분자 기하학 : 개념, 유형 및 예 - 화학 - 2025

분자 구조 또는 분자 구조는 중심 원자 주위에 원자의 공간 배열이다. 원자는 전자 밀도가 높은 영역을 나타내므로 형성하는 결합 (단일, 이중 또는 삼중)에 관계없이 전자 그룹으로 간주됩니다.

요소의 분자 기하학은 물리적 또는 화학적 특성 (끓는점, 점도, 밀도 등)의 일부를 특성화 할 수 있습니다. 예를 들어, 물의 분자 구조는 용해도를 결정합니다.

출처 : Gabriel Bolívar

이 개념은 원자가 결합 (TEV) 이론과 원자가 쉘 (RPECV) 전자 쌍의 반발 이론의 조합 및 실험 데이터에서 비롯됩니다. 첫 번째는 결합과 각도를 정의하는 반면 두 번째는 기하학과 결과적으로 분자 구조를 설정합니다.

분자가 채택 할 수있는 기하학적 모양은 무엇입니까? 이전의 두 이론이 답을 제공합니다. RPECV에 따르면 원자와 자유 전자 쌍은 그들 사이의 정전기 반발을 최소화하는 방식으로 공간에 배열되어야합니다.

따라서 기하학적 모양은 임의적이지 않고 가장 안정적인 디자인을 찾습니다. 예를 들어 위 이미지에서 왼쪽에는 삼각형이 있고 오른쪽에는 팔면체가 있습니다. 녹색 점은 원자를 나타내고 주황색 줄무늬는 결합을 나타냅니다.

삼각형에서 세 개의 녹색 점은 120º 떨어져 있습니다. 결합의 각도와 같은이 각도는 원자가 가능한 한 서로를 밀어 낼 수 있도록합니다. 따라서 중앙 원자가 다른 세 개에 부착 된 분자는 삼각 평면 기하학을 채택합니다.

그러나 RPECV는 중심 원자의 자유 전자 쌍이 기하학을 왜곡 할 것이라고 예측합니다. 삼각 평면의 경우이 쌍은 세 개의 녹색 점을 아래로 밀어 삼각 피라미드 형상을 만듭니다.

이미지의 팔면체에서도 마찬가지입니다. 그 안에서 모든 원자는 가능한 가장 안정적인 방식으로 분리됩니다.

X 원자의 분자 기하학을 미리 아는 방법?

이를 위해 자유 전자 쌍을 전자 그룹으로 고려할 필요가 있습니다. 이것들은 원자와 함께 분자 기하학의 불가분의 동반자 인 전자 기하학으로 알려진 것을 정의 할 것입니다.

전자 기하학에서 루이스 구조를 통해 자유 전자 쌍을 감지하면 분자 기하학이 무엇인지 확인할 수 있습니다. 모든 분자 기하학의 합은 전체 구조의 개요를 제공합니다.

분자 기하학의 유형

메인 이미지에서 볼 수 있듯이 분자 기하학은 중심 원자를 둘러싼 원자 수에 따라 다릅니다. 그러나 공유되지 않은 전자 쌍이 있으면 많은 양을 차지하기 때문에 기하학이 수정됩니다. 따라서 입체 효과를 발휘합니다.

이것에 따르면 기하학은 많은 분자에 대해 일련의 특징적인 모양을 나타낼 수 있습니다. 그리고 이것은 다양한 유형의 분자 기하학 또는 분자 구조가 발생하는 곳입니다.

기하학은 언제 구조와 같습니까? 둘 다 구조에 둘 이상의 지오메트리 유형이없는 경우에만 동일 함을 나타냅니다. 그렇지 않으면 존재하는 모든 유형을 고려하고 구조에 전역 이름 (선형, 분기, 구상, 평면 등)을 부여해야합니다.

형상은 구조 단위에서 솔리드의 구조를 설명하는 데 특히 유용합니다.

