Wykład 6
Wykład 6
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Elektrony walencyjne
WiÄ…zania chemiczne
Teoria strukturalna
Orbitale molekularne
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
Atom  podstawowy składnik materii
http://www.ganil-spiral2.eu/science-us/understand-ganil/fundamental-principles
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
John Dalton  twórca współczesnej
teorii atomów (1803)
http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton
http://chemistry.tutorcircle.com/inorganic-chemistry/dalton-s-atomic-theory.html
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
J. Dalton  najmniejszÄ…, niepodzielnÄ…
częścią pierwiastków chemicznych jest atom
J.J. Thomson  odkrycie elektronów, ujemnie
naładowane elektrony unoszą się w jednorodnej,
dodatnio naładowanej kuli.
E. Rutheford  nowy model atomu, w którym dodatni
ładunek i większość masy atomu są skupione
w niewielkim jÄ…drze w jego centrum, a ujemnie
naładowane elektrony krążą wokół jądra
N. Bohr - hipoteza istnienia zestawu dopuszczalnych
orbit, na których mogą krążyć elektrony wokół jądra
atomowego
ObowiÄ…zujÄ…cy model atomu, elektrony
są jednocześnie cząstkami i falami.
http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/s05-05-the-atom.html
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
N
o
Teoria Daltona Współczesna teoria
Materia jest zbudowana z niezwykle Pierwiastek chemiczny jest
1
małych cząsteczek nazywanych zbudowany z z niezwykle małych
atomami czÄ…steczek nazywanych atomami
Atomy są niepodzielne i Atomy są podzielne i można je
2
niezniszczalne. zniszczyć.
3 Atom zawiera mniejsze czÄ…steczki,
Atom jest najmniejszÄ… czÄ…stkÄ…
takie jak protony, neutrony i
pierwiastków chemicznych.
elektrony.
4
Wszystkie atomy danego pierwiastka Atomy danego pierwiastka mogÄ… siÄ™
są identyczne. różnić masami.
5 Atomy biorą udział w reakcjach Atomy biorą udział w reakcjach
chemicznych. Budowa zwiÄ…zku chemicznych. Budowa zwiÄ…zku
chemicznych (rodzaj i ilość chemicznych (rodzaj i ilość
atomów) jest stała. atomów) jest stała.
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
Skaningowy mikroskop tunelowy (STM od ang. Scanning
Tunneling Microscope)  rodzaj mikroskopu ze skanujÄ…cÄ…
sondą (ang. Scanning Probe Microscope)  umożliwia
uzyskanie obrazu powierzchni materiałów przewodzących
ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu.
Obraz atomów niklu  skaningowy mikroskop tunelowy
(scanning tunneling microscope, STM).
http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group.php?id=4245
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
" Åšrednica atomu wynosi 10-10 m
" Średnica jądra atomu to 10-14 m, zatem objętość jądra
atomowego jest mniejsza 10 000 razy od objętości atomu.
atom
JÄ…dro
atomowe
http://www.getchemistryhelp.com/chemistry-lesson-structure-of-the-atom/
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
" Pierwiastek o najwyższej gęstości to osm - 22.59 g/cm3.
" Gdyby ścisnąć 99.9% masy atomu w 1/10 000 objętości,
gęstość jądra atomowego wynosiłaby około 100 000 000
000 000 g/cm3!
" Kostka o wymiarach 1 cm x 1 cm x 1 cm zbudowana z jÄ…der
atomowych miałaby masę tryliona gramów!
" Gdyby pudełko od zapałek wypełnić jądrami atomowymi,
ważyłoby ponad 2.5 biliona ton!
http://www.getchemistryhelp.com/chemistry-lesson-structure-of-the-atom/
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
Liczba atomowa (Z) = ilość protonów (i jednocześnie elektronów) w atomie
Liczba masowa (A) = ilość protonów + ilość neutronów w jądrze
http://www.universetoday.com/56747/atom-structure/
http://www.atomicarchive.com/Physics/Physics3.shtml
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
Elektrony wykazują jednocześnie właściwości cząstek i
właściwości falowe. Dlatego możemy tylko określić
prawdopodobieństwo znajdowania się elektronu w
konkretnym miejscu.
