1
RJC
Wiązania Chemiczne
Wiązania Chemiczne
& Struktura
& Struktura
Cząsteczki
Cząsteczki
Wiązania Chemiczne
Wiązania Chemiczne
& Struktura
& Struktura
Cząsteczki
Cząsteczki
Teoria Orbitali & Hybrydyzacja
Teoria Orbitali & Hybrydyzacja
Slides 1 to 39
2
RJC
Układ okresowy pierwiastków
Układ okresowy pierwiastków
3
RJC
Siły występujące w cząsteczce
Siły występujące w cząsteczce
związku organiczngo
związku organiczngo
Atomy w cząsteczce związku
Atomy w cząsteczce związku
organicznego są połączone wiązaniami
organicznego są połączone wiązaniami
kowalencyjnymi
kowalencyjnymi
4
RJC
Czym jest wiązanie kowalencyjne
Czym jest wiązanie kowalencyjne
?
?
Dwa atomy dzielą wspólne pary
Dwa atomy dzielą wspólne pary
elektronowe.
elektronowe.
Woda H
Woda H
2
2
O
O
H
O
H
•
•
•
•
•
•
••
5
RJC
Jak powstaje wiązanie
Jak powstaje wiązanie
kowalencyjne ?
kowalencyjne ?
... trzeba zrozumieć elektronową
... trzeba zrozumieć elektronową
strukturę atomu
strukturę atomu
tlen
tlen
wodór
wodór
1s
2s
2p
1s
2s
2p
6
RJC
Teoria orbitali atomowych
Teoria orbitali atomowych
Przestrzeń wokół jądra atomu, gdzie
Przestrzeń wokół jądra atomu, gdzie
występuje największe
występuje największe
prawdopodobieństwo napotkania
prawdopodobieństwo napotkania
elektronu nazywana jest orbitalem
elektronu nazywana jest orbitalem
orbital
jądro
7
RJC
Jak przedstawiany jest orbital ?
Jak przedstawiany jest orbital ?
Im dalej od jądra ulokowane są
Im dalej od jądra ulokowane są
elektrony, tym wyższa jest energia
elektrony, tym wyższa jest energia
orbitalu
orbitalu
1
1
2
2
3
3
8
RJC
Jak przedstawiany jest orbital ?
Jak przedstawiany jest orbital ?
Kształt orbitalu zmienia się wraz z jego
Kształt orbitalu zmienia się wraz z jego
energią
energią
orbital typu s
orbital typu p
9
RJC
Orbital 1s
Orbital 1s
Elektrony o najniższej energii obsadzają
Elektrony o najniższej energii obsadzają
kulisty orbital 1s
kulisty orbital 1s
orbital 1s
10
RJC
Orbital 2s
Orbital 2s
Kulisty orbital 2s posiada wyższą
Kulisty orbital 2s posiada wyższą
energię niż 1s
energię niż 1s
orbital 2s
11
RJC
Orbitale 2p
Orbitale 2p
Orbitale 2s mają kształt ósemek (hantli)
Orbitale 2s mają kształt ósemek (hantli)
i rozmieszczone są wzdłuż trzech
i rozmieszczone są wzdłuż trzech
współrzędnych
współrzędnych
orbital 2p
x
orbital 2p
y
orbital 2p
z
12
RJC
Orbitale 3s, 3p, 4s i 4p...
Orbitale 3s, 3p, 4s i 4p...
2p
y
3p
y
4p
y
2s
3s
4s
13
RJC
Orbitale: Chemia Oganiczna
Orbitale: Chemia Oganiczna
Chemia węgla dotyczy powstawania
Chemia węgla dotyczy powstawania
wiązań z udziałem orbitali 2s oraz 2p
wiązań z udziałem orbitali 2s oraz 2p
2s
2s
2p
x
+ 2p
y
+ 2p
z
2p
x
+ 2p
y
+ 2p
z
1s
1s
14
RJC
Konfiguracje elektronów
Konfiguracje elektronów
Opisują obsadę orbitali przez elektrony
Opisują obsadę orbitali przez elektrony
w atomie danego pierwiastka
w atomie danego pierwiastka
węgiel
węgiel
1s
2s
2p
15
RJC
Stan podstawowy
Stan podstawowy
Opisuje stan atomu o najniższej energii
Opisuje stan atomu o najniższej energii
węgiel
węgiel
1s
2s
2p
16
RJC
Reguły obsadzania orbitali przez
Reguły obsadzania orbitali przez
elektrony...
elektrony...
Elektrony nie obsadzają orbitali w
Elektrony nie obsadzają orbitali w
sposób przypadkowy...
sposób przypadkowy...
Kolejność obsadzania orbitali
(od najniższej energii)
Zakaz Pauliego
Regułą Hunda
17
RJC
Kolejność obsadzania orbitali
Kolejność obsadzania orbitali
Obsadzania zawsze rozpoczyna się od
Obsadzania zawsze rozpoczyna się od
orbitali o najniższej energii!
orbitali o najniższej energii!