선의

모든 공유 결합은 방향성이므로 AB 결합은 선형입니다. 그러나 AB ₂ 분자는 선형 일까요? 그렇다면 지오메트리는 간단히 BAB로 표시됩니다. 두 B 원자는 180º 각도로 분리되어 있으며 TEV에 따르면 A는 하이브리드 sp 궤도를 가져야합니다.

모난

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선형 기하학은 분자 AB ₂ 의 첫 번째 경우에 가정 할 수 있습니다 . 그러나 결론에 도달하기 전에 Lewis 구조를 그리는 것이 중요합니다. 루이스 구조가 그려지면 A 원자에서 공유되지 않는 전자 쌍 (:)의 수를 확인할 수 있습니다.

그렇다면 A 위에있는 전자 쌍은 B의 두 원자를 아래로 밀어 각도를 변경합니다. 결과적으로 선형 BAB 분자는 V, 부메랑 또는 각도 기하학 (상단 이미지)으로 변합니다.

물 분자 HOH는 이러한 유형의 기하학에 이상적인 예입니다. 산소 원자에는 공유하지 않는 두 쌍의 전자가 있으며 약 109º 각도로 배향되어 있습니다.

왜이 각도일까요? 전자 기하학은 4 개의 꼭지점이있는 사면체이기 때문에 H 원자에 2 개, 전자에 2 개가 있습니다. 위쪽 이미지에서 녹색 점과 두 개의 "눈이있는 로브"는 중앙에 파란색 점이있는 4 면체를 그립니다.

O에 자유 전자 쌍이 없으면 물은 선형 분자를 형성하고 극성이 감소하며 바다, 바다, 호수 등은 알려진대로 존재하지 않을 것입니다.

사면체

출처 : Gabriel Bolívar

상단 이미지는 사면체 기하학을 나타냅니다. 물 분자의 경우 전자 기하학은 사면체이지만 자유 전자 쌍을 제거하면 각 기하학으로 변환된다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 또한 단순히 두 개의 녹색 점을 제거하여 관찰됩니다. 나머지 두 개는 파란색 점으로 V를 그립니다.

두 쌍의 자유 전자 대신 하나만 있다면 어떨까요? 그러면 삼각 평면이 남게됩니다 (메인 이미지). 그러나 전자 그룹을 제거하면 자유 전자 쌍에 의해 생성되는 입체 효과를 피할 수 없습니다. 따라서 삼각형 평면을 삼각형 밑면이있는 피라미드로 왜곡합니다.

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삼각 피라미드와 사면체 피라미드 분자 기하학은 다르지만 전자 기하학은 동일합니다 : 사면체. 그렇다면 삼각 피라미드는 전자 기하학으로 간주되지 않습니까?

대답은 '아니오'입니다. "눈이있는 엽"과 입체 효과로 인한 왜곡의 결과이며이 형상은 후속 왜곡을 고려하지 않습니다.

이러한 이유로 분자 기하학을 정의하기 전에 Lewis 구조의 도움을 받아 전자 기하학을 먼저 결정하는 것이 항상 중요합니다. 암모니아 분자 NH ₃ 는 삼각 피라미드 분자 기하학의 한 예이지만 사면체 전자 기하학을 사용합니다.

삼각 쌍 각뿔

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TEV에 따르면 지금까지 선형 기하학을 제외하고 사면체, 각 및 삼각 피라미드에서 중심 원자는 sp ³ 혼성화를 가지고 있습니다 . 이는 결합 각도가 실험적으로 결정된 경우 약 109º 여야 함을 의미합니다.

삼각 이뿔 기하학에서 중심 원자 주위에 5 개의 전자 그룹이 있습니다. 위의 이미지에서 5 개의 녹색 점으로 볼 수 있습니다. 삼각형 밑면에 3 개, 피라미드의 상단 및 하단 정점 인 축 위치에 2 개가 있습니다.

