2009-11-24
Chemia V
WI
ZANIE CHEMICZNE
WI
ZANIE CHEMICZNE
są to charakterystyczne oddziaływania występujące pomiędzy
atomami, grupami atomów, jonami lub cząsteczkami.
Wiązania chemiczne powstają w wyniku oddziaływania,
przyjmowania lub uwspólniania elektronów walencyjnych
reagujących ze sobą atomów.
1
2009-11-24
.
" Każdy atom pierwiastka składa się z jądra
atomowego oraz elektronów znajdujących
się na tzw. powłokach elektronowych
wokół jądra. Powłok tych jest kilka, a ich
maksymalna ilość to siedem. W tworzeniu
wiązania bierze udział głównie ostatnia
powłoka tzw. walencyjna
Atomy tworzÄ…c wiÄ…zanie chemiczne mogÄ…
uzyskać stabilną konfigurację elektronową -
podobną do konfiguracji gazów szlachetnych
- (dubletowÄ… lub oktetowÄ…) na drodze:
" przekazania elektronów jednego atomu
drugiemu - powstaje wiÄ…zania
heteropolarne - jonowe;
" uwspólnienie-(współużytkowania)
elektronów walencyjnych - powstaje
wiÄ…zanie kowalencyjne (atomowe) lub
donorowo-akceptorowe (koordynacyjne).
2
2009-11-24
" Rodzaj wiązania między atomami, zależy
od właściwości pierwiastków tworzących
zwiÄ…zek chemiczny.
" Można je scharakteryzować za pomocą
elektroujemności, która jest umowną miarą
"skłonności" atomu do przyciągania
elektronów podczas tworzenia wiązania
" Pojęcie elektroujemności zostało
wprowadzone przez L. Paulinga.
Elektroujemność to zdolność atomu do
przyjmowania elektronów.
Może być ona określana za pomocą
liczb bezwymiarowych - skala
elektroujemności Paulinga.
3
2009-11-24
" Do pierwiastków elektroujemnych zalicza się
te, których atomy wykazują wyższą
tendencję do przyłączania elektronów niż do
jonizacji. Należą do nich niemetale
(najbardziej elektroujemne sÄ… fluorowce).
" Do pierwiastków elektrododatnich zalicza się te,
których atomy wykazują wyższą tendencję do
jonizacji (oddawania elektronów) niż do
przyłączania elektronów. Należą do nich metale.
Istota i typy wiązań chemicznych
" Aby utworzona cząstka była trwała, musi być
uboższa energetycznie niż wchodzące w jej skład
oddzielne atomy.
" Oznacza to, że proces tworzenia się cząsteczki powinien
być energetycznie korzystny, a więc powinien
prowadzić do osiągnięcia przez układ minimum energii.
" Te trwałości energetycznie osiągają cząsteczki przez
utworzenie odpowiednich wiązań między łączącymi
siÄ™ atomami. WiÄ…zania w czÄ…steczce powstajÄ… w
wyniku "uwspólnienia" elektronów walencyjnych
reagujących z sobą atomów.
4
2009-11-24
Podstawowe wielkości
charakteryzujÄ…ce wiÄ…zanie
- energia dysocjacji (energia wiÄ…zania)
- odległość pomiędzy atomami (długość
wiÄ…zania)
- kąt pomiędzy kierunkami wiązań (kąt
walencyjny).
Ze wzrostem długości wiązania zmniejsza się
energia dysocjacji czyli energia wiÄ…zania.
Ze wzrostem liczby atomowej atomów tworzących
cząsteczkę wzrasta długość wiązania.
Chemia nieorganiczna, St. Hojewska
5
2009-11-24
Wyróżnia się kilka typów wiązań
chemicznych
" wiÄ…zanie jonowe czyli elektrowalencyjne
" wiÄ…zanie atomowe czyli kowalencyjne
" atomowe (kowalencyjne) splaryzowane - pośrednie
" wiÄ…zanie donorowo-akceptorowe (koordynacyjne)
" wiÄ…zanie wodorowe
" wiązanie międzycząsteczkowe - wiązanie siłami van der
Waalsa
" wiÄ…zanie nie zlokalizowane
" wiÄ…zanie metaliczne
" wiązanie hydrofobowe - używane tylko w biochemii
" wiÄ…zanie klatratowe
Teorie wiązań
Elektronowa teoria wiÄ…zania chemicznego opiera
się na trwałości konfiguracji oktetowej i w
.
sposób jednolity na podstawie reguły oktetu
wyjaśnia różne typy i liczby wiązań w
zwiÄ…zkach chemicznych.