Atom węgla
Atom węgla
1s
2s
2p
18
RJC
Zakaz Pauliego
Zakaz Pauliego
Na każdym orbitalu można ulokować
Na każdym orbitalu można ulokować
tylko dwa elektrony posiadające
tylko dwa elektrony posiadające
przeciwny spin
przeciwny spin
Atom wegla
Atom wegla
1s
2s
2p
19
RJC
Reguła Hunda
Reguła Hunda
...w przypadku dwóch lub więcej
...w przypadku dwóch lub więcej
orbitali o tej samej energii
orbitali o tej samej energii
...orbitale zapełniane są najpierw
...orbitale zapełniane są najpierw
pojedynczo .
pojedynczo .
atom węgla
atom węgla
1s
2s
2p
20
RJC
Przykładowo... Atom wodoru
Przykładowo... Atom wodoru
atom wodoru
atom wodoru
1s
2s
2p
21
RJC
Przykładowo... Atom tlenu
Przykładowo... Atom tlenu
Atom tlenu
Atom tlenu
1s
2s
2p
1s
2s
2p
22
RJC
Wiązanie kowalencyjne
Wiązanie kowalencyjne
Powstaje w wyniku wspólnego użytkowania
Powstaje w wyniku wspólnego użytkowania
przez atomy elektronów nie sparowanych z
przez atomy elektronów nie sparowanych z
powłoki walencyjnej.
powłoki walencyjnej.
Nie sparowane elektrony walencyjne ulokowane
są na orbitalach o najwyższej energii.
atom tlenu
atom tlenu
*
*
1s
2s
2p
1s
2s
2p
23
RJC
Struktury Lewisa
Struktury Lewisa
Prosty sposób prezentacji wiązania
Prosty sposób prezentacji wiązania
kowalencyjnego, w którym ...
kowalencyjnego, w którym ...
elektrony walenycyjne są
przedstawione za pomocą kropki.
Trwała cząsteczka powstaje wtedy, gdy
atom osiąga konfigurację gazu
szlachetnego.
24
RJC
Cząsteczka metanu CH
Cząsteczka metanu CH
4
4
C
H
H
H
H
•
•
•
•
•
•
•
•
25
RJC
Cząsteczka metanolu CH
Cząsteczka metanolu CH
3
3
OH
OH
C
H
O
H
H
•
•
•
•
•
•
•
•
H
•
•
••
••
26
RJC
Struktury Lewisa i Kekulego
Struktury Lewisa i Kekulego
...kłopotliwy nawet dla cząsteczek o
...kłopotliwy nawet dla cząsteczek o
średniej wielkości
średniej wielkości
…
…
prostszy sposób zapisu wiązań wg
prostszy sposób zapisu wiązań wg
Kekulego.
Kekulego.
C
O
•
•
•
••
••
C
•
•
•
•
•
•
•
•
H
H
H
C
•
•
•
•
•
H
•
•
H
C
•
•
•
•
•
•
•
•
H
H
H
C
C
C
O
C
H
H
H
H
H
H
H
H
27
RJC
Struktury Kekulego
Struktury Kekulego
...wiązania kowalencyjne są
...wiązania kowalencyjne są
przedstawiane za pomocą kreski a
przedstawiane za pomocą kreski a
elektrony nie wiążące są pomijane.
elektrony nie wiążące są pomijane.
C
H
O
H
H
•
•
•
•
•
•
•
•
H
•
•
••
••
C
O
H
H
H
H
28
RJC
Teoria orbitali i atom węgla?
Teoria orbitali i atom węgla?
atom węgla, w stanie podstawowym, posiada
atom węgla, w stanie podstawowym, posiada
tylko dwa elektrony na powłoce walencyjnej...
tylko dwa elektrony na powłoce walencyjnej...
...ale atom węgla tworzy cztery, a nie dwa wiązania
kowalencyjne!
atom węgla
atom węgla
1s
2s
2p
C
H
H
H
H
•
•
•
•
•
•
•
•
29
RJC
Konfiguracja elektronowa w
Konfiguracja elektronowa w
stanie wzbudzonym
stanie wzbudzonym
Najtrwalsza struktura cząsteczki jest
Najtrwalsza struktura cząsteczki jest
osiągana raczej poprzez udział
osiągana raczej poprzez udział
elektronów w stanie wzudzonym, a nie
elektronów w stanie wzudzonym, a nie
podstawowym
podstawowym
atom węgla
atom węgla
atom węgla
atom węgla
Stan podstawowy
Stan podstawowy
Stan wzbudzony
Stan wzbudzony
1s
2s
2p
1s
2s
2p
30
RJC
Nakładanie orbitali
Nakładanie orbitali
Siła wiązania kowalencyjnego jest
Siła wiązania kowalencyjnego jest
określona przez stopień nałożenia
określona przez stopień nałożenia
orbitali.
orbitali.
