Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

Transkrypt

1 Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

2 Geometria cząsteczek Geometria cząsteczek decyduje zarówno o ich właściwościach fizycznych jak i chemicznych, np. temperaturze wrzenia, temperaturze topnienia, gęstości, typie reakcji jakim ulegają. Budowę przestrzenną cząsteczek można opisać podając długość wiązań i kąty pomiędzy nimi (wyznaczone doświadczalnie) lub przedstawiając położenie atomów w cząsteczce przy pomocy kilku podstawowych figur geometrycznych:

3 Powłoka walencyjna jest najbardziej zewnętrzną powłoką elektronową w atomie, a wchodzące w jej skład elektrony biorą udział w tworzeniu wiązań pomiędzy atomami. Elektrony wiążące i wolne pary p elektronowe odpychają się wzajemnie, dlatego w cząsteczce zajmują położenie możliwie najbardziej oddalone od siebie. Na tej zasadzie opiera się teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion), która pozwala na określenie budowy przestrzennej każdej cząsteczki, którą można zapisać w postaci ogólnego wzoru: EA n H m gdzie: E atom centralny; A atom stanowiący ligand (z wyjątkiem atomu wodoru); H atom wodoru w roli ligandu; n łączna liczba ligandów A (nawet gdy ligandy są atomami różnych pierwiastków); m liczba atomów wodoru.

4 Podstawą metody VSEPR są następujące reguły: - wiązania wielokrotne traktuje się jako wiązania pojedyncze; - jeśli cząsteczka ma dwie (lub więcej) struktury rezonansowe, metodę VSEPR możemy zastosować do którejkolwiek z nich; - o geometrii cząsteczki decyduje liczba przestrzenna L p ; - wolne pary elektronowe ligandów nie wpływają na geometrię cząsteczki; - parom elektronowym, decydującym o geometrii cząsteczki, odpowiadają określone obszary orbitalne, a ich orientacja przestrzenna jest maksymalnie symetryczna; - poszczególne pary elektronowe nie odpychają się z jednakową siłą: najsilniej odpychają się dwie wolne pary elektronowe, słabiej odpycha się wolna para elektronowa z wiążącą parą σ, a najsłabiej abiej odpychają dwie wiążą ążące pary σ; - atomy związane zane z atomem centralnym mają oktet elektronowy (z wyjątkiem wodoru, który ma dublet elektronowy).

5 Określenie geometrii cząsteczki EA n H m metodą VSEPR obejmuje cztery etapy: 1. obliczenie liczby elektronów walencyjnych cząsteczki (L( wal ) 2. obliczenie wolnych par elektronowych atomu centralnego (L( wpe ), ze wzoru: L wpe =0,5L wal -4n-m 3. obliczenie liczby przestrzennej (L( p ), ze wzoru: L p =L wpe +n+m 4. umieszczenie wolnych par elektronowych atomu centralnego i par wiązań σ na kierunkach orbitalnych określonych liczbą przestrzenną: Liczba przestrzenna Geometria cząsteczki 2 liniowa 3 trygonalna płaska 4 tetraedryczna 5 bipiramidalna trygonalna 6 oktaedryczna Przykłady BeCl 2, HgCl 2 BF 3, SO 2, O 3, NO 2 CH 4, NH 4+, NH 3, H 2 O PCl 5, ClF 3 SF 6, BrF 5

6

7 Wolne pary elektronowe na atomie centralnym wywierają wpływ na kształt cząsteczki, nie bierze się ich jednak pod uwagę podczas nazywania kształtu cząsteczki. Cząsteczka przybiera kształt powodujący zmniejszenie odpychania pomiędzy wolnymi parami elektronowymi oraz między wolnymi a wiążącymi parami elektronowymi. Przykładem mogą być tetraedrycznie zhybrydyzowane orbitale sp 3 cząsteczki metanu, amoniaku i wody:

