เรขาคณิตโมเลกุล: แนวคิดประเภทและตัวอย่าง - เคมี - 2026

เรขาคณิตโมเลกุลหรือโครงสร้างโมเลกุลคือการจัดพื้นที่ของอะตอมรอบอะตอมกลาง อะตอมเป็นตัวแทนของบริเวณที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงดังนั้นจึงถือว่าเป็นกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์โดยไม่คำนึงถึงพันธะที่เกิดขึ้น (เดี่ยวคู่หรือสาม)

เรขาคณิตโมเลกุลขององค์ประกอบสามารถแสดงคุณสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีบางประการได้ (จุดเดือดความหนืดความหนาแน่น ฯลฯ ) ตัวอย่างเช่นโครงสร้างโมเลกุลของน้ำกำหนดความสามารถในการละลาย

ที่มา: Gabriel Bolívar

แนวคิดนี้เกิดจากการรวมกันและข้อมูลการทดลองของสองทฤษฎีนั่นคือพันธะเวเลนซ์ (TEV) และแรงผลักของคู่อิเล็กทรอนิกส์ของวาเลนซ์เชลล์ (RPECV) ในขณะที่อันแรกกำหนดพันธะและมุมของพวกมันส่วนที่สองจะสร้างรูปทรงเรขาคณิตและด้วยเหตุนี้โครงสร้างโมเลกุล

รูปทรงเรขาคณิตใดบ้างที่โมเลกุลสามารถนำมาใช้ได้? สองทฤษฎีก่อนหน้านี้ให้คำตอบ ตาม RPECV อะตอมและอิเล็กตรอนอิสระคู่หนึ่งจะต้องถูกจัดเรียงในอวกาศเพื่อลดแรงขับไฟฟ้าสถิตระหว่างพวกมัน

ดังนั้นรูปทรงเรขาคณิตจึงไม่ได้เป็นไปตามอำเภอใจ แต่ควรมองหาการออกแบบที่มั่นคงที่สุด ตัวอย่างเช่นในภาพด้านบนคุณจะเห็นสามเหลี่ยมทางด้านซ้ายและรูปแปดเหลี่ยมทางด้านขวา จุดสีเขียวแสดงถึงอะตอมและสีส้มขีดเส้นพันธะ

ในรูปสามเหลี่ยมจุดสีเขียวสามจุดจะอยู่ห่างกัน120º มุมนี้ซึ่งเท่ากับพันธะทำให้อะตอมขับไล่กันและกันให้น้อยที่สุด ดังนั้นโมเลกุลที่มีอะตอมกลางติดกับอีกสามตัวจะใช้เรขาคณิตระนาบตรีโกณมิติ

อย่างไรก็ตาม RPECV คาดการณ์ว่าอิเล็กตรอนคู่อิสระในอะตอมกลางจะบิดเบือนรูปทรงเรขาคณิต สำหรับกรณีของระนาบตรีโกณมิติคู่นี้จะดันจุดสีเขียวสามจุดลงทำให้เกิดเรขาคณิตพีระมิดตรีโกณมิติ

สิ่งเดียวกันนี้สามารถเกิดขึ้นได้กับรูปแปดหน้าในภาพ ในนั้นอะตอมทั้งหมดจะถูกแยกออกจากกันอย่างเสถียรที่สุด

จะทราบล่วงหน้าเกี่ยวกับเรขาคณิตโมเลกุลของอะตอม X ได้อย่างไร?

ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องพิจารณาคู่ของอิเล็กตรอนอิสระเป็นกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ สิ่งเหล่านี้ร่วมกับอะตอมจะกำหนดสิ่งที่เรียกว่าเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเป็นคู่หูที่แยกออกจากกันไม่ได้ของเรขาคณิตโมเลกุล

จากรูปทรงเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์และเมื่อตรวจพบคู่ของอิเล็กตรอนอิสระโดยใช้โครงสร้างลิวอิสเป็นไปได้ที่จะระบุว่าเรขาคณิตโมเลกุลจะเป็นอย่างไร ผลรวมของรูปทรงโมเลกุลทั้งหมดจะเป็นโครงร่างของโครงสร้างโดยรวม

ประเภทของเรขาคณิตโมเลกุล

ดังที่เห็นได้จากภาพหลักเรขาคณิตโมเลกุลขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมที่ล้อมรอบอะตอมกลาง อย่างไรก็ตามหากมีอิเล็กตรอนคู่ที่ไม่ใช้ร่วมกันมันจะปรับเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตเนื่องจากมีปริมาตรมาก ดังนั้นจึงมีเอฟเฟกต์ steric