W czasach nam współczesnych rozwinięciem
kwantowej teorii atomu jest kwantowa teoria
tworzenia wiązań chemicznych
6
2009-11-24
Teorię powstawania wiązań
wprowadzili Kossel i Lewis
Pierwiastki dążą do osiągnięcia oktetu (lit i beryl -
dubletu) elektronów na powłoce walencyjnej -
dążą do uzyskania struktury gazu szlachetnego.
" Atomy gazów szlachetnych różnią się od atomów
innych pierwiastków zapełnionymi powłokami
elektronowymi (całkowicie) - taka konfiguracja
powoduje, że helowce są najbardziej biernymi
chemicznie pierwiastkami.
" Teoria ta nazywana jest elektronowÄ… teoriÄ…
wiÄ…zania chemicznego.
Elektronowa teoria wiÄ…zania
chemicznego
" WiÄ…zanie jonowe (elektrowalencyjne)
" Wiązania jonowe występują w układach złożonych
z atomów skrajnie różniących się
elektroujemnością.
" W czasie powstawania wiÄ…zania jonowego atom
pierwiastka elektrododatniego oddaje, a atom
pierwiastka elektroujemnego przyłącza elektrony.
Tworzą się dwa jony o różnoimiennych ładunkach,
przyciągające się dzięki działaniu sił
elektrostatycznych.
7
2009-11-24
WiÄ…zania jonowe
" Powszechnie znanym przykładem wiązania
jonowego jest wiązanie między jonem sodu
i jonem chloru w chlorku sodowym Na+Cl-
lub miedzy jonami magnezu i chloru w
chlorku magnezu Cl-Mg2+Cl-.
Na ) 2 ) 8 ) 1 Na+ ) 2 ) 8
Cl ) 2 ) 8 ) Cl- ) 2 ) 8 ) 8
7
Na :Cl
Mg ) 2 ) 8 ) Mg2+ ) 2 ) 8
Cl ) 2 ) 8 ) Cl- ) 2 ) 8 ) 8
Cl ) 2 ) 8 ) Cl- ) 2 ) 8 ) 8
Cl: Mg :Cl
MgCl2
8
2009-11-24
" W podanych przykładach konfigurację
oktetową osiąga się przez przesunięcie
elektronu(ów) od mniej do bardziej
elektroujemnego atomu.
" NaCl - jon sodu osiÄ…ga konfiguracjÄ™ helowca
występującego przed nim w układzie
okresowym Ne, a jon chloru - konfiguracjÄ™
helowca występującego po nim - Ar.
Podobnie w czÄ…steczce MgO.
Związki zawierające wiązania jonowe składają
się zatem z dodatnich i ujemnych jonów
rozmieszczonych na przemian w przestrzeni.
Siły oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy
jonami są równomiernie rozłożone we wszystkich
kierunkach uprzywilejowanych,
np. wyróżnienie kierunków wartościowości.
Siły działające w układach o wiązaniu jonowym
sÄ… znaczne - temperatura topnienia i wrzenia
tych związków jest stosunkowo wysoka.
9
2009-11-24
NaCl
Sieć krystaliczna chlorku sodu
WiÄ…zanie atomowe
(kowalencyjne)
" WiÄ…zania atomowe (kowalencyjne) powstajÄ…
również, gdy łączą się z sobą atomy pierwiastków
elektroujemnych o takich samych wartościach
elektroujemności.
" Podobnie jak w wiązaniu jonowym, wiążące sie
atomy dążą do osiągnięcia struktury oktetowej
najbliższego gazu szlachetnego.
