cząsteczka (vb) - Wydział Chemii
advertisement
CZĄSTECZKA (VB) Metoda (teoria) wiązań walencyjnych (VB) teoria VSEPR (ang. Valence Shell Electron Pair Repulsion), tj. odpychanie się par elektronów powłoki walencyjnej teoria Sidgwicka i Powella (1940 r.) teoria Gillespiego i Nyholma ♦ kształt cząsteczki związany jest z liczbą par elektronów na powłoce walencyjnej atomu centralnego, ♦ obsadzone przez pary elektronów orbitale odpychają się, ♦ można przewidzieć rozmieszczenie orbitali wokół atomu centralnego a tym samym możliwe jest określenie kształtu cząsteczki i kątów między wiązaniami, Dogodną i użyteczną metodę przewidywania kształtu cząsteczki stanowi koncepcja hybrydyzacji. dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii HYBRYDYZACJA - wymieszanie funkcji falowych, tworzenie orbitali mieszanych z orbitali atomowych mających najczęściej tę samą główną liczbę kwantową lecz różne wartości pobocznej liczby kwantowej. ♦ Hybrydyzacja nie jest rzeczywistym zjawiskiem fizycznym występującym w cząsteczce, lecz jedynie formalnym zabiegiem matematycznym umożliwiającym wygodny opis wiązań chemicznych i struktury elektronowej cząsteczek. ♦ Nowe orbitale, których charakterystyki są kombinacją orbitali atomowych (początkowych) nazywane są orbitalami hybrydyzowanymi lub hybrydami. ♦ Liczba hybryd, tzn. orbitali zhybrydyzowanych jest zawsze równa liczbie orbitali użytych do hybrydyzacji. dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Hybrydyzacja - dlaczego ??? ... np. cząsteczka gazowego BeF2 elektrony walencyjne 2s Be - stan podstawowy ↑↓ Be* - stan wzbudzony ↑ I wiązanie 2s 2pz F ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ F ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 2s + 2px 2py 2px 2py 2pz ↑ 2px II wiązanie 2px + 2px Wniosek (?) wiązania utworzone są z różnych orbitali, a więc są: nierównocenne, o różnej długości, zróżnicowanej energii. dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Rzeczywistość ! oba wiązania są jednakowo silne (o tej samej długości i energii) cząsteczka ma budowę liniową. rozwiązanie → hybrydyzacja + s + p (dwa orbitale atomowe) sp sp (dwa orbitale zhybrydyzowane) s + px + py → 3 orbitale zhybrydyzowane typu: sp2 s + px + py + pz → 4 orbitale zhybrydyzowane typu: sp3 kształt orbitali na http://winter.group .shef.ac.uk/orbitron/ Orbitale.url dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Orbitale zhybrydyzpwane sp2 Orbitale zhybrydyzpwane sp3 Co było pierwsze, cząsteczka czy hybrydyzacja ? dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka BeF2 4Be 1s22s2 2s stan podstawowy Be stan wzbudzony ↑↓ Be* ↑ 2s 2p F ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ F ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 2p ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja Be sp sp ↑ ↑ • hybrydyzacja typu sp to hybrydyzacja digonalna • każda hybryda sp zawiera jeden elektron 180o F Be F F dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Be F Cząsteczka BCl3 5B 1s22s22p1 2s stan podstawowy B stan wzbudzony B* 2p ↑↓ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja B ↑ sp2 sp2 sp2 ↑ ↑ ↑ • hybrydyzacja typu sp2 to hybrydyzacja trygonalna 3s 3p Cl ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ Cl ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ Cl ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ Cl 120o Cl B Cl B • każda hybryda sp2 zawiera jeden elektron Cl Cl Cl dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka CH4 6C 1s22s22p2 2s stan podstawowy C stan wzbudzony C* 2p ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja C • hybrydyzacja typu sp3 to hybrydyzacja tetraedryczna • każda hybryda sp3 zawiera jeden elektron H ↑ H ↑ H ↑ H ↑ sp3 sp3 ↑ ↑ sp3 sp3 ↑ ↑ H 109o28' H H H dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka NH3 7N 1s22s22p3 2s N i N* H ↑ H ↑ H ↑ 2p ↑↓ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja N sp3 sp3 ↑↓ ↑ sp3 sp3 ↑ ↑ • hybrydyzacja typu sp3 • kąt 106o45’ H H H dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka H2O 8O 1s22s22p4 2s O i O* ↑↓ 2p ↑↓ ↑ ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja O H sp3 sp3 ↑↓ ↑↓ ↑ H sp3 sp3 ↑ ↑ • hybrydyzacja typu sp3 • kąt 104o30’ H H dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii ↑ sp sp2 sp3 BeCl2 BeF2 CO2 CS2 C2H2 N2O BF3 BCl3 C2H4 CO32– NO2 NO2 – NO3 – BF4– CH4 NH3 CHCl3 NH4+ CCl4 sp3d O3 SO2 SO3 H2O SO42– SO32– PCl5 sp3d2 SF6 SF4 I3– IF5 dsp2, d2sp3 i inne w związkach kompleksowych, np. Pt(NH3)2Cl2 , [Fe(CN)6]3– hybryd. kombinacja orbitali kąt geometria cząsteczki sp s + px 180o liniowa sp2 s + p x + py 120o trygonalna (płaski Δ) sp3 s + p x + py + p z 109o28’ tetraedryczna sp3d s + px + py + pz + dxy 90o, 120o bipiramida trygonalna sp3d2 