הגדרת גיאומטריה מולקולרית בכימיה

בכימיה, גיאומטריה מולקולרית מתאר את הצורה התלת ממדית של א מולקולה והמיקום היחסי של גרעינים אטומיים של מולקולה. הבנת הגיאומטריה המולקולרית של מולקולה חשובה מכיוון שהקשר המרחבי בין האטום קובע את תגובתיותו, צבעו, פעילותו הביולוגית, מצב החומר, קוטביות ועוד נכסים.

טעימות עיקריות: גיאומטריה מולקולרית

ניתן לתאר גיאומטריה מולקולרית על פי זוויות הקשר הנוצרות בין שני קשרים סמוכים. צורות נפוצות של מולקולות פשוטות כוללות:

לינארית: מולקולות לינאריות הן בעלות צורה של קו ישר. זוויות הקשר במולקולה הם 180 °. פחמן דו חמצני (CO₂) ותחמוצת החנקן (NO) הם לינאריים.

זוויתי: מולקולות זוויות, כפופות או בצורת V מכילות זוויות של קשר פחות מ- 180 מעלות. דוגמה טובה היא מים (ח₂O).

מישור טריגונאלי: מולקולות מישוריות טריגונליות יוצרים צורה משולשת בערך במישור אחד. זוויות הקשר הם 120 מעלות. דוגמה לכך היא בור טריפלואוריד (BF₃).

טטרהדרלית: צורה טטרהדרלית היא צורה מוצקה בעלת ארבע פנים. צורה זו מתרחשת כאשר לאטומים מרכזיים אחד יש ארבעה קשרים. זוויות הקשר הם 109.47 °. דוגמה למולקולה בעלת צורה טטרהדראלית היא מתאן (CH₄).

אוקטאהדרל: בצורת אוקטאהדרלה שמונה פרצופים וזוויות קשר של 90 מעלות. דוגמה למולקולה של אוקטאהדרלה היא hexafluoride גופרית (SF₆).

פירמידאלי טריגונאלי: צורת מולקולה זו דומה לפירמידה עם בסיס משולש. בעוד שצורות ליניאריות וטריגונליות הן מישוריות, הצורה הפירמידאלית הטריגונאלית היא תלת ממדית. דוגמה למולקולה היא אמוניה (NH₃).

בדרך כלל זה לא מעשי ליצור מודלים תלת מימדיים של מולקולות, במיוחד אם הם גדולים ומורכבים. רוב הזמן, הגיאומטריה של מולקולות מיוצגת בשני ממדים, כמו על רישום על דף נייר או על דגם מסתובב על גבי מסך מחשב.

כמה ייצוגים נפוצים כוללים:

דגם קו או מקל: בסוג זה של מודל, רק מקלות או קווים לייצוג קשרים כימים מתוארים. צבעי קצות המקלות מעידים על זהות ה אטומים, אך גרעינים אטומיים בודדים אינם מוצגים.

דגם כדור ומקל: זהו סוג נפוץ של מודל בו אטומים מוצגים ככדורים או כדורים וקשרים כימיים הם מקלות או קווים המחברים בין האטומים. לעתים קרובות הצבעים של האטומים מציינים את זהותם.

עלילת צפיפות אלקטרונים: כאן לא האטומים ולא הקשרים מצוינים ישירות. העלילה היא מפה של ההסתברות למציאת אלקטרונים. ייצוג מסוג זה מתווה את צורת המולקולה.

קריקטורה: קריקטורות משמשות למולקולות גדולות ומורכבות שעלולות להיות יחידות משנה מרובותכמו חלבונים. ציורים אלה מראים את מיקומם של מסות אלפא, גיליונות בטא ולולאות. אטומים בודדים וקשרים כימיים אינם מצוינים. עמוד השדרה של המולקולה מתואר כסרט.

לשתי מולקולות יכולות להיות אותה נוסחה כימית, אך מציגות גיאומטריות שונות. מולקולות אלה הן איזומרים. איזומרים עשויים לחלוק תכונות משותפות, אך מקובל שיש להם נקודות התכה ורתיחה שונות, פעילויות ביולוגיות שונות ואפילו צבעים או ריחות שונים.

ניתן לחזות את צורתה התלת מימדית של מולקולה על סמך סוגי הקשרים הכימיים שהיא יוצרת עם אטומים שכנים. התחזיות מבוססות במידה רבה אלקטרוניות ההבדלים בין האטומים שלהם מצבי חמצון.

אימות אמפירי של תחזיות נובע מהפרעות דיפרקציה וספקטרוסקופיה. ניתן להשתמש בקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן, דיפרקציה אלקטרונית, וכן דיפרקציה ניוטרון כדי להעריך את צפיפות האלקטרונים בתוך מולקולה ואת המרחקים בין גרעינים אטומיים. ספקטרוסקופיה ראמאן, IR ומיקרוגל מציעים נתונים על ספיגת הרטט והסיבוב של קשרים כימיים.

הגיאומטריה המולקולרית של מולקולה עשויה להשתנות בהתאם לשלב החומר שלה מכיוון שהדבר משפיע על הקשר בין האטומים במולקולות והקשר שלהם למולקולות אחרות. באופן דומה, הגיאומטריה המולקולרית של מולקולה בתמיסה עשויה להיות שונה מצורתה כגז או מוצק. באופן אידיאלי, גיאומטריה מולקולרית מוערכת כאשר מולקולה נמצאת בטמפרטורה נמוכה.

• כרמוס, אלכסנדרוס; דגלאס, ג'ק פ. (2015). "מתי הופך פולימר מסועף לחלקיק?". י. כימ. פיז. 143: 111104. doi:10.1063/1.4931483
• כותנה, פ. אלברט; וילקינסון, ג'פרי; מורילו, קרלוס א.; בוכמן, מנפרד (1999). כימיה אורגנית מתקדמת (מהדורה 6). ניו יורק: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.
• מקמוררי, ג'ון א. (1992). כימיה אורגנית (מהדורה שלישית). בלמונט: ווסוורת '. ISBN 0-534-16218-5.