사면체 분자 기하학

Tetrahedral molecular geometry
사면체 분자 기하학
Tetrahedral-3D-balls.png
예CH4, MnO−
4
점군Td.
코디네이션 번호4
본드 각도≈ 109.5°
μ(극성)0

사면체 분자 기하학에서, 중심 원자는 사면체의 모서리에 위치한 4개의 치환기와 함께 중심에 위치한다.결합각은 cos(-)이다−1.1⁄3) = 109.4712206...4가지 치환기가 모두 메탄과 동일한 경우 ° ≤ 109.5°(메탄)CH4)[1][2] 및 그 무거운 아날로그.메탄과 완벽하게 대칭되는 다른 사면체 분자들은 점군d T에 속하지만, 대부분의 사면체 분자들은 더 낮은 대칭을 가지고 있다.사면체 분자는 키랄이 될 수 있다.

사면체 결합각

점곱을 이용한 대칭 사면체 분자의 결합각 계산

CH와 같은4 대칭 사면체 분자의 결합각은 두 벡터의 점곱을 사용하여 계산할 수 있다.그림과 같이 분자는 좌표의 원점인 입방체 중심에 4가 원자(예를 들어 탄소)가 있는 입방체 안에 들어갈 수 있다.4개의 1가 원자(예: 수소)는 입방체의 네 모서리(A, B, C, D)에 있으므로 하나의 입방체 모서리만으로 연결된 인접 모서리에 두 개의 원자가 없다.입방체의 엣지 길이를 2단위로 하면 2개의 결합 OA 및 OB는 벡터 a=(1, –1, 1) 및 b=(1, 1, –1)에 대응하고 결합각θ는 이들 2개의 벡터 사이의 각도이다.이 각도는 a • b = a cos θ로 정의된 두 벡터의 도트 곱에서 계산할 수 있다. 여기서 a는 벡터 a의 길이를 나타낸다.도표와 같이 도트곱은 –1이고 각 벡터의 길이는 θ3이므로 cos θ = –1/3 및 사면체 결합각 θ = arccos(–1/3) 109 109.47°이다.

예

메인그룹 케미학

사면체 분자 메탄(CH4)

사실상 모든 포화 유기 화합물을 제외하고, 대부분의 Si, Ge, Sn 화합물은 사면체이다.종종 사면체 분자는 제논 사산화물(XeO4), 과염소산 이온(ClO-4), 황산 이온(SO2-4), 인산 이온(PO3-4)과 같이 외부 배위자에 다중 결합을 특징으로 합니다.티아질 삼불화물(SNF3)은 황-질소 삼중결합을 [3]특징으로 하는 사면체이다.

다른 분자는 중심 원자 주위에 전자쌍의 사면체 배치를 가지고 있다. 예를 들어, 3개의 수소와 1개의 단독 쌍으로 둘러싸인 질소 원자의 암모니아(NH3)가 있다.그러나 일반적인 분류에서는 단일 쌍이 아닌 결합된 원자만 고려하므로 암모니아는 실제로 피라미드로 간주됩니다.H–N–H 각도는 109.5°에서 축소된 107°이다.이러한 차이는 결합 원자보다 반발력이 큰 단일 쌍의 영향 때문이다.

전이금속화학

다시 말하지만, 특히 금속이 d 또는10 d 구성을 가진0 복합체의 경우 기하학이 널리 퍼져 있습니다.예를 들어 테트라키스(트리페닐포스핀) 팔라듐(0)(Pd[P(CH65)]),34 니켈카르보닐(Ni(CO)4 및 사염화티타늄(TiCl4)을 들 수 있다.불완전하게 채워진 d-셸을 가진 많은 복합체는 종종 사면체이다. 예를 들어 철(II), 코발트(Co발트)의 사할라이드이다.II) 및 니켈(II)입니다.

물 구조

기상에서 단일 물 분자는 2개의 수소 및 2개의 외딴 쌍으로 둘러싸인 산소 원자를 가지며, HO 형상은 단순히2 비결합 외딴 쌍을 고려하지 않고 구부러진 것으로 기술된다.

하지만, 액체 상태의 물이나 얼음 속에서, 그 외로운 쌍들은 이웃하는 물 분자들과 수소 결합을 형성합니다.산소 주위의 수소 원자의 가장 일반적인 배열은 두 개의 수소 원자가 산소에 공유 결합되고 두 개의 수소 원자가 수소 결합에 결합되는 사면체입니다.수소 결합의 길이가 다르기 때문에 이러한 물 분자의 대부분은 대칭적이지 않고 연관된 4개의 수소 [4]원자 사이에 일시적인 불규칙 사면체를 형성합니다.