ด้วยเหตุนี้รูปทรงเรขาคณิตจึงสามารถนำเสนอชุดของรูปร่างลักษณะสำหรับโมเลกุลจำนวนมากได้ และนี่คือจุดที่รูปทรงโมเลกุลหรือโครงสร้างโมเลกุลประเภทต่างๆเกิดขึ้น

เรขาคณิตเท่ากับโครงสร้างเมื่อใด ทั้งสองแสดงว่าเหมือนกันเฉพาะในกรณีที่โครงสร้างไม่มีรูปทรงเรขาคณิตมากกว่าหนึ่งประเภท มิฉะนั้นควรพิจารณาทุกประเภทที่มีอยู่และโครงสร้างที่กำหนดชื่อสากล (เส้นตรงแยกแขนงทรงกลมแบน ฯลฯ )

รูปทรงเรขาคณิตมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการอธิบายโครงสร้างของของแข็งจากหน่วยโครงสร้าง

เชิงเส้น

พันธะโควาเลนต์ทั้งหมดมีทิศทางดังนั้นพันธะ AB จึงเป็นเส้นตรง แต่โมเลกุล AB ₂จะเป็นเส้นตรงหรือไม่? ในกรณีนี้รูปทรงเรขาคณิตจะแสดงเป็น: BAB อะตอม B ทั้งสองถูกคั่นด้วยมุม180ºและตาม TEV A ต้องมีวงโคจร sp ไฮบริด

เชิงมุม

ที่มา: Gabriel Bolívar

เรขาคณิตเชิงเส้นสามารถสันนิษฐานได้ในตัวอย่างแรกสำหรับโมเลกุล AB ₂ ; อย่างไรก็ตามจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องวาดโครงสร้าง Lewis ก่อนที่จะได้ข้อสรุป ด้วยการวาดโครงสร้าง Lewis ทำให้สามารถระบุจำนวนคู่อิเล็กตรอนที่ไม่ใช้ร่วมกัน (:) บนอะตอม A ได้

เมื่อเป็นเช่นนี้คู่ของอิเล็กตรอนที่อยู่ด้านบนของ A จะผลักอะตอมทั้งสองของ B ลงทำให้มุมของมันเปลี่ยนไป เป็นผลให้โมเลกุล BAB เชิงเส้นกลายเป็นตัว V บูมเมอแรงหรือเรขาคณิตเชิงมุม (ภาพบนสุด)

โมเลกุลของน้ำ HOH เป็นตัวอย่างที่เหมาะสำหรับรูปทรงเรขาคณิตประเภทนี้ ในอะตอมของออกซิเจนมีอิเล็กตรอนสองคู่ที่ไม่มีการแบ่งปันซึ่งจะเน้นที่มุมประมาณ109º

ทำไมต้องเป็นมุมนี้? เนื่องจากเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์เป็นเตตระฮีดอลซึ่งมีจุดยอดสี่จุด: สองจุดสำหรับอะตอม H และอีกสองจุดสำหรับอิเล็กตรอน ในภาพบนให้สังเกตว่าจุดสีเขียวและ "แฉกมีตา" ทั้งสองวาดรูปจัตุรมุขโดยมีจุดสีน้ำเงินอยู่ตรงกลาง

ถ้า O ไม่มีคู่อิเล็กตรอนอิสระน้ำจะกลายเป็นโมเลกุลเชิงเส้นขั้วของมันจะลดลงและมหาสมุทรทะเลทะเลสาบ ฯลฯ อาจจะไม่มีอยู่จริงอย่างที่ทราบกันดี

จัตุรมุข

ที่มา: Gabriel Bolívar

ภาพด้านบนแสดงถึงรูปทรงเรขาคณิตจัตุรมุข สำหรับโมเลกุลของน้ำรูปทรงอิเล็กทรอนิกส์ของมันคือเตตระฮีดอล แต่เมื่อกำจัดอิเล็กตรอนคู่อิสระจะสังเกตได้ว่ามันเปลี่ยนเป็นรูปเรขาคณิตเชิงมุม นอกจากนี้ยังสังเกตได้ง่ายๆโดยการลบจุดสีเขียวสองจุด อีกสองตัวที่เหลือจะวาด V ด้วยจุดสีน้ำเงิน

จะเป็นอย่างไรถ้าแทนที่จะมีอิเล็กตรอนอิสระสองคู่มีเพียงตัวเดียว? จากนั้นระนาบตรีโกณจะยังคงอยู่ (ภาพหลัก) อย่างไรก็ตามด้วยการลบกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์จะไม่หลีกเลี่ยงเอฟเฟกต์ steric ที่เกิดจากคู่อิเล็กตรอนอิสระ ดังนั้นจึงบิดเบือนระนาบตรีโกณมิติไปยังพีระมิดที่มีฐานสามเหลี่ยม:

ที่มา: Gabriel Bolívar

แม้ว่าเรขาคณิตโมเลกุลของพีระมิดตรีโกณมิติและเตตราฮีดจะแตกต่างกัน แต่เรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ก็เหมือนกัน: เตตระฮีดอล ปิรามิดตรีโกณมิติจึงไม่นับเป็นเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์?

