3. Cząsteczki i wiązania

Transkrypt

1 3. Cząsteczki i wiązania Elektrony walencyjne Wiązania jonowe i kowalencyjne Wiązanie typu σ i π Hybrydyzacja Przewidywanie kształtu cząsteczek AX n Orbitale zdelokalizowane Cząsteczki związków organicznych 3. Cząsteczki i wiązania 1 Elektrony walencyjne to elektrony o najwyższej energii, należące do zewnętrznych powłok elektronowych pozostałe elektrony tworzą tzw. rdzeń (zrąb) atomowy ns (12) ns 2 np x (18) ns x (n1)d y (112) 3. Cząsteczki i wiązania 2 1

2 Wiązania jonowe Teoria Kossela: Konfiguracja elektronowa gazów szlachetnych (oktet ns 2 np 6 na powłoce walencyjnej) jest szczególnie trwała. Atomy tworzące związki jonowe oddają lub przyjmują elektrony, tworząc jony mające konfiguracje gazów szlachetnych. Jony te oddziałują ze sobą siłami elektrostatycznymi. Na + Cl = NaCl [Na + ][Cl ] [ 11 Na]: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 [Na + ]: 1s 2 2s 2 2p 6 = [Ne] [ 17 Cl]: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 [Cl ]: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 = [Ar] Ca + O = CaO [Ca 2+ ][O 2 ] [ 20 Ca]: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 [Ca 2+ ]: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 = [Ar] [ 8 O]: 1s 2 2s 2 2p 4 [O 2 ]: 1s 2 2s 2 2p 6 = [Ne] duża różnica elektroujemności (>1,7) związki jonowe nie tworzą cząsteczek, tylko kryształy 3. Cząsteczki i wiązania 3 Wiązania kowalencyjne Teoria Lewisa: Atomy, wykazujące podobną tendencję do przyjmowania i oddawania elektronów, tworzą wiązania w wyniku uwspólnienia elektronów. Wiązanie stanowi para elektronów, a uwspólnione elektrony są zaliczane do powłok walencyjnych obu połączonych atomów, które dążą do osiągnięcia oktetu s 2 p 6 (atomy H dubletu 1s 2 ) różnica elektroujemności < 0,4 wiązania kowalencyjne różnica elektroujemności > 0,4 wiązania kowalencyjne spolaryzowane 3. Cząsteczki i wiązania 4 2

3 Orbitale cząsteczkowe Elektrony tworzące wiązania kowalencyjne opisujemy za pomocą orbitali cząsteczkowych (molekularnych), które mają analogiczne właściwości jak orbitale atomowe: są określone dla współrzędnych elektronu umożliwiają obliczenie gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu umożliwiają obliczenie energii elektronu stosuje się do nich reguła Hunda i zakaz Pauliego Orbitale cząsteczkowe można przedstawić jako wynik nakładania orbitali atomowych, opisujących elektrony walencyjne, które utworzyły wiązanie. 3. Cząsteczki i wiązania 5 Wiązania σ i π opis uproszczony Cząsteczka H 2 konfiguracja atomowa [H]: 1s 1 H H pojedyncze wiązanie typu σ nakładanie orbitali 1s: orbital cząsteczkowy typu σ Cząsteczka N 2 konfiguracja atomowa [N]: 1s 2 2s 2 2p 3 :N N: nakładanie orbitali 2p: wiązanie potrójne: 1 typu σ 2 typu π 2p x orbital cząsteczkowy typu σ orbital cząsteczkowy typu π 2p x, 2p z 3. Cząsteczki i wiązania 6 3

4 energia Wiązania σ i π opis zaawansowany Cząsteczka O 2 konfiguracja atomowa [O]: 1s 2 2s 2 2p 4 O O : : : : nakładanie orbitali dodawanie lub odejmowanie atomowych funkcji falowych + + 2p x orbital wiążący σ orbital antywiążący σ* + + 2p x, 2p z orbital wiążący π orbital antywiążący π* 3. Cząsteczki i wiązania 7 Diagramy energii orbitali cząsteczkowych N 2 O 2 σ*2p x :N N: σ*2p x O O : : : :? π*2p z π*2p y π*2p z π*2p y 2p σ2p x 2p 2p π2p z π2p y 2p π2p z π2p y σ2p x 2s σ*2s 2s 2s σ*2s 2s [N]: 1s 2 2s 2 2p 3 σ2s σ2s [O]: 1s 2 2s 2 2p 4 3. Cząsteczki i wiązania 8 4