http://teedee.myweb.uga.edu/imd/ssatom.html http://edudu.pl/sciaga-budowa-atomu,521b28495f2886ca0977
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
Mechanika falowa Schrödingera i mechanika kwantowa
Heisenberga stworzyły podstawy nowoczesnego
rozumienia struktury atomu.
http://en.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dinger_equation
Podstawy chemii organicznej
Struktura atomu
Najlepszym opisem położenia elektronów w atomie jest
chmura prawdopodobnych położeń  orbital.
http://www.goldenrosycross.org.mt/wp-content/uploads/2011/11/electron_cloud_by_theemerald.jpg
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Każdy orbital atomowy jest określony przez trzy liczby
kwantowe:
" główną liczbę kwantową (n)
" orbitalnÄ… (pobocznÄ…) liczbÄ™ kwantowÄ… (l)
" magnetycznÄ… liczbÄ™ kwantowÄ… (m)
Do jednoznacznego zidentyfikowania orbitalu niezbędne jest
podanie wartości wszystkich trzech liczb kwantowych (n, l, m).
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Główna liczba kwantowa (n) określa energię elektronu i
jego odległość od jądra. Wszystkie orbitale o danej
wartości n należą do tej samej powłoki atomu.
n=1 (K), n=2 (L), n=3 (M), n=4 (N)
http://pradeep-vcp.blogspot.com/2011_05_01_archive.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Każda powłoka może przyjąć określoną liczbę elektronów
2n2.
n 1 2 3 4 ...
powłoka K(2e) L (8e) M (18e) N(32e) ...
http://chemistry.tutorcircle.com/inorganic-chemistry/electron-shells.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Orbitalna (poboczna) liczba kwantowa (l) określa kształt
orbitalu, dla każdej liczby n jej wartość wynosi od 0 do n-1.
http://pradeep-vcp.blogspot.com/2011_05_01_archive.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
wartość l 0 1 2 3 4 .....
określenie literowe s p d f g .....
Każdy typ orbitalu (s, p, d, f) posiada swój własny
kształt.
http://plim14.wordpress.com/2012/07/10/orbitals/
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Zbiór stanów kwantowych (czyli elektronów) o tej samej
wartości głównej i pobocznej to podpowłoka elektronowa.
Każda powłoka zawiera 1 (n=1) lub więcej (n>1) podpowłok.
Wszystkie orbitale o tej samej liczbie l w danej powłoce należą
do tej samej podpowłoki i mają taką samą energię.
n=1 1s
n=2 2s 2p
n=3 3s 3p 3d
n=4 4s 4p 4d 4f
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Magnetyczna liczba kwantowa (m) określa orientację
przestrzenną orbitalu. Przyjmuje wartości od  l do +l.
http://pl.wikibooks.org/wiki/Chemia/Liczby_kwantowe
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
" Dla orbitalu s m=0 możliwa jest tylko jedna orientacja
" Dla orbitalu p m= -1,0,+1 trzy możliwe orientacje - px,
py, pz
" Dla orbitalu d m = -2,-1,0, +1,+2 pięć możliwych
orientacji - dxy,dyz,dxz,dx2y2,dz2
http://2012books.lardbucket.org/books/beginning-chemistry/s12-02-quantum-numbers-for-electrons.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Każdy orbital może być zajęty przez co najwyżej dwa elektrony.
Spinowa liczba kwantowa (s) - informuje o spinie (ruchu
obrotowym) elektronu, zgodnym z ruchem wskazówek zegara
(+1/2, Ä™!) lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (-1/2, “!).
http://chemwiki.ucdavis.edu/Wikitexts/UC_Davis/UCD_Chem_124A%3A_Kauzlarich/ChemWiki_Module_Topics/Spin_Quantum_Number
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
W obrębie każdej powłoki,
podpowłoka s ma najniższą
s
energię, potem podpowłoka p,
p
następnie d i ostatecznie
d
podpowłoka f. Podpowłoki o
f
różnych wartościach n mogą
mieć nachodzące na siebie
wartości energii.
boomeria.org
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Główna liczba kwantowa (n)  nazwa miasta w adresie.