คำตอบคือไม่เนื่องจากเป็นผลมาจากความผิดเพี้ยนที่เกิดจาก "กลีบที่มีตา" และเอฟเฟกต์สเตริคและรูปทรงเรขาคณิตนี้ไม่ได้คำนึงถึงการบิดเบือนในภายหลัง

ด้วยเหตุนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญเสมอที่จะต้องกำหนดรูปทรงเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ด้วยความช่วยเหลือของโครงสร้าง Lewis ก่อนที่จะกำหนดเรขาคณิตโมเลกุล โมเลกุลแอมโมเนีย NH ₃เป็นตัวอย่างของเรขาคณิตโมเลกุลของพีระมิดตรีโกณมิติ แต่มีรูปทรงเรขาคณิตอิเล็กตรอนแบบเตตระฮีดอล

ตรีโกณมิติ bipyramid

ที่มา: Gabriel Bolívar

จนถึงปัจจุบันยกเว้นเรขาคณิตเชิงเส้นในพีระมิดเตตราฮีดอลเชิงมุมและตรีโกณมิติอะตอมกลางของพวกมันมีการผสมพันธ์ sp ³ตาม TEV ซึ่งหมายความว่าหากกำหนดมุมพันธะของพวกเขาโดยการทดลองพวกมันควรจะอยู่ที่ประมาณ109º

จากรูปทรงเรขาคณิตตรีโกณมิติมีกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ห้ากลุ่มรอบอะตอมกลาง ในภาพด้านบนจะเห็นจุดสีเขียวห้าจุด สามในฐานสามเหลี่ยมและสองในตำแหน่งแนวแกนซึ่งเป็นจุดยอดบนและล่างของพีระมิด

จุดสีน้ำเงินมีการผสมพันธ์อะไรบ้าง? ใช้วงโคจรไฮบริดห้าวงในการสร้างพันธะเดี่ยว (สีส้ม) สิ่งนี้ทำได้โดยใช้วงโคจรsp ³ d ทั้งห้า(ผลคูณของส่วนผสมของหนึ่ง s สาม p และหนึ่ง d ออร์บิทัล)

เมื่อพิจารณากลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ห้ากลุ่มรูปทรงเรขาคณิตเป็นกลุ่มที่เปิดเผยอยู่แล้ว แต่เนื่องจากมีอิเล็กตรอนคู่หนึ่งที่ไม่มีการแบ่งปันจึงทำให้เกิดการบิดเบือนอีกครั้งที่สร้างรูปทรงเรขาคณิตอื่น ๆ ในทำนองเดียวกันคำถามต่อไปนี้เกิดขึ้น: คู่เหล่านี้สามารถครองตำแหน่งใด ๆ ในปิรามิดได้หรือไม่? ตามแนวแกนหรือเส้นศูนย์สูตร

ตำแหน่งตามแนวแกนและเส้นศูนย์สูตร

จุดสีเขียวที่ประกอบเป็นฐานสามเหลี่ยมอยู่ในตำแหน่งเส้นศูนย์สูตรในขณะที่จุดทั้งสองที่ปลายด้านบนและด้านล่างอยู่ในตำแหน่งแนวแกน คู่อิเล็กตรอนที่ไม่ใช้ร่วมกันจะอยู่ที่ใด ในตำแหน่งที่ช่วยลดแรงขับไฟฟ้าสถิตและเอฟเฟกต์แบบคงที่

ในตำแหน่งแนวแกนคู่ของอิเล็กตรอนจะ "ดัน" ในแนวตั้งฉาก (90º) บนฐานสามเหลี่ยมในขณะที่ถ้าอยู่ในตำแหน่งเส้นศูนย์สูตรกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ที่เหลืออีกสองกลุ่มบนฐานจะอยู่ห่างกัน120ºและจะกดปลายทั้งสองที่90º (แทนที่จะเป็น สามเช่นเดียวกับฐาน)

