Τετραεδρική μοριακή γεωμετρία

Στην τετραεδρική μοριακή γεωμετρία (tetrahedral molecular geometry), ένα κεντρικό άτομο βρίσκεται στο κέντρο με τέσσερις υποκαταστάτες που βρίσκονται στις γωνίες ενός τετράεδρου. Οι γωνίες δεσμού είναι arccos(−) = 109,4712206...° ≈ 109,5° όταν και οι τέσσερις υποκαταστάτες είναι οι ίδιοι, όπως στο μεθάνιο () καθώς και τα βαρύτερα ανάλογά του. Το μεθάνιο και άλλα τέλεια συμμετρικά τετραεδρικά μόρια ανήκουν στην σημειακή ομάδα Td, αλλά τα περισσότερα τετραεδρικά μόρια έχουν χαμηλότερη συμμετρία. Τα τετραεδρικά μόρια μπορούν να είναι χειρόμορφα.

 Γωνία τετραεδρικού δεσμού 
Η γωνία δεσμού για ένα συμμετρικό τετραεδρικό μόριο όπως το CH4 μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το εσωτερικό γινόμενο δύο διανυσμάτων. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα στα αριστερά, το μόριο μπορεί να εγγραφεί σε έναν κύβο με το τετρασθενές άτομο (π.χ. άνθρακας) στο κέντρο του κύβου, το οποίο είναι η αρχή των συντεταγμένων, O. Τα τέσσερα μονοσθενή άτομα (π.χ. υδρογόνα) βρίσκονται σε τέσσερις γωνίες του κύβου (A, B, C, D) που έχουν επιλεγεί έτσι ώστε να μην υπάρχουν δύο άτομα σε γειτονικές γωνίες που να συνδέονται μόνο με μία άκρη του κύβου.

Εάν το μήκος της ακμής του κύβου επιλεγεί ως 2 μονάδες, τότε οι δύο δεσμοί OA και OB αντιστοιχούν στα διανύσματα  και , και η γωνία δεσμού  είναι η γωνία μεταξύ αυτών των δύο διανυσμάτων. Αυτή η γωνία μπορεί να υπολογιστεί από το εσωτερικό γινόμενο των δύο διανυσμάτων, που ορίζεται ως  όπου }} δηλώνει το ευκλείδιο διάνυσμα του μήκους του διανύσματος a. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, το εσωτερικό γινόμενο εδώ είναι –1 και το μήκος κάθε διανύσματος είναι }, έτσι ώστε } και η γωνία τετραεδρικού δεσμού .

Μια εναλλακτική απόδειξη χρησιμοποιώντας τριγωνομετρία φαίνεται στο διάγραμμα στα δεξιά.

 Παραδείγματα 

 Χημεία κύριας ομάδας 
Εκτός από σχεδόν όλες τις κορεσμένες οργανικές ενώσεις, οι περισσότερες ενώσεις των Si, Ge και Sn είναι τετραεδρικές. Συχνά τα τετραεδρικά μόρια παρουσιάζουν πολλαπλούς δεσμούς με τα εξωτερικά προσδέματα (ligands), όπως στο τετραοξείδιο του ξένου (XeO4), το υπερχλωρικό ιόν (), το θειικό ιόν (), το φωσφορικό ιόν (). Το θειαζυλοτριφθορίδιο () είναι τετραεδρικό, εμφανίζοντας τριπλό δεσμό θείου-αζώτου.

Άλλα μόρια έχουν μια τετραεδρική διάταξη ζευγών ηλεκτρονίων γύρω από ένα κεντρικό άτομο, για παράδειγμα, η αμμωνία () με το άτομο αζώτου να περιβάλλεται από τρία υδρογόνα και ένα μονήρες ζεύγος. Ωστόσο, η συνήθης ταξινόμηση λαμβάνει υπόψη μόνο τα συνδεδεμένα άτομα και όχι το μονήρες ζεύγος, έτσι ώστε η αμμωνία να θεωρείται στην πραγματικότητα ως πυραμιδική. Οι γωνίες H–N–H είναι 107°, συσταλμένες από τις 109,5°. Αυτή η διαφορά αποδίδεται στην επίδραση του μονήρους ζεύγους, το οποίο ασκεί μεγαλύτερη απωστική επίδραση από ένα συνδεδεμένο άτομο.

Χημεία στοιχείων μετάπτωσης
Και πάλι, η γεωμετρία είναι ευρέως εκτεταμένη, ιδιαίτερα για σύμπλοκα όπου το μέταλλο έχει διαμόρφωση d0 ή d10. Ενδεικτικά παραδείγματα περιλαμβάνουν τετράκις(τριφαινυλοφωσφίνη)παλλάδιο(0) (), τετρακαρβονύλιο νικελίου () και τετραχλωριούχο τιτάνιο (). Πολλά σύμπλοκα με ατελώς γεμισμένες d-στοιβάδες είναι συχνά τετραεδρικά, π.χ. τα τετρααλογονίδια του σιδήρου(II), του κοβαλτίου(II) και του νικελίου(II).

Δομή νερού
Στην αέρια φάση, ένα μόριο νερού έχει ένα άτομο οξυγόνου που περιβάλλεται από δύο υδρογόνα και δύο μονήρη ζεύγη, και η γεωμετρία  περιγράφεται απλά ως κεκαμμένη χωρίς να λαμβάνονται υπόψη τα μη δεσμικά μονήρη ζεύγη.