Orbitalna (poboczna) liczba kwantowa (l)  nazwa ulicy w
adresie
Magnetyczna liczba kwantowa (m)  numer domu w adresie
Spinowa liczba kwantowa  imiÄ™ i nazwisko w adresie
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Konfiguracja elektronów określa ich rozmieszczenie na
powłokach według rosnącej energii.
http://kaffee.50webs.com/Science/activities/Chem/Activity.Electron.Configuration.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
http://www.forum.biolog.pl/pow-oki-podpow-oki-chmura-elektronowa-vt53686.htm
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
http://www.faqs.org/docs/electric/Semi/SEMI_2.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
http://mrcauseysworld.com/chemistry/configurations.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
Elektrony walencyjne  elektrony zewnętrznych powłok.
Elektrony walencyjne zajmują orbitale s i p w obrębie powłoki o najwyższej
głównej liczbie kwantowej dla danego atomu.
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3311/3390683/blb0608.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
" Symbole Lewisa  elektrony walencyjne sÄ… pokazane jako
kropki umiejscowione obok symbolu danego pierwiastka
" 1-4 elektrony pojedyncze kropki
" 5-8 elektronów jeden lub więcej sparowanych elektronów
http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/chemical-bond/lewis-electron-dot.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3311/3390683/blb0608.html
http://edtech2.boisestate.edu/lindabennett1/502/Compounds%20and%20Naming/Lewis%20Dot.html
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie 
gazy szlachetne
Gazy szlachetne mają wypełnioną powłokę walencyjną.
Posiadają one (z wyjątkiem He) osiem elektronów
walencyjnych (2 elektrony na orbitalu s, 6 elektronów na
orbitalu p) oktet.
my-lyceum.net
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie 
gazy szlachetne
Gazy szlachetne charakteryzujÄ… siÄ™ stabilnÄ… konfiguracjÄ…
elektronową (oktet) i nie wchodzą w oddziaływania z
innymi atomami.
http://www.hopaj.pl/63094
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie 
wiÄ…zania chemiczne
W przyrodzie atomy niemal wszystkich pierwiastków
wchodzą w oddziaływania ze sobą tworząc związki
chemiczne. W ten proces zaangażowane są elektrony
walencyjne, które tworzą wiązania chemiczne.
http://wirdou.com/
Podstawy chemii organicznej
Rozmieszczenie elektronów w atomie 
wiÄ…zania chemiczne
Atomy ulegają jonizacji i przemieszczenie elektronów
(wiÄ…zania jonowe) lub dzielÄ… siÄ™ elektronami (wiÄ…zania
kowalencyjne) tak, aby osiągnąć konfigurację
elektronową gazów szlachetnych. Według reguły oktetu
magiczną cyfrą stabilności jest "8" (2 elektrony na orbitalu
s, 6 elektronów na orbitalu p).
s p
chemistryunderstood.com
Podstawy chemii organicznej
WiÄ…zanie kowalencyjne
WiÄ…zanie kowalencyjne powstaje, gdy dwa atomy dzielÄ…
siÄ™ elektronami walencyjnymi.
http://www.clickandlearn.org/gr9_sci/atoms/bonding.htm
http://www.chemistryland.com/CHM130W/11-Bonds/bonds.html
Podstawy chemii organicznej
WiÄ…zanie kowalencyjne spolaryzowane
WiÄ…zanie kowalencyjne spolaryzowane powstaje, gdy
dwa atomy dzielą się elektronami w nierówny sposób.
Jeden z końców wiązania ma wtedy cząstkowy ładunek
dodatni, drugi czÄ…stkowy Å‚adunek ujemny.
employees.csbsju.edu
Podstawy chemii organicznej
WiÄ…zanie kowalencyjne spolaryzowane
Fluor  potrzebuje" 1 elektronu aby dopełnić swoją zewnętrzną
powłokę do oktetu. Węgiel dostarcza tego elektronu, zyskując
elektrony od fluoru (po 1 od każdego atomu), tak, że może
uzyskać oktet.
http://www.chemistryland.com/CHM130W/11-Bonds/bonds.html
Podstawy chemii organicznej
WiÄ…zanie jonowe
Wiązanie jonowe powstaje, gdy jeden z atomów przekazuje elektron do
innego atomu.
Atom sodu ma jeden elektron na zewnętrznej powłoce (orbital s). Jeżeli
go straci, uzyska stabilnÄ… konfiguracjÄ™ oktetu. Chlor posiada 7
elektronów walencyjnych, posiada zatem jeden  wakat .
http://www.clickandlearn.org/gr9_sci/atoms/bonding.htm
Podstawy chemii organicznej
Elektroujemność
Elektroujemność  zdolność przyciągania elektronów
przez jeden z atomów wiązania. Atom pierwiastka o
większej elektroujemności odciąga elektrony wiązania od
pierwiastka o mniejszej elektroujemności.
Podstawy chemii organicznej
WiÄ…zania chemiczne - podsumowanie
http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0m/s12-09-polar-covalent-bonds.html
Podstawy chemii organicznej
Chemia organiczna
Chemia organiczna to chemia związków węgla. Około 90%
poznanych związków to związki organiczne.
http://www.biologycorner.com/worksheets/conceptmap-organic_key.html
Podstawy chemii organicznej
Chemia organiczna
Węgiel atomowy jest bardzo
nietrwały, dlatego jest
stabilizowany w różnego
rodzaju wieloatomowych
strukturach nazywanych
odmianami alotropowymi.
Odmiany alotropowe węgla: a) diament; b) grafit; c) lonsdaleit;
d f) fulereny (C60, C540, C70); g) węgiel amorficzny; h) nanorurka węglowa.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/Eight_Allotropes_of_Carbon.png
Podstawy chemii organicznej
ZwiÄ…zki organiczne
Związki organiczne zawsze zawierają atomy węgla (C) i
wodoru (H) oraz niektóre z nich atomy tlenu (O), siarki (S),
azotu (N), fosforu (P) lub chlorowca (F, Cl, Br lub I).
http://science.uvu.edu/ochem/index.php/alphabetical/g-h/hybridization/
http://www.chemistryland.com/CHM151S/07-Atomic%20Structure/ElectronConfig/ElectronConfiguration.html
Podstawy chemii organicznej
Teoria strukturalna
Pomiędzy latami 1858 i 1861 August Kekule, Archibald
Scott Cooper i Alexander M. Butlerow, pracujÄ…c
niezależnie, stworzyli podstawy jednej z najważniejszych
teorii w chemii: teorii strukturalnej.
August Kekule
Alexander M. Butlerow
Archibald Scott Cooper
http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Frkekul%C3%A9.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Butlerov_A.png
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Couper_Archibald_Scott.jpg
Podstawy chemii organicznej
Teoria strukturalna
" Atomy w związkach organicznych mogą tworzyć
określoną liczbę wiązań wykorzystując swoje elektrony
walencyjne.
http://ochembyamin.blogspot.com/
Podstawy chemii organicznej
Teoria strukturalna
" Atomy węgla mogą łączyć się ze sobą lub z atomami
innych pierwiastków wiązaniami pojedynczymi,
podwójnymi lub potrójnymi.
http://ochembyamin.blogspot.com/
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne
Orbital molekularny (inaczej cząsteczkowy, skrót MO) 
matematyczna funkcja opisujÄ…ca stan elektronu jako fali
w cząsteczce. Funkcja ta jest używana do obliczania
fizycznych i chemicznych właściwości elektronu, takich
jak prawdopodobieństwo znalezienia go w dowolnym
rejonie czÄ…steczki.
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne
" orbital molekularny powstaje w wyniku nakładania się
orbitali atomowych atomów tworzących wiązanie
" liczba powstajÄ…cych orbitali molekularnych = liczba
nakładających się orbitali atomowych
http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/intro3.html
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne
Elektron może być rozpatrywany jako oscylująca fala, która
jako taka może posiadać fazę.
PÅ‚aszczyzna
http://edu.pjwstk.edu.pl/wyklady/wspmu/scb/index04.html
węzłowa
+ Fale o przeciwnych fazach
=
Fale o zgodnych fazach
+
=
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne
Graficznie faza orbitalu jest przedstawiana znakiem + lub 
(znaki te nie mają nic wspólnego z ładunkiem
elektrycznym) albo poprzez cieniowanie.