ดังนั้นอะตอมกลางจะพยายามจัดทิศทางอิเล็กตรอนคู่อิสระให้อยู่ในตำแหน่งเส้นศูนย์สูตรเพื่อสร้างรูปทรงโมเลกุลที่มีเสถียรภาพมากขึ้น

การสั่นและรูปตัว T

ที่มา: Gabriel Bolívar

ถ้าในเรขาคณิตทวิภาคีตรีโกณมิติอะตอมหนึ่งหรือหลายอะตอมถูกแทนที่ด้วยอิเล็กตรอนคู่อิสระเราก็จะมีรูปทรงโมเลกุลที่แตกต่างกัน

ทางด้านซ้ายของภาพบนสุดรูปทรงเรขาคณิตจะเปลี่ยนเป็นรูปทรงที่สั่น ในนั้นอิเล็กตรอนคู่อิสระจะผลักอะตอมที่เหลือทั้งสี่ไปในทิศทางเดียวกันโดยงอพันธะไปทางซ้าย โปรดสังเกตว่าอะตอมคู่นี้และสองอะตอมอยู่ในระนาบสามเหลี่ยมเดียวกันของสองปิรามิดเดิม

และทางขวาของรูปเรขาคณิตรูปตัว T เรขาคณิตโมเลกุลนี้เป็นผลมาจากการแทนที่อะตอมสองอะตอมให้กับอิเล็กตรอนสองคู่ส่งผลให้อะตอมที่เหลือทั้งสามเรียงอยู่ในระนาบเดียวกันซึ่งวาดตรงกับตัวอักษรหนึ่งตัว T.

จากนั้นสำหรับโมเลกุลประเภท AB ₅จะใช้รูปทรงเรขาคณิตสองขั้วตรีโกณมิติ อย่างไรก็ตาม AB _{4 ที่}มีรูปเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์เหมือนกันจะใช้รูปทรงเรขาคณิตสั่น และ AB ₃เรขาคณิตรูปตัว T ในทั้งหมดนั้น A จะ (โดยทั่วไป) มีการผสมพันธ์ sp ³ d

ในการกำหนดเรขาคณิตโมเลกุลจำเป็นต้องวาดโครงสร้างลิวอิสและดังนั้นจึงเป็นรูปเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ ถ้านี่คือไบปิรามิดแบบตรีโกณมิติอิเล็กตรอนคู่อิสระจะถูกทิ้งไป แต่จะไม่ส่งผลกระทบแบบสเตอริกต่อส่วนที่เหลือของอะตอม ดังนั้นเราสามารถแยกแยะรูปทรงโมเลกุลทั้งสามที่เป็นไปได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ซึ่งมีแปดด้าน

เรขาคณิตโมเลกุลแปดเหลี่ยมแสดงอยู่ทางด้านขวาของภาพหลัก ประเภทของรูปทรงเรขาคณิตนี้สอดคล้องกับ AB ₆สารประกอบ AB ₄สร้างฐานสี่เหลี่ยมในขณะที่ B อีกสองตัวที่เหลืออยู่ในตำแหน่งแนวแกน ดังนั้นจึงมีรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าหลาย ๆ รูปซึ่งเป็นใบหน้าของรูปแปดเหลี่ยม

อีกครั้งที่นี่อาจมีอิเล็กตรอนอิสระ (เช่นเดียวกับในรูปทรงเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด) ดังนั้นรูปทรงโมเลกุลอื่น ๆ จึงได้มาจากข้อเท็จจริงนี้ ตัวอย่างเช่น AB _{5 ที่}มีรูปทรงเรขาคณิตของอิเล็กตรอนแปดหน้าประกอบด้วยพีระมิดที่มีฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัสและ AB ₄ของระนาบสี่เหลี่ยม:

ที่มา: Gabriel Bolívar

สำหรับกรณีของเรขาคณิตอิเล็กตรอนแปดหน้ารูปทรงโมเลกุลทั้งสองนี้มีความเสถียรที่สุดในแง่ของการขับไล่ไฟฟ้าสถิต ในเรขาคณิตระนาบสี่เหลี่ยมอิเล็กตรอนสองคู่อยู่ห่างกัน180º

การผสมพันธุ์สำหรับอะตอม A ในรูปทรงเรขาคณิตเหล่านี้คืออะไร (หรือโครงสร้างถ้าเป็นแบบเดียว)? อีกครั้ง TEV ระบุว่ามันคือ sp ³ d ²วงโคจรไฮบริดหกวงซึ่งช่วยให้ A สามารถปรับทิศทางกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ที่จุดยอดของรูปแปดหน้า