" Wiązania tego typu występują w cząsteczkach H2,
Cl2, O2, N2 itp.
10
2009-11-24
przykłady
" H + H H H H H
" O + O O O O O
" N + N N N N N
+1
+1 +1
-1e
WiÄ…zanie atomowe (kowalencyjne)
spolaryzowane
" WiÄ…zanie atomowe spolaryzowane jest
wiązaniem pośrednim między jonowym a
atomowym; powstaje wówczas, gdy łączą się ze
sobą atomy pierwiastków różniących się
elektroujemnością, lecz nie tak znacznie jak w
przypadku tworzenia wiÄ…zania jonowego.
" Cecha charakterystycznÄ… tego wiÄ…zania jest
przesunięcie pary elektronowej wiążącej atomy
w kierunku atomu pierwiastka bardziej
elektroujemnego.
11
2009-11-24
przykład
" Jednym z przykładów tego wiązania może być
połączenie chloru i wodoru w cząsteczce
chlorowodoru.
" Wspólna para elektronowa w cząsteczce H--Cl jest
silniej przyciągana przez atom chloru niż przez
atom wodoru, jest więc przesunięta w kierunku
atomu chloru. Tak spolaryzowane wiÄ…zanie
atomowe przedstawiamy w następujący sposób:
H-Cl
12
2009-11-24
Dipol -Moment dipolowy
" CzÄ…steczki z wiÄ…zaniami kowalencyjnymi
spolaryzowanymi z powodu nierównomiernego,
niesymetrycznego w stosunku do środka cząsteczki,
rozmieszczenie ładunków wykazują biegunowość. W
cząsteczkach tych wyróżnić można biegun dodatni i
ujemny.
" CzÄ…steczki o budowie polarnej nazywamy dipolami, tzn.
czÄ…steczkami dwubiegunowymi. CzÄ…steczki
dwubiegunowe majÄ… tzw. moment dipolowy
u = q x l
gdzie: q - ładunek, l - odległość pomiędzy " środkami
ciężkości " odmiennych ładunków.
Wielkości momentów dipolowych cząsteczek bada się za
pomocą pomiaru przenikalności dielektrycznej związku.
Substancja Moment Przenikalność
dipolowy dielektryczna
u
C6H6 0 2,27
CCl4 0 2,24
CH4(ciekły) 0 2
NH3 1,44 22
CH3OH 1,62 33
C2H5OH 1,66 25,7
H2O 1,84 80,1
H2O (lód) 0 3,2
CH3Cl 1,56 5,8
13
2009-11-24
WiÄ…zanie donorowo-akceptorowe
(koordynacyjne)
" Wiązanie donorowo-akceptorowe tym różni się od
wiÄ…zania atomowego lub atomowego
spolaryzowanego, że para elektronowa tworzących
wiązanie oddawana jest przez jeden z dwóch
łączących się atomów.
" Najprostszym przykładem powstawania wiązania
donorowo-akceptorowego jest tworzenie siÄ™ jonu
amonowego
H
H3O+ O + H+ = H-O-H
H H+
zwiÄ…zki kompleksowe
" Połączenia, w których występują wiązania
koordynacyjne noszą nazwę związków
koordynacyjnych, związków kompleksowych,
albo po prostu kompleksów.
" W związku kompleksowym wyróżnia się atom
centralny i czÄ…steczki koordynowane zwane
ligandami.
14
2009-11-24
przykład
Azot w czÄ…steczce amoniaku majÄ…cy wolnÄ… parÄ™ elektronowÄ…
przyłącza (dokoordynowuje) do niej jon wodorowy. Sposób
powstawania tego wiązania jest inny niż powstawanie trzech
pozostałych wiązań między atomami wodoru z azotem.
Po utworzeniu jednak wiÄ…zania donorowo-akceptorowego wszystkie
cztery atomy wodoru w jonie amonowym stają się równocenne.
" Przykładem ligandów są cząsteczki: NH3, H2O,
CO, jony Cl-, OH-, N2H5+.
" Akceptorami mogą być cząsteczki obojętne np.
BF3 lub jony metali np. Ag+, Cu2+, Al3+, Zn2+ itp.