5 Cząsteczki N 2 i O 2 konfiguracja elektronowa i rząd wiązania Konfiguracja elektronowa N 2 : KK (σ2s) 2 (σ*2s) 2 (π2p y ) 2 (π2p z ) 2 (σ2p x ) 2 Konfiguracja elektronowa O 2 : KK (σ2s) 2 (σ*2s) 2 (π2py) 2 (π2pz) 2 (σ2p x ) 2 (π*2p y ) 1 (π*2p z ) 1 Rząd wiązania = ½ (liczba elektronów wiążących liczba elektronów antywiążących) RW = ½ (LEWLEA) RW (N 2 ) = ½(8 2) = 3 RW (O 2 ) = ½(8 4) = 2 3. Cząsteczki i wiązania 9 Struktura przestrzenna cząsteczki CH 4 wszystkie wiązania identyczne kształt czworościanu foremnego Symetria CH 4 nie jest zgodna z symetrią orbitali opisujących elektrony walencyjne atomu C [C]: [He]2s 2 2p 2 3. Cząsteczki i wiązania 10 5

6 Hybrydyzacja sp 3 Hybrydyzacja to utworzenie nowego zespołu orbitali atomowych poprzez wymieszanie orbitali z powłoki walencyjnej sp 3 : 1 orbital 2s + 3 orbitale 2p hybrydyzacja symetria tetraedru 3. Cząsteczki i wiązania 11 Porównanie cząsteczek CH 4, NH 3 i H 2 O hybrydyzacja sp 3 wypadkowy moment dipolowy δ δ silniejsze odpychanie wolnych par elektronowych 3. Cząsteczki i wiązania 12 6

7 Hybrydyzacja sp 2 i sp sp 2 : 1 orbital 2s + 2 orbitale 2p hybrydyzacja symetria trygonalna sp: 1 orbital 2s + 1 orbital 2p hybrydyzacja symetria liniowa 3. Cząsteczki i wiązania 13 Cząsteczka C 2 H 4 cząsteczka płaska hybrydyzacja sp 2 czołowe nakładanie orbitali sp 2 i 1s H boczne nakładanie orbitali 2p C 12 elektronów walencyjnych: 2 opisane orbitalem wiążącym σ t,t 8 opisane orbitalami wiążącymi σ t,1s 2 opisane orbitalem wiążącymi π 2p 3. Cząsteczki i wiązania 14 7

8 Cząsteczka C 2 H 2 liniowa hybrydyzacja sp czołowe nakładanie orbitali sp i 1s H boczne nakładanie orbitali 2p C 10 elektronów walencyjnych: 2 opisane orbitalem wiążącym σ t,t 4 opisane orbitalami wiążącymi σ t,1s 4 opisane orbitalami wiążącymi π 2p 3. Cząsteczki i wiązania 15 Symetria innych orbitali zhybrydyzowanych sp 2 d sp 3 d sp 3 d 2 (kontury orbitali odsunięte od początku układu) 3. Cząsteczki i wiązania 16 8

9 Przewidywanie geometrii cząsteczek typu AX n czyli model odpychania się par elektronowych powłoki walencyjnej (VSEPR ValenceShell ElectronPair Repulsion). W cząsteczce wiążące pary elektronowe oraz wolne pary elektronowe utworzone przez elektrony walencyjne znajdują się możliwie najdalej od siebie, aby ich wzajemne odpychanie było jak najmniejsze. LH = σp + WP LH liczba orbitali zhybrydyzowanych σp liczba par wiążących typu σ WP liczba wolnych par elektronowych WP połowa różnicy liczby elektronów walencyjnych atomu centralnego (w przypadku jonów odpowiednio powiększonej lub pomniejszonej) oraz liczby potrzebnej do uzupełnienia oktetu w atomach X (lub dubletu dla H) 3. Cząsteczki i wiązania 17 Przykłady zastosowania VSEPR Liniowa AX 2 LH = 2 WP = 0 sp Płaska trójkątna AX 3 LH = 3 WP = 0 sp 2 Kątowa AX 2 wolna para LH = 3 WP = 1 sp 2 3. Cząsteczki i wiązania 18 9