รูปทรงโมเลกุลอื่น ๆ

โดยการปรับเปลี่ยนฐานของปิรามิดที่กล่าวถึงจนถึงตอนนี้สามารถรับรูปทรงโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ ยกตัวอย่างเช่นพีระมิดคู่ห้าเหลี่ยมมีรูปห้าเหลี่ยมฐานและสารที่ก่อให้มันมีสูตรทั่วไป AB 7

เช่นเดียวกับรูปทรงโมเลกุลอื่น ๆ การแทนที่อะตอม B ด้วยอิเล็กตรอนคู่อิสระจะทำให้รูปทรงเรขาคณิตบิดเบี้ยวเป็นรูปทรงอื่น

นอกจากนี้สารประกอบ AB ₈ยังสามารถใช้รูปทรงเรขาคณิตเช่นยาต้านฤทธิ์แบบเหลี่ยม รูปทรงเรขาคณิตบางรูปแบบอาจมีความซับซ้อนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสูตร AB ₇เป็นต้นไป (สูงถึง AB ₁₂ )

ตัวอย่างของเรขาคณิตโมเลกุล

ชุดของสารประกอบจะถูกกล่าวถึงด้านล่างสำหรับรูปทรงโมเลกุลหลักแต่ละรูปแบบ ในฐานะที่เป็นแบบฝึกหัดเราสามารถวาดโครงสร้าง Lewis สำหรับตัวอย่างทั้งหมดและรับรองว่าเนื่องจากเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับเรขาคณิตโมเลกุลตามรายการด้านล่าง

เรขาคณิตเชิงเส้น

- เอทิลีน H ₂ C≡CH ₂

- เบริลเลียมคลอไรด์, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

- คาร์บอนไดออกไซด์ CO ₂ (O = C = O)

- ไนโตรเจน, N ₂ (N≡N)

-Mercuric dibromide, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodide แอนไอออน I ₃ ^- (III)

- กรดไฮโดรไซยานิก, HCN (HN≡C)

มุมของมันต้องเป็น180ºจึงมีการผสมพันธ์ sp

เรขาคณิตเชิงมุม

-น้ำ

- ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ SO ₂

- ไนโตรเจนไดออกไซด์ NO ₂

- โอโซน, O ₃

-Amide anion, NH ₂ ^-

เครื่องบินตรีโกณมิติ

- โบรโมไตรฟลูออไรด์ BF ₃

- อลูมิเนียมไตรคลอไรด์ AlCl ₃

-Nitrate anion, NO ₃ ^-

- ประจุลบคาร์บอเนต CO ₃ ^2–

จัตุรมุข

- ก๊าซมีเธน CH ₄

- คาร์บอนเตตระคลอไรด์ CCl ₄

- แอมโมเนียมไอออนบวก, NH ₄ ⁺

- ไอออนซัลเฟต SO ₄ ^2-

พีระมิดตรีโกณมิติ

-Amonia, NH ₃

-Cation ไฮโดรเนียม H ₃ O ⁺

ตรีโกณมิติ bipyramid

- ฟอสฟอรัสเพนตาฟลูออไรด์, PF ₅

- แอนติโมเพนทาคลอไรด์, SbF ₅

ที่สั่น

ซัลเฟอร์เตตระฟลูออไรด์, SF ₄

รูปร่าง T

- ไอโอดีนไตรคลอไรด์ ICl ₃

- คลอรีนไตรฟลูออไรด์ ClF ₃ (สารประกอบทั้งสองเรียกว่าอินเตอร์ฮาโลเจน)

ซึ่งมีแปดด้าน

- ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์, SF ₆

- ซีลีเนียมเฮกซาฟลูออไรด์, SeF ₆

- เฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต, PF ₆ ^-

สรุปได้ว่าเรขาคณิตโมเลกุลคือสิ่งที่อธิบายการสังเกตคุณสมบัติทางเคมีหรือทางกายภาพของสสาร อย่างไรก็ตามจะเน้นตามรูปทรงเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ดังนั้นจึงต้องพิจารณาก่อนหลังเสมอ

อ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, p 194-198
2. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่, หน้า 23, 24, 80, 169) Mc Graw Hill
3. มาร์คอี. Tuckerman (2011) เรขาคณิตโมเลกุลและทฤษฎี VSEPR กู้คืนจาก: nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt (2003) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเรขาคณิตโมเลกุล. ดึงมาจาก: chemistry.elmhurst.edu
5. เคมี LibreTexts (8 กันยายน 2559). เรขาคณิตของโมเลกุล สืบค้นจาก: chem.libretexts.org