شکل فضایی مولکول ها

شکل فضایی مولکول یا هندسه مولکولی (Molecular Geometry) بیانگر نحوه آرایش یا چیدمان فضایی یا سه بعدی اتمهای تشکیل دهنده یک مولکول است. شکل فضایی مولکول ها در تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی مواد تاثیرگذار است و بنابراین مطالعه شکل فضایی مولکول ها در شیمی حائز اهمیت فراوانی است. بصورت نظری برای تعیین شکل فضایی مولکول ها می توان از نظریه  یا نظریه دافعه جفت الکترون های لایه والانس ( Valance Shell Electron Pair Repulsion ) استفاده کرد. بر مبنای نظریه  آرایش فضایی حول هر اتم به صورتی است که دافعه جفت الکترونها اعم از پیوندی و غیرپیوندی به مینیمم برسد. برای استفاده از این نظریه ابتدا آرایش الکترونی حول اتمی را که میخواهیم شکل فضایی اش را تعیین کنیم به صورت AB_nE_m می نویسیم. A نماینده اتمی است که شکل فضایی اش را می خواهیم تعیین کنیم. B نماینده اتم ها یا گروه های متصل به A است و n نماینده تعداد B هاست. E نماینده جفت الکترون های غیرپیوندی روی A و m نماینده تعداد E هاست. n+m تعداد قلمرو الکترونی در نظر گرفته می شود. بعنوان مثال با توجه به ساختارهای لوویس زیر در مولکول آب دور اتم اکسیژن چهار قلمرو الکترونی با آرایش AB₂E₂ ، در مولکول آمونیاک دور اتم نیتروژن چهار قلمرو الکترونی با آرایش AB₃E و در مولکول دی اکسید کربن دور اتم کربن دو قلمرو الکترونی با آرایش  AB₂ داریم: 

بعد از تعیین n و m، بر مبنای اطلاعات زیر شکل فضایی حول A را تعیین می کنیم.

1) در صورتیکه AB₂  باشد، شکل فضایی دور اتم A خطی است و در حالت ایده آل زوایای پیوندی برابر  180° دارد. بعنوان مثال می توان BeF₂ و CO₂ را در نظر گرفت. داریم:

2) در صورتیکه AB₃  باشد، شکل فضایی دور اتم A مسطح مثلثی است و در حالت ایده آل زوایای پیوندی برابر  120° دارد. بعنوان مثال می توان BF₃ و AlCl₃ را در نظر گرفت. داریم:

تمرین: کلیه اتمهای مولکول بنزن (C₆H₆) در یک صفحه قرار دارند. چگونه توجیه می کنید؟

*****

3) در صورتیکه AB₂E باشد، شکل فضایی دور اتم A خمیده است و زوایای پیوندی نزدیک و کمتر از  120° دارد. بعنوان مثال می توان SO₂ و NO₂^- با زوایای پیوندی به ترتیب برابر 119° و 115° در نظر گرفت. داریم:

دقت داشته باشید که برای تعیین شکل ،  تا از موقعیت های  را در  با ها به نحوی که دافعه مینیمم باشد جایگزین می کنند. البته برای ، شکل فضایی یک پاره خط است و معمولاً بحث نمی شود. همچنین بایستی بخاطر سپرد که جفت الکترون های غیرپیوندی در تعیین شکل فضایی مهم اند، اما در نامگذاری شکل فضایی تنها موقعیت هسته ها نسبت به هم در نظر گرفته می شود. مثلا برای AB₂E در صورتیکه جفت الکترون غیر پیوندی نداشتیم شکل فضایی خطی می شد، در حالیکه بخاطر حضور جفت الکترون غیر پیوندی شکل فضایی خمیده می شود. همچنین برای AB₂E نحوه قرارگیری جفت الکترون های پیوندی و غیرپیوندی در فضا درصورتیکه بصورت همزمان در نظر گرفته شوند، مسطح مثلثی است اما در نامگذاری شکل فضایی تنها موقعیت هسته ها نسبت به هم در نظر گرفته می شود و شکل فضایی  AB₂E خمیده نامیده می شود. در نامگذاری آرایش فضایی هم جفت الکترون های پیوندی و هم جفت الکترون های غیرپیوندی در نظر گرفته می شوند. مثلا آرایش فضایی هم AB₃ و هم AB₂E مسطح مثلثی است.