10 Przykłady zastosowania VSEPR Tetraedr AX 4 LH = 4 WP = 0 sp 3 Piramida trójkątna AX 3 LH = 4 WP = 1 sp 3 Kątowa AX 2 LH = 4 WP = 2 sp 3 3. Cząsteczki i wiązania 19 Przykłady zastosowania VSEPR Zdeformowany tetraedr AX 4 wolna para LH = 5 WP = 1 sp 3 d Litera T AX 3 wolne pary LH = 5 WP = 2 sp 3 d Liniowa AX 2 wolna para wolne pary LH = 5 WP = 3 sp 3 d Oktaedr AX 6 LH = 6 WP = 0 sp 3 d 2 3. Cząsteczki i wiązania 20 10

11 Cząsteczka benzenu 120 kąty między wiązaniami równe 120 wszystkie wiązania CC mają taką samą długość hybrydyzacja sp 2 tworzenie orbitali typu σ czołowe nakładanie orbitali zhybrydyzowanych sp 2 3. Cząsteczki i wiązania 21 Cząsteczka benzenu orbitale zdelokalizowane tworzenie orbitali typu π boczne nakładanie orbitali 2p z kontur orbitalu wiążącego π del 2p Z sześciu orbitali atomowych 2p z powstaje sześć orbitali π del 2p: trzy wiążące i trzy anywiążące kontury obsadzonych orbitali wiążących π del 3. Cząsteczki i wiązania 22 11

12 Cząsteczka benzenu konfiguracja elektronowa [C 6 H 6 ]: KKKKKK (σ CH ) 12 (σ CC ) 12 (π del ) 6 Rząd wiązania CC: RW 1 LEW LEA ,5 2 LWZ Cząsteczki i wiązania 23 Cząsteczki liniowe Cząsteczki dwuatomowe homojądrowe: H 2, N 2, O 2 itd. Cząsteczki dwuatomowe heterojądrowe: HF, NO itd. Cząsteczki trójatomowe: CO 2, BeCl 2 Cząsteczki trójatomowe: HCN Inne cząsteczki: C 2 H 2 3. Cząsteczki i wiązania 24 12

13 Cząsteczki płaskie Kątowe cząsteczki trójatomowe: H 2 O, SO 2, NO 2 Trójkątne cząsteczki czteroatomowe: BF 3, SO 3, CO 3 2 Eten i jego pochodne: 3. Cząsteczki i wiązania 25 Cząsteczki przestrzenne Piramida trójkątna: NH 3, PCl 3, ClO 3 Tetraedr (czworościan foremny): CH 4, NH 4+, SO 4 2, Oktaedr (ośmiościan foremny): SF 6, Fe(CN) 6 4, Co(NH 3 ) Cząsteczki i wiązania 26 13

14 Cząsteczki związków organicznych ich kształt i symetria zależy od hybrydyzacji atomów C sp 3 przy wiązaniach pojedynczych (CH 3, CH 2 ), kąty między wiązaniami ok. 109º sp 2 przy wiązaniach podwójnych C=C, C=O) i w pierścieniach aromatycznych, kąty między wiązaniami ok. 120º sp przy wiązaniach potrójnych (C C, C N), kąty między wiązaniami ok. 180º rotacji fragmentów cząsteczki wokół wiązań pojedynczych (możliwość tworzenia różnych konformacji) 3. Cząsteczki i wiązania 27 Przykładowe konformacje Etan C 2 H 6 naprzemianległa naprzeciwległa Cykloheksan C 6 H 12 krzesło łódka 3. Cząsteczki i wiązania 28 14