8 Przykład: Określenie geometrii cząsteczki CH 4 metodą VSEPR 1. obliczenie liczby elektronów walencyjnych cząsteczki: L wal = = 8 2. obliczenie wolnych par elektronowych atomu centralnego L wpe = 1/2 8-4 = = 0 3. obliczenie liczby przestrzennej: L p = = 4 4. umieszczenie wolnych par elektronowych atomu centralnego i par wiązań σ na kierunkach orbitalnych określonych liczbą przestrzenną L p = 4 :

9 Zgodnie z teorią orbitali molekularnych (omawianą na poprzednim wykładzie) ) efektywny orbital cząsteczkowy powstaje wówczas, gdy orbitale atomowe łączących się atomów: - pokrywają się; - charakteryzują się zbliżoną energią; - wykazują taką samą symetrię w stosunku do osi łączącej jądra. W przypadku cząsteczek wieloatomowych orbitale cząsteczkowe stanowią kombinacje liniowe orbitali atomowych wszystkich atomów tworzących cząsteczkę. Orbitale te, nazywane orbitalami zdelokalizowanymi,, są więc orbitalami wielocentrowymi, których kontur obejmuje wszystkie jądra atomowe obecne w cząsteczce. Orbitale cząsteczkowe można również wyznaczyć stosując teorię orbitali zhybrydyzowanych.. Zakłada się, że w pierwszym etapie następuje wymieszanie (hybrydyzacja) orbitali molekularnych atomu centralnego, a w drugim - liniowe nakładanie się zhybrydyzowanych orbitali atomu centralnego z orbitalami atomowymi (lub również hybrydyzowanymi) pozostałych atomów. W ten sposób tworzą się orbitale dwucentrowe (których kontur obejmuje tylko dwa jadra sąsiadujących ze sobą atomów) zwane orbitalami zlokalizowanymi.

10 Najważniejsze rodzaje hybrydyzacji orbitali: Hybrydyzacja atomu Diagonalna Trygonalna Tetraedryczna Kwadratowa Bipiramidalna sp 3 d Oktaedryczna Bipiramidalna sp 3 d 3 Figura geometryczna określająca położenie orbitali zhybrydyzowanych Linia prosta Trójkąt równoboczny Czworościan foremny Kwadrat Bipiramida trygonalna Bipiramida tetragonalna Bipiramida pentagonalna Orbitale atomowe biorące udział w hybrydyzacji sp sp 2 sp 3 sp 2 d sp 3 d sp 3 d 2 sp 3 d 3

11 Poziomy energetyczne w Kolejność zapełniania atomach wieloelektronowych: podpowłok:

12 Kształty cząsteczek odpowiadające poszczególnym rodzajom hybrydyzacji: sp sp 2 sp 3 sp 2 d sp 3 d sp 3 d 2 sp 3 d 3

13 Hybrydyzacja sp (cząsteczka BeCl 2 ) Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu Be: Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu *Be: Konfiguracja elektronów na orbitalach zhybrydyzowanych Be:

14 Hybrydyzacja sp 2 (cząsteczka BF 3 ): Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu B: Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu *B: Konfiguracja elektronów na orbitalach zhybrydyzowanych B:

15 sp 2 cząsteczka BF 3 hybrydyzacja sp 2

16 Hybrydyzacja sp 3 (cząsteczka CH 4 ): Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu C: Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu *C: Konfiguracja elektronów na orbitalach zhybrydyzowanych C:

17 Hybrydyzacja sp3

18 Hybrydyzacja atomów węgla cząsteczki etylenu (etenu( etenu) z wiązaniem podwójnym (C 2 H 4 ): Konfiguracja elektronów walencyjnych atomów C: Konfiguracja elektronów walencyjnych atomów *C: Konfiguracja elektronów na orbitalach zhybrydyzowanych C:

19 cząsteczka C2H4, hybrydyzacja sp2

20 Hybrydyzacja sp atomów węgla cząsteczki acetylenu (etynu)) z wiązaniem potrójnym (C 2 H 2 ): Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu C: Konfiguracja elektronów walencyjnych atomu *C: Konfiguracja elektronów na orbitalach zhybrydyzowanych C: