Molekularna geometrija

Geometrija molekule vode

Molekularna geometrija ili molekularna struktura je tri-dimenzijska struktura atoma u molekuli. Ona određuje niz osobina supstance, među kojima su reaktivnost, polarnost, faza materije, boja, magnetizam i biološka aktivnost.

Eksperimentalni metodi

Model molekulske geometrije metana

Čak ni najbolji elektronski mikroskopi nemaju moć razdvajanja da pokažu izgled molekula, nego samo obrise i to samo ogromnih makromolekula, kao što su proteini. Ipak postoje metodi putem kojih se može odrediti , tj. predvidjeti geometrija molekula, pomoć strukturne formule. Najjednostavniji način predviđanja prostornog oblika hemijskih spojeva je primjenom pravila o odbijanju valentnih elektronskih parova. Po ovom metodu, raspored elektronskih parova u najvišem elektronskom nivou oko centralnog atoma određuje prostorni oblik molekula. Elektroni su negativno naelektrisane čestice, što određuje njihov raspored u kojem su međusobno najudaljeniji. Kad je rastojanje najveće, odbijanje je najmanje, pa su tada molekule najstabilnije. Raspored valentnih elektronskih parova o visi o njihovom broju. Naprimjer, kod metana (CH₄) četiri elektronska para najmanje se odbijaju ako se nalaze na rubovima pravilnog tetraedra.

Kod jedinjenja sa tri elektronska para (naprimjer BF₃), molekula je najstabilniji onda kada se parovi nalaze pod uglovima od 120°, sa rasporedom u jednoj ravni. Ako je centralni atom okružen velikim brojem valentnih elektronskih parova, data molekula može imati veoma različite oblike. Određivanje prostornog rasporeda atoma u molekuli je vrlo kompleksan dio hemije, koji prestavlja njenu posebnu discipline, pd nazivom stereohemija. Dinamička stereohemija, dobijene podatke o prostornom rasporedu, koristi za predviđanje ponašanja tih molekula u hemijskim reakcijama, što je od posebnog značaja za organske reakcije u organzmu koje su visoko stereospecifične. Molekulska geometrija može biti određena raznim spektroskopskim i difrakcionim metodima. IR, mikrotalasna i Ramanova spektroskopija mogu pribaviti informacije o molekulskoj geometriji, na osnovu detalja detektiranih vibracijskih i rotacijskih apsorbanci. Kristalografija, neutronska difrakcija i elektronska difrakcija mogu da odrediti molekularnu strukturu kristala na bazi rastojanja između jezgra i koncentracije elektronske gustine. Plinska elektronska difrakcija se može primijeniti za analizu malih molekula u plinovitoj fazi. NMR i FRET metodi su upotrebljivi za određivanje komplementarnih informacija kao što su relativna rastojanja, diedralni uglovi, uglovi veza i povezanost. Za određivanje molekularne geometrije, podesnije su niže temperature, zato što su na višim temperaturama one srednje vrijednosti dostupnih geometrija. Veće molekule se često javljaju u više stabilnih geometrija (konformacijski izomerizam) sa sličnim energetskim razinama na površini potencijalne energije. Do visoke preciznosti, geometrije se također mogu izračunati korištenjem ‘’ab initio kvantum’’ hemijskog metoda. Molekulska geometrija može ovisiti o agregatnom stanju, odnosno biti različita u čvrstoj, tečnoj i plinovitoj fazi.

Izomeri

Izomeri su tipovi molekula koji imaju istu hemijsku strukturu, ali različite geometrije, što uvjetuje njihove veoma različite osobine:

• Čista supstanca se sastoji od samo jednog tipa izomera.
• Strukturni izomeri imaju istu hemijsku formulu ali različita fizička uređenja, jer često formiraju alternativne molekulske e geometrije sa veoma različitim osobinama. Atomi nisu vezani u istom redu.
  • Funkcijski izomeri su poseban vid strukturnih izomera, gdje pojedine grupe atoma ispoljavaju specijalne načine ponašanja, kao eter ili alcohol, naprimjer.
• Stereoizomeri mogu imati mnoge slične fizičko-hemijske osobine (tačka topljenja, tačka ključanja), a istovremeno veoma različite biohemijske aktivnosti. To se javlja zbog toga što oni ispoljavaju hiralnost, koja se često sreće kod živih sistema. Jedna manifestacija hiralnosti je njihova sposobnost rotiranja polarizirane svjetlosti u različitim smjerovima.
• Proteinsko sklapanje je proces formiranja molekula kompleksne geometrije i različitih izomera koje mogu imati proteini.

Tipovi molekulske strukture

Postoji šest glavnih tipova molekula.