Ωστόσο, σε υγρό νερό ή σε πάγο, τα μονήρη ζεύγη σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με γειτονικά μόρια νερού. Η πιο συνηθισμένη διάταξη ατόμων υδρογόνου γύρω από ένα οξυγόνο είναι τετραεδρική, με δύο άτομα υδρογόνου ομοιοπολικά συνδεδεμένα με το οξυγόνο και δύο συνδεδεμένα με δεσμούς υδρογόνου. Δεδομένου ότι οι δεσμοί υδρογόνου ποικίλλουν σε μήκος, πολλά από αυτά τα μόρια νερού δεν είναι συμμετρικά και σχηματίζουν παροδικά ακανόνιστα τετράεδρα μεταξύ των τεσσάρων συνδεδεμένων ατόμων υδρογόνου τους.

 Διτετράεδρες δομές 
Πολλές ενώσεις και σύμπλοκα υιοθετούν διτετραεδρικές δομές. Σε αυτό το μοτίβο, τα δύο τετράεδρα μοιράζονται μια κοινή άκρη. Το ανόργανο πολυμερές διθειούχο πυρίτιο διαθέτει μια άπειρη αλυσίδα τετραέδρων με κοινές άκρες. Σε ένα πλήρως κορεσμένο σύστημα υδρογονανθράκων, το διτετράεδρο μόριο C8H6 έχει προταθεί ως υποψήφιο για το μόριο με το συντομότερο δυνατό απλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα.

 Εξαιρέσεις και παραμορφώσεις 
Η αναστροφή των τετραέδρων εμφανίζεται ευρέως στην οργανική χημεία και τη χημεία των κύριων ομάδων. Η αναστροφή Walden απεικονίζει τις στερεοχημικές συνέπειες της αναστροφής στον άνθρακα. Η αναστροφή αζώτου στην αμμωνία συνεπάγεται επίσης παροδικό σχηματισμό επίπεδης .

 Ανεστραμμένη τετραεδρική γεωμετρία 
Οι γεωμετρικοί περιορισμοί σε ένα μόριο μπορούν να προκαλέσουν σοβαρή παραμόρφωση της ιδανικής τετραεδρικής γεωμετρίας. Σε ενώσεις που διαθέτουν ανεστραμμένη τετραεδρική γεωμετρία σε ένα άτομο άνθρακα, και οι τέσσερις ομάδες που συνδέονται με αυτόν τον άνθρακα βρίσκονται στη μία πλευρά ενός επιπέδου. Το άτομο άνθρακα βρίσκεται στην κορυφή ή κοντά στην κορυφή μιας τετραγωνικής πυραμίδας με τις άλλες τέσσερις ομάδες στις γωνίες.

200px|Ανεστραμμένος άνθρακας

Τα απλούστερα παραδείγματα οργανικών μορίων που εμφανίζουν ανεστραμμένη τετραεδρική γεωμετρία είναι τα μικρότερα προπελλάνια, όπως το [1.1.1]προπελλάνιο ή γενικότερα τα κωπηλατήματα (paddlanes), και πυραμιδάνιο (pyramidane) ([3.3.3.3]φενεστράνη). Τέτοια μόρια συνήθως τεντώνονται, με αποτέλεσμα αυξημένη αντιδραστικότητα.

 Επιπέδωση
Ένα τετράεδρο μπορεί επίσης να παραμορφωθεί αυξάνοντας τη γωνία μεταξύ δύο δεσμών. Στην ακραία περίπτωση, προκύπτει επιπέδωση. Για τον άνθρακα, αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί σε μια κατηγορία ενώσεων που ονομάζονται φενεστράνες (fenestranes).

 Τετραεδρικά μόρια χωρίς κεντρικό άτομο 
Μερικά μόρια έχουν τετραεδρική γεωμετρία χωρίς κεντρικό άτομο. Ένα ανόργανο παράδειγμα είναι ο τετραφώσφορος () που έχει τέσσερα άτομα φωσφόρου στις κορυφές ενός τετραέδρου και το καθένα συνδεδεμένο με τα άλλα τρία. Ένα οργανικό παράδειγμα είναι το τετραεδράνιο () με τέσσερα άτομα άνθρακα, το καθένα συνδεδεμένο με ένα άτομο υδρογόνου και τα άλλα τρία άτομα άνθρακα. Σε αυτήν την περίπτωση, η θεωρητική γωνία δεσμού C−C−C είναι μόλις 60° (στην πράξη η γωνία θα είναι μεγαλύτερη λόγω των δεσμών κάμψης (bent bonds)), που αντιπροσωπεύουν μεγάλο βαθμό παραμόρφωσης.

 Δείτε επίσης 
 Μέθοδος AXE
 Θεωρία VSEPR

Παραπομπές

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 Examples of Tetrahedral molecules
 Animated Tetrahedral Visual
 Elmhurst College
 Interactive molecular examples for point groups
 3D Chem – Chemistry, Structures, and 3D Molecules
 IUMSC – Indiana University Molecular Structure Center]
 Complex ion geometry: tetrahedral
 Molecular Modeling

Κατηγορία:Μοριακή γεωμετρία