복면체 구조

많은 화합물과 복합체는 복면체 구조를 채택한다.이 모티브에서 두 사각형은 공통 모서리를 공유합니다.무기 고분자 실리콘 이황화물은 가장자리 공유 사면체의 무한 사슬을 특징으로 합니다.완전 포화 탄화수소계에서는 탄소-탄소 단일 [5][6]결합이 가장 짧은 분자의 후보로서 역면체86 분자 CH가 제안되었다.

AlBr('알루미늄 삼염화물') 및 GaCl('삼염화 갈륨')에2626 의해 채택된 복면체 구조.

예외 및 왜곡

사면체의 반전은 유기 화학과 주요 그룹 화학에서 광범위하게 일어난다.이른바 월든 반전(Walden inversion)은 탄소에서의 반전(inversion)의 입체화학적 결과를 보여준다.암모니아에서 질소 반전은 또한 평면3 NH의 일시적인 형성을 수반한다.

역 사면체 기하학

분자 내의 기하학적 제약은 이상적인 사면체 형상의 심각한 왜곡을 야기할 수 있다.탄소 원자에서 "반전된" 사면체 형상을 특징으로 하는 화합물에서, 이 탄소에 부착된 4개의 그룹은 모두 [7]평면의 한쪽에 있습니다.탄소 원자는 정사각형 피라미드의 꼭대기 또는 그 근처에 있고 [8][9]다른 네 개의 그룹은 모서리에 있습니다.

Inverted carbon

역 사면체 형상을 보이는 유기 분자의 가장 단순한 예는 [1.1.1] 프로펠란과 같은 가장 작은 프로펠러인 또는 보다 일반적으로 패들란과 피라미드산([[10]3.3.3]페네스트란)[8][9]이다.이러한 분자는 전형적으로 변형되어 반응성이 높아집니다.

평탄화

또한 2개의 결합 사이의 각도를 증가시킴으로써 사면체를 왜곡할 수도 있다.극단적인 경우 평탄화 결과가 나타납니다.탄소의 경우 이 현상은 페네스트라네라고 [citation needed]불리는 화합물 클래스에서 관찰될 수 있습니다.

중심 원자가 없는 사면체 분자

몇몇 분자는 중심 원자가 없는 사면체 형상을 가지고 있다.무기적인 예는 4개의 인 원자를 사면체의 정점에 가지며 각각 다른 3개에 결합하는 4인(P4)이다.유기적인 예로는 4개의 탄소 원자가 각각 하나의 수소와 다른 3개의 탄소에 결합된 테트라헤드란(CH44)이 있다.이 경우 이론적인 C-C-C 결합각은 60°에 불과하며(실제로는 구부러진 결합으로 인해 각도가 커짐) 큰 변형률을 나타냅니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Alger, Nick. "Angle Between 2 Legs of a Tetrahedron". Archived from the original on 2018-10-03.
  2. ^ Brittin, W. E. (1945). "Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom". J. Chem. Educ. 22 (3): 145. Bibcode:1945JChEd..22..145B. doi:10.1021/ed022p145.
  3. ^ Miessler, G. L.; Tarr, D. A. (2004). Inorganic Chemistry (3rd ed.). Pearson/Prentice Hall. ISBN 0-13-035471-6.
  4. ^ Mason, P. E.; Brady, J. W. (2007). ""Tetrahedrality" and the Relationship between Collective Structure and Radial Distribution Functions in Liquid Water". J. Phys. Chem. B. 111 (20): 5669–5679. doi:10.1021/jp068581n. PMID 17469865.
  5. ^ 셰, 야오밍, 헨리 F.셰퍼."2면체 분자 C8H6: 포화 탄화수소에 대한 가장 짧은 CC 결합 거리?"화학물리학 서신 161(1989) : 516-518.
  6. ^ Xie, Yaoming; Schaefer, Henry F. (1989-09-29). "The bitetrahedral molecule C8H6: The shortest possible CC bond distance for a saturated hydrocarbon?". Chemical Physics Letters. 161 (6): 516–518. Bibcode:1989CPL...161..516X. doi:10.1016/0009-2614(89)87031-9. ISSN 0009-2614.
  7. ^ Wiberg, Kenneth B. (1984). "Inverted geometries at carbon". Acc. Chem. Res. 17 (11): 379–386. doi:10.1021/ar00107a001.
  8. ^ a b Joseph P. Kenny; Karl M. Krueger; Jonathan C. Rienstra-Kiracofe; Henry F. Schaefer III (2001). "C5H4: Pyramidane and Its Low-Lying Isomers". J. Phys. Chem. A. 105 (32): 7745–7750. Bibcode:2001JPCA..105.7745K. doi:10.1021/jp011642r.
  9. ^ a b Lewars, E. (1998). "Pyramidane: an ab initio study of the C5H4 potential energy surface". Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 423 (3): 173–188. doi:10.1016/S0166-1280(97)00118-8.
  10. ^ IUPAC, 화학 용어집, 제2판('골드북') (1997).온라인 수정판: (2006–) "paddlanes" . doi : 10.1351 / goldbook . P04395

외부 링크