" W zwiÄ…zkach kompleksowych metali jon metalu
będący akceptorem przyjmuje zwykle kilka par
elektronowych.
15
2009-11-24
Liczba koordynacyjna
" Liczba par elektronowych przyjętych przez akceptor
podczas tworzenia kompleksu nazywa siÄ™ liczbÄ…
koordynacyjnÄ… akceptora i zwykle wynosi 2, 4, 6, 8.
" np. kation cynkowy Zn2+ma 28 elektronów. Po
przyłączeniu czterech par elektronowych z czterech
czÄ…steczek amoniaku uzyskuje on konfiguracjÄ™
elektronowÄ… kryptonu 36Kr.
" Zn2+ + 4NH3 --> [Zn(NH3)4]2+
" liczba koordynacyjne dwudodatniego jonu cynkowego
wynosi cztery.
ZwiÄ…zki koordynacyjne
" WiÄ…zanie atomowe koordynacyjne dla
odróżnienia od normalnego wiązania
atomowego zaznacza siÄ™ za pomocÄ…
strzałki, której ostrze skierowane jest w
kierunku akceptora.
16
2009-11-24
H  O O
s O = S O
H  O O O
H  O  N= O O = N  O  N =O
O O O
Właściwości
" wiązania koordynacyjne występują pomiędzy metalem a
koordynowanÄ… czÄ…steczkÄ… lub jonem ujemnym.
" liczba elektronów dookoła centrum koordynacji jest równa liczbie
elektronów w atomie najbliższego, cięższego gazu szlachetnego.
" są związki, w których podana reguła nie obowiązuje.
" np. jest [Ag(NH3)2]+
W związkach tego typu zaobserwowano także inną prawidłowość
wykazującą jednak również odstępstwa, a mianowicie przyłączania się
ligandów
" do jonów jednododatnich - dwa
" do jonów dwudodatnich - cztery
" do jonów trójdodatnich - sześć.
17
2009-11-24
Poniżej podano zgodnie z tą reguła, przykłady
niektórych kationów i anionów zespolonych.
[Cu(NH3)2]+, [Cu(NH3)4]2+, [Co(NH3)6]3+
[Ag(NH3)2]+, [Zn(NH3)4]2+, [Cr(NH3)6]3+
[Au(NH3)2]+, [Cd(NH3)4]2+
[AgCl2]-, [Zn(CN)4]2-, [Al(OH)6]3-
[Ag(CN)2]-, [ZN(OH)4]2-, [Fe(CN)6]3-
Ligand wodny
" W roztworach wodnych wewnętrzna strefa
koordynacyjna utworzona jest z cząsteczek wody, które
mogą być zastąpione silniej wiążącym ligandem.
" Dla roztworów wodnych liczbą koordynacyjną określa
się liczbę przyłączonych ligandów z pominięciem
czÄ…steczek wody.
" W jonach kompleksowych, np. [Fe(H2O)5NCS]2+ i
[Fe(H2O)(NCS)5]2- liczba koordynacyjna wynosi
odpowiednio 1 i 5
a ogólna liczba koordynacyjna ma wartość 6.
18
2009-11-24
Ligandy mogą być dwukoordynacyjne, np
" Trój, cztero, a nawet sześciokoordynacyjne np. kwas
etylenodwuaminoczterooctowy
WI
ZANIE METALICZNE
" powstanie wiÄ…zania metalicznego polega na
przekształceniu atomów tego samego
metalu lub atomów różnych metali w zbiór
kationów i swobodnie poruszających się
między nimi elektronów.
Wiązanie metaliczne może istnieć w stanie
stałym lub ciekłym.
19
2009-11-24
W stanie stałym węzły sieci krystalicznej metalu
lub stopu sÄ… obsadzone przez kationy
wykonujące wyłącznie ruchy oscylacyjne wokół
węzła, zdelokalizowane elektrony są swobodnie
w obrębie całego kryształu, (podobnie drobiny
substancji w stanie gazowym).
Z tego względu mówi się o gazie elektronowym
(chmurze elektronowej) wiÄ…zania metalicznego.
Kationy stanowiÄ…ce rdzenie atomowe utrzymujÄ… siÄ™
w swoich położeniach dzięki przyciąganiu
elektrostatycznemu elektronów
Właściwości metali wiążą się z istniejącym wiązaniem
metalicznym:
" dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne można
uzasadnić ruchliwością elektronów należących do gazu
elektronowego;
" połysk metaliczny - pod wpływem światła widzialnego,
elektrony znajdujące się na powierzchni kryształu wykonują
drgania o częstotliwości promieniowania padającego.
" charakterystyczny połysk metalu - taką samą
częstotliwość mają promienie odbite jak promienie padające,
co postrzegamy jako;
" plastyczność - ciągliwość, kowalność metali, tłumaczy się
brakiem w krysztale kierunków uprzywilejowanych, a więc
można przesuwać płaszczyzny sieciowe i powodować
pęknięcia metali
20
2009-11-24
Przykład: wiązanie metaliczne
+2 +2 +2
+2 +2 +2
+2 +2 +2
WI
ZANIE WODOROWE
oddziaływanie (zwykle słabe) między kowalencyjnie
związanym atomem wodoru i należącym do innej
czÄ…steczki atomem silnie elektroujemnym,
dysponujÄ…cym wolnÄ… parÄ… elektronowÄ….
Atom wodoru (proton) może byś związany
równocześnie z dwoma atomami, jeśli mają one małe
wymiary i dużą elektroujemność.
Wiązanie wodorowe występuje najczęściej w związkach
wodoru z fluorem, chlorem, tlenem, azotem.
Wiązanie wodorowe występuje np.: między
czÄ…steczkami wody.
21
2009-11-24
Przykłady
H  O ..........H  O ............ H  O ............ H  O
H H H H
H  Cl .............H  Cl ............ H  Cl
H  F
H H H
H  N: ............. H  N: ........... H  N:
H H H
Porównanie temperatur wrzenia związków wodoru z pierwiastkami rodziny
głównej 5-7. (od lewej do prawej)
Krzywa 1 NH3, PH3, AsH3, SbH3.
Krzywa 2:H2O, H2S, H2Se, H2Te.
Krzywa 3: HF, HCl, HBr, HI.
22
2009-11-24
Wyróżnia się także wiązania wodorowe
wewnątrzcząsteczkowe (wewnętrzne) powstające w
wyniku oddziaływania podstawników występujących
w tej samej czÄ…steczce.
Spośród związków izomerycznych, związki z wewnętrznym
wiązaniem wodorowym, charakteryzują się najniższą
temperaturą topnienia i wrzenia, najniższą prężnością
pary, barwnością, itp.
Energia wiązań wodorowych
Energia w kJ/mol
" O-H...O 12,5 - 33,4
" O-H...N 16,7 - 29,3
" N-H...O 12,5 - 16,7
" N-H...N 5,4 - 20,9
" F-H...F 20,9 - 33,4
23
2009-11-24
Długość wiązań i energia dysocjacji niektórych
czÄ…steczek dwuatomowych
ZwiÄ…zek Ed L
chemiczny (kcal/mol) (oA)
H2 104 o,72
F2 37 1,42
Cl2 59 1,99
Br2 46 2,28
I2 36 2,67
HF 135 0,92
HCl 103 1,27
HBr 87 1,41
HI 71,4 1,61
NO 150 1,151
O2 119 1,207
CO 256 1,128
N2 226 1,094
WiÄ…zania niezlokalizowane
W cząsteczkach związków o izolowanych wiązaniach
wielokrotnych elektrony sÄ… zlokalizowane w
określonej przestrzeni pomiedzy dwoma atomami
węgla. W cząsteczkach o łańcuchach węglowych,
zawierających układ sprzężonych wiązań podwójnych,
np. C=C-C=C-C=C- elektrony mogą przesuwać się
wzdłuż łańcucha co prowadzi do wyrównania gęstości
elektronowej w całym łańcuchu - delokalizacja
elektronów.