s + px + py + pz + dxy + dxz 90o oktaedryczna dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Orbitale zhybrydyzpwane dsp3 Orbitale zhybrydyzpwane d2sp3 http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/ Orbitale.url dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka PCl5 15P 1s22s22p63s23p3 3s stan podstawowy P stan wzbudzony P* 3p 3d ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Cl stan wzbudzony + hybrydyzacja P ↑ ↑ ↑ ↑ Cl ↑ Cl P Cl • hybrydyzacja typu sp3d • bipiramida trygonalna Cl dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka SF4 16S 1s22s22p63s23p4 3s 3p 3d stan podstawowy S ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ stan wzbudzony S* ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ F stan wzbudzony + hybrydyzacja S ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ F S F • hybrydyzacja typu sp3d • bipiramida trygonalna F dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Jon I3¯ 53I powłoka walencyjna 5s25p5 stan podstawowy I 5s 5p ↑↓ ↑↓ ↑↓ 5d ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja I ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ • hybrydyzacja typu I ↑ I sp3d • bipiramida trygonalna • kąt 180o I dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka SF6 16S 1s22s22p63s23p4 3s stan podstawowy S stan wzbudzony S* 3p 3d ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony + hybrydyzacja S ↑ F • kąt 90o ↑ ↑ ↑ F F • hybrydyzacja typu sp3d2 • oktaedr ↑ S F F F dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii ↑ ↑ wiązania typu σ + s s s-s + s s-p p + p p p-p wiązania typu π + p p p-p dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka C2H6 (etan) 6C 1s22s22p2 2s stan podstawowy C ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony C* stan wzbudzony + hybrydyzacja C H 2p sp3 sp3 ↑ ↑ ↑ sp3 sp3 ↑ ↑ H H C C H H H H H H H H wiązania typu σ dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii H Cząsteczka C2H4 (eten, etylen) 6C 1s22s22p2 2s stan podstawowy C ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ sp2 sp2 sp2 pz ↑ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony C* stan wzbudzony + hybrydyzacja C 2p z . x y dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii z z . . x x y y z z H H H H y . x H H σ π σ C C σ σ H H σ y dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Cząsteczka C2H2 (etyn, acetylen) 6C 1s22s22p2 2s stan podstawowy C ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ sp sp py pz ↑ ↑ ↑ ↑ stan wzbudzony C* stan wzbudzony + hybrydyzacja C 2p z . x y dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii z z . . x x y y z z . H H y x H y dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii σ C π, π C σ H σ Cząsteczka CO2 6C 1s22s22p2 2s stan podstawowy C stan wzbudzony ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ C* 8O 2p 2s O 2p ↑↓ ↑↓ sp py pz ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ z ↑ sp stan wzb. + hybryd. C 1s22s22p4 (2 atomy) x y atom O z . z x x y y atom O atom C dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii z z z . x x x y y y atom O atom O atom C z z z . x y atom O y atom C O y atom O dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii π π C O σ σ Cząsteczka SO2 16S 1s22s22p63s23p4 3s stan podstawowy S S* stan wzbudzony 3p 3d ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ z stan wzbudzony + hybrydyzacja S sp2 sp2 sp2 pz dxy ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ x y • hybrydyzacja typu sp2 S • budowa płaska trójkątna O • kąt 119,5o O dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii MEZOMERIA ↔ REZONANS (wzory mezomeryczne ↔ struktury rezonansowe) /sposób przedstawienia budowy elektronowej pewnych związków chemicznych (tych w których nie można rozkładu elektronów w cząsteczce opisać prawidłowo jednym strukturalnym wzorem chemicznym) za pomocą struktur granicznych/ benzen poprawne wzory strukturalne tlenków, kwasów tlenowych i ich anionów: SO2 O3 SO3 HNO2 NO2 – H3PO4 H2SO4 SO42– H2SO3 SO32– S2O32– HCOOH HCOO – CH3COOH CH3COO – NO NO2 H2CO3 CO32– HNO3 NO3 – dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Struktura przestrzenna cząsteczek i jonów (dla pierwiastków grup głównych) AXnHm A – atom centralny X – inne atomy (jednakowe lub różne) H – atom wodoru bezpośrednio związany z atomem A np. w CHCl3 n = 3 a m = 1 Liczbę orbitali zhybrydyzowanych (liczbę hybryd Lh) oblicza się wg wzorów: Lpe = ½ Lew – 4 n – m Lh = Lpe + n + m Lpe - liczba wolnych par elektronów na atomie centralnym Lpe - liczba elektronów walencyjnych w cząsteczce (jonie) Lh - liczba hybryd Jeżeli Lh wynosi: 2 digonalna 3 trygonalna 4 tetraedryczna 5 bipiramida trygonalna 6 oktaedryczna dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii