Wie werden Bindungswinkel bestimmt?

Die Die Positionen der Atome in einem Kristallgitter (Feststoff) können durch Röntgenkristallographie bestimmt werden. Aus diesen Positionen können auch Bindungslängen und Bindungswinkel genau berechnet werden.

Der wahrscheinlich denkwürdigste Fall zur Lösung der geometrischen Struktur eines Moleküls war Franklin und Gosling Röntgenkristallographie von DNA , Informationen, die später von Watson und Crick verwendet wurden, um das Rätsel der DNA-Struktur zu lösen.

Für viele einfache (binäre) Verbindungen Molekülformen und Bindungswinkel können auch theoretisch bestimmt werden (siehe Link).

Kommentare

• I ' möchte hinzufügen, dass Bindungswinkel (sowie Bindungslängen) von (einfachen) Molekülen in der Gasphase durch Rotationsspektroskopie bestimmt werden können. Wenn man das Rotationsspektrum eines Moleküls nimmt, kann man die Rotationskonstanten bestimmen, die von den Massen der Atome und den relativen Positionen der Atome abhängen. Wenn ein oder mehrere Atome durch ein anderes Isotop ersetzt werden (z. B. D für H), sagt uns die Born-Oppenheimer-Näherung, dass sich die relativen Positionen der Atome im Molekül nicht ändern (in der elektronischen SE werden alle Kerne als unendlich massiv angesehen zur ersten Ordnung).
• Die Rotationskonstanten ändern sich natürlich und aus der Änderung dieser können die relativen Positionen bestimmt werden. Je größer das Molekül ist, desto mehr Substitutionen werden natürlich benötigt. Die benötigten Gleichungen werden als Kraitchman-Gleichungen bezeichnet.

Wir verwenden die Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung ( VSEPR) -Modell zur Vorhersage der Geometrie kovalent gebundener Moleküle und Ionen. Nachdem das vorhergesagte Modell und die vorhergesagten Winkel bestimmt wurden, führen wir Berechnungen unter Verwendung der nicht-relativistischen Schrödinger-Gleichung basierend auf den Schwingungsmoden des Moleküls durch und vergleichen diese mit den spektroskopischen Daten zur Übereinstimmung.

Zitieren aus dieses Tutorial ,

Das VSEPR-Modell kann folgendermaßen erklärt werden. Wir wissen, dass ein Atom eine äußere Hülle aus Valenzelektronen hat. Diese Valenzelektronen können an der Bildung von Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen beteiligt sein oder sie können nicht gemeinsam genutzt werden. Jeder Satz von Elektronen, ob ungeteilt oder in einer Bindung, erzeugt einen negativ geladenen Raumbereich. Wir haben bereits gelernt, dass sich gleiche Ladungen gegenseitig abstoßen. Das VSEPR-Modell besagt, dass sich die verschiedenen Regionen, die Elektronen oder Elektronenwolken um ein Atom enthalten, so ausbreiten, dass jede Region so weit wie möglich von den anderen entfernt ist.

Sie erwähnen einen Winkel von 109,5 Grad. Dieser Winkel bezieht sich auf Strukturen mit vier Regionen hoher Elektronendichte um das Zentralatom.

Die folgenden Lewis-Strukturen zeigen drei Moleküle, deren Zentralatom von vier Wolken hoher Elektronendichte umgeben ist:

^Bildquelle

Erneutes Zitieren von hier ,

Diese Moleküle sind insofern gleich, als jedes Zentralatom von vier Elektronenpaaren umgeben ist, sie unterscheiden sich jedoch in der Anzahl der nicht gemeinsam genutzten Elektronenpaare am Zentralatom. Denken Sie daran, dass die Moleküle, obwohl wir sie in einer Ebene gezeichnet haben, dreidimensional sind und sich Atome vor oder hinter der Papierebene befinden können. Welche Geometrie sagt die VSEPR-Theorie für diese Moleküle voraus?

Sagen wir die Form von Methan, CH4, voraus. Die Lewis-Struktur von Methan zeigt ein Zentralatom, das von vier getrennten Regionen mit hoher Elektronendichte umgeben ist. Jede Region besteht aus einem Elektronenpaar, das das Kohlenstoffatom an ein Wasserstoffatom bindet. Nach dem VSEPR-Modell breiten sich diese Bereiche mit hoher Elektronendichte so vom zentralen Kohlenstoffatom aus, dass sie so weit wie möglich voneinander entfernt sind.

Sie können die resultierende Form mit einem Styropor vorhersagen Ball oder Marshmallow und vier Zahnstocher. Stecken Sie die Zahnstocher in die Kugel und achten Sie darauf, dass die freien Enden der Zahnstocher so weit wie möglich voneinander entfernt sind. Wenn Sie sie richtig positioniert haben, beträgt der Winkel zwischen zwei beliebigen Zahnstochern 109,5 °.Wenn Sie dieses Modell jetzt mit vier dreieckigen Papierstücken bedecken, haben Sie eine vierseitige Figur namens reguläres Tetraeder gebaut. Abbildung 7.8 zeigt (a) die Lewis-Struktur für Methan, (b) die tetraedrische Anordnung der vier Regionen mit hoher Elektronendichte um das zentrale Kohlenstoffatom und (c) ein raumfüllendes Modell von Methan.

^Bildquelle

Sobald Sie den geeigneten Bindungswinkel aus dem VSEPR-Modell vorhergesagt haben, basieren Sie auf diesem Modell kann man beginnen, Berechnungen der Energie durchzuführen, die mit verschiedenen Schwingungsmoden des Moleküls verbunden sind, unter Verwendung der nicht-relativistischen Schrödinger-Gleichung. Man vergleicht diese Ergebnisse dann mit den Werten, die in spektroskopischen Daten beobachtet wurden, die die Richtigkeit des Modells bestätigen.

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