그러면 파란색 점은 어떤 혼성화를 갖습니까? 단일 결합 (주황색)을 형성하려면 5 개의 하이브리드 궤도가 필요합니다. 이것은 5 개의 sp ³ d 오비탈 (1 s, 3 p 및 1 d 오비탈의 혼합물의 생성물)을 통해 달성됩니다 .

5 개의 전자 그룹을 고려할 때 기하학은 이미 노출 된 것이지만 공유하지 않는 전자 쌍이 있기 때문에 다른 기하학이 생성하는 왜곡으로 다시 고통받습니다. 마찬가지로 다음 질문이 발생합니다.이 쌍이 피라미드에서 어떤 위치를 차지할 수 있습니까? 이들은 축 또는 적도입니다.

축 방향 및 적도 위치

삼각형 밑면을 구성하는 녹색 점은 적도 위치에 있고 상단과 하단에있는 두 지점은 축 위치에 있습니다. 비공유 전자쌍은 우선적으로 어디에 위치 할 것인가? 정전기 반발과 입체 효과를 최소화하는 위치.

축 방향 위치에서 전자 쌍은 삼각형베이스에서 수직 (90º)으로 "압력"을받는 반면, 적도 위치에있는 경우베이스에 남아있는 두 전자 그룹은 120º 떨어져 있고 두 끝을 90º (대신 베이스와 마찬가지로 3 개).

따라서 중심 원자는보다 안정적인 분자 구조를 생성하기 위해 자유 전자 쌍을 적도 위치에 배치하려고합니다.

진동 및 T 모양

출처 : Gabriel Bolívar

삼각 바이 피라미드 기하학에서 하나 이상의 원자가 자유 전자 쌍으로 대체되면 우리는 또한 다른 분자 기하학을 가질 것입니다.

상단 이미지의 왼쪽에서 형상이 진동하는 모양으로 변경됩니다. 그 안에서 자유 전자 쌍은 나머지 4 개의 원자를 같은 방향으로 밀어내어 결합을 왼쪽으로 구부립니다. 이 쌍과 원자 중 두 개는 원래 쌍 각뿔의 동일한 삼각형 평면에 있습니다.

그리고 이미지 오른쪽에있는 T 자형 기하학이 분자 기하학은 두 개의 전자 쌍을 두 개의 원자로 대체 한 결과로 나머지 세 개의 원자가 정확히 하나의 문자를 그리는 동일한 평면에 정렬됩니다. 티.

그런 다음 AB ₅ 유형의 분자에 대해 삼각 바이 피라미드 기하학을 채택합니다. 그러나 동일한 전자 기하학을 가진 AB ₄ 는 진동 기하학을 채택합니다. 그리고 AB ₃ , T 자형 기하학. 그들 모두에서 A는 (일반적으로) sp ³ d 혼성화를 가질 것 입니다.

분자 기하학을 결정하기 위해서는 Lewis 구조와 전자 기하학을 그리는 것이 필요합니다. 이것이 삼각 바이 피라미드라면 자유 전자 쌍은 버려지지만 나머지 원자에 대한 입체 효과는 없습니다. 따라서 세 가지 가능한 분자 구조를 완벽하게 식별 할 수 있습니다.

정팔면체

팔면체 분자 기하학은 메인 이미지의 오른쪽에 묘사되어 있습니다. 이러한 유형의 기하학은 AB ₆ 화합물에 해당합니다 . AB ₄ 는 사각형베이스를 형성하고 나머지 두 B는 축 위치에 위치합니다. 따라서 팔면체의 면인 여러 정삼각형이 형성됩니다.

여기에서도 (모든 전자 기하학에서와 같이) 자유 전자 쌍이있을 수 있으므로 다른 분자 기하학이이 사실에서 파생됩니다. 예를 들어, 팔면체 전자 기하학을 가진 AB ₅ 는 정사각형 밑면을 가진 피라미드와 정사각형 평면의 AB ₄ 로 구성됩니다 .