Te same fazy
Przeciwne fazy
http://www.ntu.ac.uk/cels/molecular_geometry/mo_theory/Sigma_MOs/index.html
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne
http://www.dlt.ncssm.edu/tiger/chem3.html
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne  wiÄ…zanie Ã
" molekularny orbital wiążacy (Ã MO)- elektrony znajdujÄ…
się przez większość czasu w rejonie pomiędzy dwoma
jÄ…drami.
" molekularny orbital antywiążacy (Ã* MO)- elektrony
znajdują się przez większość czasu w rejonie poza
przestrzenią pomiędzy dwoma jądrami
http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch8/mo.html
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne  wiÄ…zanie Ã
WiÄ…zania sigma (Ã) to najsilniejszy typ wiÄ…zania
kowalencyjnego. Powstają przez współosiowe nakładanie się
orbitali atomowych typu s i p.
http://en.wikipedia.org/wiki/Sigma_bond
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne  wiÄ…zanie Ä„
Wiązania Pi (Ą) powstają poprzez boczne nakładanie się
atomowych orbitali p.
+
-
+
-
Ä„*
+
-
+
-
-
-
-
Ä„
+
+
+
http://www.tch-pg.cba.pl/files/Isem/chemnieorg/5-OrbitalemolekTECH.doc
Podstawy chemii organicznej
Orbitale molekularne  wiÄ…zania Ä„ i Ã
WiÄ…zania Ä„ sÄ… sÅ‚absze od wiÄ…zaÅ„ Ã. WiÄ…zanie Ä„ pomiÄ™dzy
dwoma atomami pojawia siÄ™ dopiero wtedy, gdy powstanie
wiÄ…zanie à (wiÄ…zania podwójne i potrójne).
Ã*MO
antywiążący
Ä„* MO
Ä„ MO
wiążący
à MO
Energia
Podstawy chemii organicznej
Węgiel
Każdy atom węgla posiada 4 elektrony walencyjne, które
może dzielić z czterema innymi atomami, które go otaczają
atom węgla jest czterowartościowy.
http://www.chemistryland.com/CHM130W/11-Bonds/bonds.html
Podstawy chemii organicznej
Węgiel
Atom węgla posiada cztery elektrony walencyjne, dwa na
orbitalu 2s i po jednym na orbitalach 2px i 2py, orbital 2pz
jest pusty. Taka konfiguracja elektronowa wskazuje, że do
tworzenia wiązań dostępne są tylko 2 elektrony.
Podstawy chemii organicznej
Węgiel
Jeden z elektronów z orbitalu 2s podczas tworzenia
wiÄ…zania jest przenoszony na pusty orbital 2pz (promocja
elektronu  wzbudzenie go na wyższy poziom
energetyczny), co powoduje, że węgiel zyskuje cztery
niesparowane elektrony i może utworzyć cztery wiązania.
Konfiguracja elektronowa w
stanie podstawowym
Konfiguracja elektronowa w
stanie wzbudzonym
Podstawy chemii organicznej
Węgiel - hybrydyzacja orbitali
W stanie wzbudzonym orbital 2s i trzy orbitale 2p (2px, 2py, 2pz)
nakładają się na siebie (hybrydyzują). W efekcie powstają
cztery równocenne energetycznie orbitale zhybrydyzowane
sp3. Proces ten ma miejsce tylko podczas tworzenia wiązań i
jest nazywany hybrydyzacjÄ… orbitali.
http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/1_3_budowa_materii/01_04_03_2b.html
Podstawy chemii organicznej
Węgiel - hybrydyzacja orbitali
Hybrydyzacja nakładanie się (mieszanie) orbitali
atomowych podczas tworzenia się wiązań, w wyniku czego
powstają orbitale zhybrydyzowane (różniące się kształtem i
energią od wyjściowych orbitali atomowych).
Ä™!“! Ä™!“! Ä™! Ä™!
C
1s 2s 2px 2py 2pz
Ä™!“! Ä™! Ä™! Ä™! Ä™!
C*
1s 2s 2px 2py 2pz
Ä™!“! Ä™! Ä™! Ä™! Ä™!
C*
1s sp3 sp3 sp3 sp3
http://iws.collin.edu/biopage/faculty/mcculloch/1406/outlines/chapter%204/Ma2-6.JPG
Dziękujęza uwagę