p
s
s
s
p
p
dobre
bardzo dobre
doskonałe
31
RJC
Cząsteczka metanu
Cząsteczka metanu
Atom węgla posiada jeden elektron 2s
Atom węgla posiada jeden elektron 2s
oraz 3 elektrony 2p, które mogą
oraz 3 elektrony 2p, które mogą
uczestniczyć w powstawaniu wiązań.
uczestniczyć w powstawaniu wiązań.
atom węgla
atom węgla
stan wzbudzony
stan wzbudzony
1s
2s
2p
32
RJC
Cząsteczka metanu
Cząsteczka metanu
Atom wodoru posiada jeden nie
Atom wodoru posiada jeden nie
sparowany elektron 1s mogący tworzyć
sparowany elektron 1s mogący tworzyć
wiązanie kowalencyjne.
wiązanie kowalencyjne.
atom wodoru
atom wodoru
Stan wzbudzony
Stan wzbudzony
1s
2s
2p
33
RJC
Cząsteczka metanu
Cząsteczka metanu
Powstawanie wiązań powinno
Powstawanie wiązań powinno
doprowadzić do utworzenia wiązania
doprowadzić do utworzenia wiązania
2s-1s oraz
2s-1s oraz
trzech wiązań 2p-1s .
trzech wiązań 2p-1s .
34
RJC
Cząsteczka metanu
Cząsteczka metanu
Należałoby oczekiwać, że 3 wiązania C-
Należałoby oczekiwać, że 3 wiązania C-
H (2p-1s) są krótsze niż pozostałe
H (2p-1s) są krótsze niż pozostałe
jedno (2s-1s).
jedno (2s-1s).
C
H
H
H
H
35
RJC
Geometria tetragonalna
Geometria tetragonalna
Eksperymentalnie wykazano, że
Eksperymentalnie wykazano, że
wszystkie wiązania są jednakowo długie
wszystkie wiązania są jednakowo długie
i rozlokowane wewnątrz tetraedru
i rozlokowane wewnątrz tetraedru
(czworościanu).
(czworościanu).
C
H
H
H
H
36
RJC
37
RJC
Powstawanie cząsteczki etanu
Powstawanie cząsteczki etanu
38
RJC
Hybrydyzacja
Hybrydyzacja
Wiązania w metanie najlepiej jest
Wiązania w metanie najlepiej jest
wytłumaczyć przy założeniu, że
wytłumaczyć przy założeniu, że
orbitale 2s oraz 2p ulegają
orbitale 2s oraz 2p ulegają
hybrydyzacji dając 4 orbitale sp
hybrydyzacji dając 4 orbitale sp
3
3
.
.
2s + 2p + 2p + 2p
2s + 2p + 2p + 2p
2sp
3
+ 2sp
3
+ 2sp
3
+ 2sp
3
2sp
3
+ 2sp
3
+ 2sp
3
+ 2sp
3
39
RJC
Po hybrydyzacji: konfiguracja
Po hybrydyzacji: konfiguracja
elektronowa
elektronowa
Atom C
Atom C
Stan wzbudzony
Stan wzbudzony
Atom C
Atom C
Po hybrydyzacji
Po hybrydyzacji
1s
2s
2p
1s
2sp
3
40
RJC
Dlaczego hybrydyzacja ? To
Dlaczego hybrydyzacja ? To
poprawia stopień nakładania
poprawia stopień nakładania
orbitali !
orbitali !
Siła wiązania kowalencyjnego jest
Siła wiązania kowalencyjnego jest
uzależniona od stopnia nałożenia
uzależniona od stopnia nałożenia
orbitali...
orbitali...
“...orbitale po hybrydyzacji nakładają
się lepiej niż przed hybrydyzacją ...”
sp
3
s
p
s
41
RJC
Wykorzystanie teorii
Wykorzystanie teorii
orbitali/hybrydyzacji
orbitali/hybrydyzacji
Teoria orbitali oraz hybrydyzacja
Teoria orbitali oraz hybrydyzacja
pozwalają dobrze zrozumieć takie fakty
pozwalają dobrze zrozumieć takie fakty
jak kształt cząsteczki zarówno w
jak kształt cząsteczki zarówno w
prostych jak i skomplikowanych
prostych jak i skomplikowanych
związkach organicznych.
związkach organicznych.
42
RJC
Podsumowanie: podstawowe
Podsumowanie: podstawowe
pojęcia
pojęcia
Wiązanie kowalencyjne
Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronowa w
stanie podstawowym
Zasady wypełniania orbitali
Zakaz Pauliego
Regułą Hunda
orbitale (s, p oraz sp
3
)
Struktury Lewisa oraz Kekulego
Hybrydyzacja
Wiązanie kowalencyjne
Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronowa w
stanie podstawowym
Zasady wypełniania orbitali
Zakaz Pauliego
Regułą Hunda
orbitale (s, p oraz sp
3
)
Struktury Lewisa oraz Kekulego
Hybrydyzacja