Związki chemiczne. Większość pierwiastków oddziałuje ze sobą tworząc związki chemiczne

Transkrypt

1 Związki chemiczne Większość pierwiastków oddziałuje ze sobą tworząc związki chemiczne spalanie mieszanina wodoru i tlenu woda

2 Typy wiązań chemicznych CZĄSTECZKI HETEROJĄDROWE

3 wiązanie chemiczne - P - = Ψ -2 = N 2 (Φ A2 Φ B2-2Φ A Φ B ) E - - α Φ A β E Φ A P = Ψ 2 = N 2 (Φ A2 Φ B2 2Φ A Φ B ) E ± = α ± β 1 ± S różnicowa mapa gęstości elektronowej dla H 2 model Lewisa pary elektronowej =

4 Zmiana energii potencjalnej w trakcie powstawania wiązania H 2 energia (kj/mol) E dys odległość H-H (Å)

5 orbitale molekularne w cząsteczce LiH

6 orbitale molekularne w cząsteczce HF : H-F: :

7 CZĄSTECZKI HETEROJĄDROWE AB c A < c B c c A > B I A < I B różnice energii jonizacji atomów

8 Dwuatomowe cząsteczki heterojądrowe ϕ - ϕ - Ψ B Ψ B Ψ A ϕ Ψ A ϕ ϕ = c A Ψ A c B Ψ B ϕ = c A Ψ A c B Ψ B Jeżeli A i B są jednakowe wówczas c A2 = c B 2 c A2 c B 2 = 1

9 PRZYBLIŻONE KRYTERIUM DOŚWIADCZALNE przesunięcie ładunku moment dipolowy e -e δ -δδ l l e. l µ = δ. l

10 Momenty dipolowe połączeń fluorowców z wodorem Procentowy udział charakteru jonowego w wiązaniu 1D = 3, Cm [µ /el)] 100%

11 Energie wiązań cząsteczek dwuatomowych AB D A-A D B-B D A-B Im bardziej wiązanie kowalencyjne tym bardziej średnia geometryczna D AB D AA D BB 0 ELEKTROUJEMNOŚĆ według Paulinga Skala dobrana tak aby różnica elektroujemności dwóch pierwiastków w cząsteczce dawała wartość momentu dipolowego w D x = x x =.1018 D D D = A B 0 AB AA BB x A i x B elektroujemności A i B

12 elektroujemność Zdolność do przyciągania elektronu z pary wiążącej przez atom. Są różne skale elektroujemności np. od 0.7 (Cs) do 4.0 (F). Linus Pauling

13

14 ELEKTROUJEMNOŚĆ wg. Allred i Rochow x = Wykorzystanie koncepcji Slatera Z S r Z-S - efektywna liczba atomowa (S stała ekranowania) r - promień atomowy Hannay i Smyth % charakter jonowy = 16 x A -x B 3.5 x A -x B 2

15 Zależność pomiędzy udziałem charakteru jonowego w wiązaniu a różnicą elektoujemności x A -x B

16 <

17 elektroujemność 1A 2A 3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B 3A 4A 5A 6A 7A O H 3.5 N 2.1 C B Be 2.0 S Li 1.5 P Si 2.1 Al Mg 1.8 Se Na Fe Ti V Cr Co Ni Cu As Mn Zn Ga Ge 2.0 Sc K Ca Ru Rh Pd Mo Tc Ag Te Cd In Sn Sb Rb Sr Y Zr Nb Os Ir Pt Au Re Hg 2.4 Pb Bi Po W Tl Cs Ba La Hf Ta Fr Ra Ac Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Cl 3.0 Br 2.8 I 2.5 F 4.0 At 2.2 χ A elektroujemność a rodzaje wiązań χ A 4 jonowe 3 Li-F Si-O Na-Cl Zn-S Ca-S 2 C-H Cu-Cu F-F C-O C-N N-N C-C kowalencyjne 1 Li-Li Al-Al metaliczne jonowe χ B

18 Czysto kowalencyjne Jonowe Kowalencyjne spolaryzowane Różnica w elektroujemności

19

20 elektroujemność a polarność wiązań w wiązaniu atomowym (kowalencyjnym) elektrony są dzielone pomiędzy oba atomy podział ten nie musi być równocenny nierówny podział elektronów wiązania polarne

21

22

23 Niepolarne wiązanie atomowe: pierwiastki mają podobną elektroujemność. Polarne wiązanie atomowe: pierwiastki mają podobne, ale różne wartości elektroujemności. Wiązanie jonowe: pierwiastki mają bardzo różne wartości elektroujemności.

24 Porównanie substancji o wiązaniu atomowym i jonowym Siły międzycząsteczkowe. Obecność jonów powoduje istnienie silnych oddziaływań międzycząsteczkowych. Związki kowalencyjne mają słabsze oddziaływania międzycząsteczkowe (np. dyspersyjne, wodorowe).

25 Wiązania wielokrotne Pomiędzy dwoma atomami może znajdować się więcej niż jedna para elektronowa: 1 para elektronowa = wiązanie pojedyncze (np. H 2 ); 2 wspólne pary elektronowe = wiązanie podwójne (np. O 2 2); 3 wspólne pary elektronowe = wiązanie potrójne (np. N 2 ). Im bardziej wielokrotne wiązanie tym krótsza długość wiązania. H H O O N N

26 siła wiązania średnie entalpie wiązań kjmol -1 pojedyncze wielokrotne

27 Wiązanie jonowe występuje np. w NaCl

28

29 Wiązanie jonowe a rozmiar jonów Im mniejsze jony tym silniejsze wiązanie jonowe Im bardziej naładowany jon tym silniejsze wiązanie jonowe

30 Rozmiary niektórych jonów

31 Inne ne typy oddziaływań Siły międzycząsteczkowe Siły międzyczasteczkowego oddziaływania są słabsze niż wewnątrzcząsteczkowego oddziaływania (np. w HCl 16 kj/mol oraz 431 kj/mol ) Topienie lub parowanie substancji oznacza zrywanie wiązań międzycząsteczkowych. Zrywanie tych wiązań oznacza więc przemiany fizyczne a nie chemiczne

32 Wiązanie wodorowe Odpowiada za: strukturę białek a właściwie: ich zawijanie. w DNA za transport informacji genetycznej wiązanie wodorowe odpowiada za pływanie lodu (zwykle ciała stałe mają większą gęstość niż ciecze) odpowiada również za bardzo wysoką temperaturę wrzenia wody (co związane jest ze zrywaniem tych wiązań)

33 Wiązania wodorowe w stałym (PPh 4 ) 2 [Mo(CN) 3 O(pic)] 2H 2 O zaznaczone kolorem fioletowym

34 Inne oddziaływania międzycząsteczkowe Wiązanie kowalencyjne (silne) Przyciąganie międzycząsteczkowe (słabe) Przyciąganie elementów o przeciwnych ładunkach (H i Cl - ) oddziaływanie jon-jon - jest to najsilniejszy typ oddziaływań

35 Słabszy typ oddziaływań to oddziaływanie jon - dipol

36 jeszcze słabsze oddziaływanie to oddziaływanie dipol-dipol Przyciąganie Odpychanie

37 Najsłabsze oddziaływania to tzw. oddziaływania dyspersyjne (Londona): - dipol - dipol indukowany - dipol indukowany - dipol indukowany Przykład - skraplanie He (bez oddziaływań dyspersyjnych byłoby niemożliwe)

38 wiązania wodorowe/ oddziaływania dyspersyjne T w /K 400 H 2 O Zależność temperatury wrzenia od położenia pierwiastka w grupie HF NH 3 CH 4 Ne HCl PH 3 H 2 S H 2 Se H 2 Te SiH 4 GeH 4 Ar SbH 3 AsH 3 HI HBr SnH 4 Kr Xe numer okresu

39 wiązania chemiczne kowalencyjne wodorowe jonowe Si lód NaCl van der Waalsa metaliczne stały kuban Al

40 energia i charakter wiązań rodzaj wiązania dyspersyjne wiązanie wodorowe jonowe kowalencyjne energia (kj/mol) ~ 1.0 ~ ~ ~

41 ciała homodesmiczne metale elektrony swobodne zręby atomowe Natural History Museum of Los Angeles County struktura metali struktury o najgęstszym upakowaniu

42 stopy właściwości metali związki międzymetaliczne spawy plastyczność Al 2 Cu temperatura topnienia / o C - twardość zmienna od miękkich do b. twardych - temperatura topnienia zmienna w szerokim zakresie - b. dobre przewodniki elektryczności i ciepła - połysk lustrzany - kowalne Hg - 39 In 157 Cu 1084 Cu/Sn 950 Au 1064 Fe 1536 W 3422

43 kowalencyjne ciała stałe model sieci Si - bardzo twarde i trwałe - wysoka temperatura topnienia - dobre izolatory elektryczności i ciepła - nie absorbują światła (zazwyczaj) - siły kohezji większe (~10 ev) niż w ciałach jonowych temperatura topnienia / o C SiO B 2300 BN 3000 C diam 3530

44 jonowe ciała stałe Cl Cl - e- Na Na przyciąganie kulombowskie wiele jonów 0,1 0,2 0, A o ,5 0,2 rozkład gęstości elektronowej w płaszczyźnie {100} NaCl

45 ciało o budowie jonowej są twarde i kruche naprężenie siły odpychające pęknięcie twarde i kruche - złe przewodnictwo elektrycznie i cieplne - wysokie temperatury topnienia - przezroczyste w paśmie widzialnym (najczęściej) - silna absorpcja w IR - rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych temperatura topnienia / o C PbCl NaCl 801 Fe 2 O TiO

46 ciała heterodesmiczne kryształy molekularne Fuleren (futbolan) C 60 C 60 bezkierunkowe wiązania dyspersyjne prowadzą do struktury najgęstszego upakowania - miękkie - niskie temperatury topnienia - dobre izolatory elektryczności i ciepła temperatura topnienia / o C C 10 H 8 80 I CO(NH 2 ) C 12 H 22 O

47 struktury heterodesmiczne kaolinit Al 4 [Si 4 O 10 ](OH) 8 * * O T O T * * zdjęcie SEM kaolinitu muskowit KAl 2 [(OH) 2 AlSi 3 O 10 ] T O T T O T MoS 2 S S Mo Mo Mo

48 o właściwościach makroskopowych decyduje budowa na poziomie mikroskopowym (molekularnym) i mezoskopowym zeolit X i miejsca lokalizacji kationów

49 Bonds Between Atoms Ionic Polyatomic Ions Covalent Metallic Molecular Substance Polar Nonpolar Coordinate Covalent Network Solids

50 is devoted to the publication of original contributions on forefront, fundamental research at the interface of chemistry, chemical engineering, and materials science. Both theoretical and experimental studies which focus on the preparation or understanding of materials with unusual or useful properties are relevant.