¿Puede el ozono tener una estructura triangular?

Question

La estructura del ozono se representa tradicionalmente mediante dos formas de resonancia:

Sin embargo, lo que me pregunto es, en lugar de usar esa idea para explicar la estructura, ¿por qué no mostramos la estructura del ozono de esta manera?

Algunas personas me han dicho que esa estructura no es posible, pero no mencionan la razón. Lo que tengo en mente es que tal vez sea la repulsión electrónica. Pero me gustaría saber exactamente qué mecanismo evitaría que esto ocurriera.

Answer 1

Aquí está el diagrama de Walsh que muestra todos los orbitales moleculares de valencia (un diagrama que muestra cómo cambian en energía los orbitales moleculares individuales debido a la flexión alrededor del átomo central). El oxígeno tiene 6 electrones de valencia, por lo que el ozono tiene un total de 18 electrones. Si comenzamos en la derecha, donde el ozono sería lineal, podemos ver que todos los orbitales hasta los orbitales $2\pi_\mathrm u$ (no te preocupes por por qué se llaman así) estan doblemente ocupados y los dos orbitales $2\pi_\mathrm u$ están ocupados individualmente.

Nota: 6a$_1$ y 2b$_1$ tienen el signo incorrecto en los orbitales p externos.

Si doblamos ligeramente la molécula (moviéndonos hacia la izquierda en el diagrama), podemos ver que hay una interacción favorable entre los orbitales de tipo p en los extremos, así como entre el negro del orbital p central y el negro de los orbitales de tipo p externos (Alguien dibujó los orbitales $\mathrm{6a_1}$ y $\mathrm{2b_1}$ incorrectamente, da vuelta el orbital central). Esto reduce la energía de la molécula.

Entonces, ¿por qué no sigue doblandose? Como una buena aproximación de primer orden, podemos estimar la energía relativa de las configuraciones por el orbital de mayor energía (si los otros orbitales no cambian demasiado). Podemos ver que si seguimos doblando, el orbital $\mathrm{1a_2}$ y el orbital $\mathrm{4b_2}$ comienzan a aumentar en energía, eventualmente subiendo por encima del orbital $\mathrm{6a_1}$. Así que doblar demasiado será desfavorable, y por lo tanto el ozono prefiere un ángulo de enlace de alrededor de $117^\circ$.

Este mismo diagrama se puede utilizar para otras moléculas, como $\ce{CO2}$. Intenta usarlo para averiguar por qué $\ce{CO2}$ es lineal.

Answer 2

Tu suposición sobre la repulsión electrónica es correcta: la repulsión entre los pares solitarios de electrones en los átomos de Oxígeno conlleva a una intensa repulsión a distancias tan cercanas que lleva a la inestabilidad. En comparación con esto, la resonancia es una configuración mucho más estable.

La tensión en las uniones en la estructura cíclica también juega su parte porque experimentalmente se ha encontrado que es anormal. La tensión causa inestabilidad en el enlace y eventualmente la molécula se romperá en sus constituyentes. El ángulo ideal para la estabilidad es de 109 grados y 28 minutos (no sé por qué, pero los experimentos muestran que esto es cierto). La tensión angular también se puede encontrar en el agua: para disminuir esa tensión, el agua colapsa a un ángulo de 104 grados.

La tensión en anillos o la tensión angular es un tipo de inestabilidad que existe cuando los enlaces en una molécula forman ángulos que son anormales (es decir, no se encuentran generalmente en la naturaleza).

Answer 3

Posibles razones:

• Repulsión electrónica: Para formar un anillo de 3 miembros, tus pares de electrones tendrían que doblarse a 60 grados; la energía requerida para empujar electrones naturalmente repulsivos tan cerca uno del otro haría que la molécula fuera muy inestable.
• Inestabilidad de los anillos de tres miembros (tensión angular):

Answer 4

O3, Ozono forma un hexágono como el ciclohexano, tanto en conformaciones de silla como de bote a través de 3 uniones de banana dobladas o 3 uniones covalentes indirectas individuales como en las uniones dobladas de Pauling. Necesitas ver/usar mi revolucionario, nuevo y único set de Modelos Moleculares para mostrar estas uniones de banana formadas por 2 radicales libres emparejados, cada unión.