• Linearne: U linearnom modelu, atomi su vezan u pravoj liniji. Uglovi veza iznose 180°, kao kod ugljik-dioksida, naprimjer.
• Trigonalno planarne: Ovakve molecule su trouglaste i leže u jednoj ravni. Uglovi veza sui m 120°. Primjer molekula iz ove grupe je bor trifluorid.
• Tetraedne: : Takve molekule imaju četiri površine, sa četiri veze na centralnom atomu bez dodatnih slobodnih elektronskih parova. Uglovi veza između elektronskih veza su lučne (−1/3) = 109.47°. Primjer tetraednih molekula je metan (CH₄).
• Oktaedarne: : One imaju osam površina i ugao veza od 90° stepeni. Primjer oktaedne molekule je sumpor heksafluorid (SF₆).
• Piramidne : Ovako oblikovane molekule imaju tri para vezanih elektrona i slobodni elektronski par. Odbijanje slobodnog para i vezanih parova mijenja ugao od tetraedralnog do nešto manje uglovne vrijednosti. Primjer je NH₃ (amonijak).
• Povijene: Povijene ili ugaone molekule su nelinearno oblikovane. Primjer takve molekule je voda (H₂O), koja ima ugao veza od oko 106°. Molekula vode ima dva para vezanih elektrona i dva slobodna para.

VSEPR tabela

Uglovi veza u donjoj tabeli su idealni , prema jednostavnoj VSEPR teoriji. Uz njih su prikazani stvarni uglovi za date primjere, ukoliko se oni međusobno razlikuju. U mnogim slučajevima oblika molekula, kao što je trigonalni piramidni i povijeni, stvarni ugao navedenih primjera se razlikuje od idealnog. Ugao u H₂S (92°) se razlikuje od tetraedrnog ugla mnogo više, nego što je to slučaj za ugao H₂O (104.5°).

Vezni elektronski parovi	Slobodni parovi	Elektronski domeni (sterni)	Oblik	Idealni ugao veze (ugao veze primjera)	Primjer	Slika
2	0	2	Linearni	180°	CO2
3	0	3	Trigonalno planarni	120°	BF3
2	1	3	Povijeni	120° (119°)	SO2
4	0	4	Tetraedarni	109.5°	CH4
3	1	4	Trigonalno piramidni	107.5°	NH3
2	2	4	Ugaoni	104.5°	H2O
5	0	5	Trigonalno bipiramidni	90°, 120°	PCl5
4	1	5	Testerasti	180°, 120°, 90° (173.1°, 101.6°)	SF4
3	2	5	T-oblik	90°, 180° (87.5°, < 180°)	ClF3
2	3	5	Linearni	180°	XeF2
6	0	6	Oktaedarni	90°, 180°	SF6
5	1	6	Kvadratno piramidni	90° (84.8°), 180°	BrF5
4	2	6	Kvadratno planarni	90° 180°	XeF4
7	0	7	Pentagonsko bipiramidni	90°, 72°	IF7

3D prezentacije

• Linija ili štap - atomska jezgra nisu predstavljena. Kao i kod 2D molekularnih struktura ovog tipa, atomi se podrazumevaju na temenima.

• ’Grafikon elektronske gustine'’' prikazuje elektronsku gustinu koja je određena kristalografski ili koristeći kvantnu mehaniku

• Kugla i štap – atomska jezgra su predstavljena kao sfere (kugle), a veze kao štapovi

• Prostorno popunjavajući modeli ili CPK modeli – molekula je prikazana preklapajućim sferama koje predstavljaju atome.

• Dijagramski prikaz’’ proteina gdje se petlje, beta ravni i alfa heliksi prikazuju dijagramom. Atomi ili veze nisu neposredno prikazani, već samo proteinska osnova kao glatka cijev.

Dopunska literatura

• Ernest L. Eliel, Samuel H. Wilen (1994). Stereochemistry of Organic Compounds (1 izd.). Wiley, John & Sons, Incorporated. ISBN 978-0-471-01670-0.CS1 održavanje: ref=harv (link)
• Ernest L. Eliel, Samuel H. Wilen, Michael P. Doyle (2001). Basic Organic Stereochemistry (1. edition izd.). Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-37499-2. CS1 održavanje: više imena: authors list (link) CS1 održavanje: ref=harv (link)
• Kurt Martin Mislow Kurt Mislow (2003). Introduction to Stereochemistry. Dover Publications. ISBN 978-0-486-42530-6.CS1 održavanje: datum i godina (link) CS1 održavanje: ref=harv (link)
• D. Nasipuri (1994). Stereochemistry of Organic Compounds: Principles and Applications (2 edition izd.). South Asia Books. ISBN 978-81-224-0570-5. CS1 održavanje: ref=harv (link)

Vanjski linkovi

• http://www.tutor-homework.com/Chemistry_Help/Molecular_Geometry/Polar_Or_Nonpolar.html
• Molecular Geometry & Polarity Tutorial 3D visualization of molecules to determine polarity.
• Molecular Geometry using Crystals 3D structure visualization of molecules using Crystallography.