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팔면체 전자 기하학의 경우,이 두 분자 기하학은 정전기 반발 측면에서 가장 안정적입니다. 정사각형 평면 기하학에서 두 쌍의 전자는 180º 떨어져 있습니다.

이러한 기하학적 구조 (또는 구조가 유일한 경우 구조)에서 원자 A의 혼성화는 무엇입니까? 다시 말하지만, TEV 는 A가 팔면체의 꼭지점에서 전자 그룹의 방향을 정할 수 있도록하는 6 개의 하이브리드 궤도 인 sp ³ d ² 라고 말합니다 .

기타 분자 구조

지금까지 언급 한 피라미드의 기초를 수정함으로써 좀 더 복잡한 분자 기하학을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 오각형 바이 피라미드는 염기로 오각형을 갖고이를 형성하는 화합물은 일반 식 AB _7을 갖습니다 .

다른 분자 기하학과 마찬가지로 B 원자를 자유 전자 쌍으로 대체하면 기하학이 다른 모양으로 왜곡됩니다.

또한 AB ₈ 컴파운드 는 사각형 안티 프리즘과 같은 형상을 채택 할 수 있습니다. 일부 도형은 특히 공식 AB ₇ 이후 (최대 AB ₁₂ )의 경우 매우 복잡 할 수 있습니다 .

분자 기하학의 예

각 주요 분자 구조에 대해 일련의 화합물이 아래에 언급됩니다. 연습으로 모든 예제에 대한 루이스 구조를 그리고 전자 기하학이 주어지면 분자 기하학이 아래 나열된 것처럼 얻어지는 지 여부를 인증 할 수 있습니다.

선형 기하학

-에틸렌, H ₂ C≡CH ₂

-염화 베릴륨, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-이산화탄소, CO ₂ (O = C = O)

-질소, N ₂ (N≡N)

-수은 디 브로마이드, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodide 음이온, I ₃ ^- (III)

-Hydrocyanic acid, HCN (HN≡C)

각도는 180º 여야하며 따라서 sp 혼성화가 있어야합니다.

각도 기하학

- 물

-이산화황, SO ₂

-이산화질소, NO ₂

-오존, O ₃

아미드 음이온, NH ₂ ^-

삼각 평면

-브로 모 트리 플루오 라이드, BF ₃

-삼염화 알루미늄, AlCl ₃

-Nitrate 음이온, NO ₃ ^-

-탄산 음이온, CO ₃ ^2–

사면체

-메탄 가스, CH ₄

-사염화탄소, CCl ₄

-암모늄 양이온, NH ₄ ⁺

-Sulfate 음이온 SO ₄ ^2-

삼각 피라미드

-Amonia, NH ₃

-양이온 하이드로 늄, H ₃ O ⁺

삼각 쌍 각뿔

-오 불화 인, PF ₅

-Antimony pentachloride, SbF ₅

진동

사 불화 황, SF ₄

T 자형

-삼염화 요오드, ICl ₃

-삼 불화 염소, ClF ₃ (두 화합물 모두 인터 할로겐으로 알려져 있음)

정팔면체

-육 불화 황, SF ₆

-6 불화 셀레늄, SeF ₆

-Hexafluorophosphate, PF ₆ ^-

결론적으로 분자 기하학은 물질의 화학적 또는 물리적 특성의 관찰을 설명하는 것입니다. 그러나 전자 기하학에 따라 방향이 지정되므로 후자는 항상 전자보다 먼저 결정되어야합니다.

참고 문헌

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. 화학. (8 판). CENGAGE Learning, 194-198 쪽.
2. Shiver & Atkins. (2008). 무기 화학. (제 4 판., P. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. 마크 E. 터커 만. (2011). 분자 기하학과 VSEPR 이론. 출처 : nyu.edu
4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). 분자 기하학 소개. 출처 : chemistry.elmhurst.edu
5. 화학 LibreTexts. (2016 년 9 월 8 일). 분자의 기하학. 출처 : chem.libretexts.org