جفت الکترونهای غیرپیوندی تنها توسط یک اتم جذب می شوند، در حالیکه جفت الکترونهای پیوندی توسط دو اتم جذب میشوند. به همین علت جفت الکترونهای غیرپیوندی از جفت الکترونهای پیوندی به اتم نزدیکترند و دافعه آنها دور اتم مرکزی بیشتر است و داریم:

دافعه جفت الکترون پیوندی- پیوندی < دافعه جفت الکترون غیرپیوندی- پیوندی < دافعه جفت الکترون غیرپیوندی- غیرپیوندی

افزایش دافعه ها منجر به افزایش زوایای مربوطه می شود. بهمین علت است که  AB₂E زاویه پیوندی (زاویه بین دو پیوند AB) کمتر از  120° دارد، در حالیکه زاویه بین جفت الکترون غیرپیوندی با جفت الکترون پیوندی بیشتر از 120° است. بعبارتی دافعه جفت الکترون غیرپیوندی با جفت الکترون های پیوندی در مقایسه با دافعه جفت الکترون های پیوندی با هم بیشتر است و این سبب انحراف جفت الکترون های پیوندی به سمت هم و کاهش زاویه پیوند می شود.

همانطور که قبلا نیز گفتیم، در رادیکالها ما با تک الکترون سر و کار داریم. معمولا دافعه یک تک الکترون تنها بدلیل تعداد کمتر الکترون از دافعه جفت الکترون های غیرپیوندی یا پیوندی کمتر است. مثلا در یون نیترات زاویه پیوندی برابر 115° و در رادیکال NO₂ برابر 134.3° است.

4) در صورتیکه AB₄  باشد، شکل فضایی دور اتم A  چهاروجهی است و در حالت ایده آل زوایای پیوندی برابر  109°28' ( که زاویه چهاروجهی نامیده می شود) یا تقریبا 109.5° دارد. بعنوان مثال می توان CH₄ و SiF₄ را در نظر گرفت. داریم:

5) در صورتیکه AB₃E باشد، شکل فضایی دور اتم A هرمی مثلثی است و زوایای پیوندی نزدیک و کمتر از 109.5° دارد. AB₃E با جایگزینی یکی از B ها در AB₄ با E بدست می آید. بعنوان مثال می توان NH₃ و SO₃^2- را با زوایای پیوندی به ترتیب برابر 107° و 106° در نظر گرفت. داریم:

6) در صورتیکه AB₂E₂ باشد، شکل فضایی دور اتم A خمیده است و زوایای پیوندی نزدیک و کمتر از 109.5° دارد. AB₂E₂ با جایگزینی دو تا از B ها در AB₄ با E بدست می آید. بعنوان مثال می توان H₂O و NH₂^- را با زوایای پیوندی به ترتیب برابر 104.5° و 105° در نظر گرفت. داریم:

تمرین: زاویه پیوندی هم در H₂O و هم در NH₃ نزدیک 109.5° است. همچنین زاویه پیوندی در H₂O کمتر از زاویه پیوندی در NH₃ است. این دو مطلب را چگونه توجیه می کنید؟

*****

این اطلاعات بصورت خلاصه در جدول بعدی آمده است.

نوع ABnEm	تعداد قلمرو الکترونی	نام شکل فضایی	زوایای پیوندی ایده آل (زوایای پیوندی مثال)	مثال	تصویر شکل فضایی
AB2	2	خطی linear	180°	CO2
AB3	3	مسطح مثلثی trigonal planar	120°	BF3
AB2E	3	خمیده bent	120° (119°)	SO2
AB4	4	چهاروجهی Tetrahedral	109.5°	CH4
AB3E	4	هرم مثلثی trigonal pyramidal	107°	NH3
AB2E2	4	خمیده Bent	109.5° (104.5°)	H2O

موارد گفته شده برای شکل فضایی دور اتمها بود. شکل فضایی مولکولها معمولا با ترکیب شکل فضایی دور اتمهای تشکیل دهنده مولکول بدست می آید. مثلا در O(CH₃)₂ شکل فضایی دور اتمهای کربن چهاروجهی و شکل فضایی دور اتم اکسیژن خمیده است. شکل فضایی مولکول O(CH₃)₂ از ترکیب اینها بصورت دو چهاروجهی مشترک در یک راس نتیجه می شود. داریم:

برای مولکولها بفرم AB_x کهB اتم یا گروهی از اتمهاست، معمولا شکل فضایی مولکول همان شکل فضایی دور اتم A در نظر گرفته می شود. مثلا برای Pb(CH₃)₄ شکل فضایی مولکول چهاروجهی در نظر گرفته می شود که همان شکل فضایی دور اتم سرب است.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||