcode: 1979JMoSp..74 .... 1H. doi: 10.1016 / 0022-2852 (79) 90019-5.
    


11. ^ "Archivierte Kopie". Archiviert aus dem Original am 03.09.2014 . Abgerufen 2014-08-27 . CS1 maint: Archivierte Kopie als Titel (Link)
    

Externe Links [ edit