Przykładem - cząsteczka butadienu C = C  C = C
Układy zdelokalizowane charakterystyczne są dla arenów
(związków aromatycznych).
Przykładem - cząsteczka benzenu.H2C=CH-CH=CH2
24
2009-11-24
WiÄ…zania van der Waalsa
(międzycząsteczkowe)
" Opisane wcześniej typy wiązań
chemicznych tłumaczą łączenie się atomów
i jonów w cząsteczki w stanie stałym,
ciekłym i gazowym, natomiast nie tłumaczą
dlaczego mogą się łączyć pomiędzy sobą
obojętne cząsteczki albo atomy helowców.
To łączenie się między sobą obojętnych
cząsteczek i helowców tłumaczy się
występowaniem sił van der Waalsa.
W tablicy podane są przykłady atomów gazów
szlachetnych pomiędzy którymi działają jedynie siły
van der Waalsa utrzymujÄ…c je razem.
Pierwias erg * cm6 Temperatura
tek wrzenia
(kcal/mol)
He 1,2 -269oC
Ar 52,0 -185oC
Xe 217,0 -108oC
25
2009-11-24
Siły van der Waalsa
" są wynikiem wzajemnego oddziaływania elektronów i
jÄ…der w czasteczkach. - polegajÄ… one na przyciÄ…ganiu siÄ™
szybkozmiennych albo inaczej falujÄ…cych dipoli. W wyniku
ruchu elektronów walencyjnych gęstość ładunku ujemnego
na zewnętrznej powłoce atomów ulega szybkim fluktuacjom
wzbudzając podobną fluktuację w powłoce walencyjnej
sąsiednich atomów. Powstają szybkozmienne dipole, które
wzajemnie przyciągają się zwiększając, w miarę zbliżania
siÄ™, wzajemnÄ… polaryzacjÄ™ elektronowÄ….
Siły van der Waalsa
" są stosunkowo słabe w przypadku małych cząsteczek
(kilkanaście razy słabsze od sił wiązania atomów w
cząsteczce), ale w przypadku dużych cząsteczek mogą
nawet przewyższać siły wiązania chemicznego np. w
smarach albo w tworzywach sztucznych. Prawidłowość ta
również jest zauważalna dla temperatur wrzenia -
substancje o dużej masie cząsteczkowej mają wysokie
temperatury wrzenia, a o małej masie cząsteczkowej - niskie
temperatury wrzenia
26
2009-11-24
Przykład
Do opisu wiązań chemicznych w cząsteczce stosuje
się najczęściej jedną z dwóch metod (teorii):
1) metoda wiązań walencyjnych (VB)
2) metoda orbitali molekularnych (MO) polega na
traktowaniu cząsteczki jako całości, w której
" elektrony poruszają się pod wpływem jąder i
pozostałych elektronów;
" każdy elektron należy do cząsteczki jako całości;
" rozkłady przestrzenne elektronów w cząsteczce
nazywa siÄ™ orbitalami molekularnymi
(czÄ…steczkowymi).
27
2009-11-24
Metoda (teoria) orbitali
molekularnych (MO)
Teoria MO zakłada, że zachowanie się
elektronu w czÄ…steczce opisuje orbital
molekularny (czÄ…steczkowy), podobnie jak
zachowanie elektronu w atomie opisuje
orbital atomowy.
" orbital atomowy orbital jednocentrowy
" orbital molekularny orbital dwu- lub
wielocentrowy
Hybrydyzacja
" Hybrydyzacja orbitali atomowych to
tworzenie siÄ™ nowych, jednakowych
orbitali atomowych w wyniku zmieszania
orbitali typu s, p i d atomu centralnego.
" Pojęcie hybrydyzacja orbitali atomowych
przyczynia się do wyjaśnienia struktury
związków, trwałości wiązań między
pierwiastkami, które je tworzą oraz ich
wartościowości
28
2009-11-24
dwa na pozór podobne związki np. BF3 i NH3 (chodzi
oczywiście o stechiometrie), tworzą cząsteczki o różnym
kształcie. BF3 jest płaska. W cząsteczce NH3 w kształcie
piramidy, atom azotu znajduje się w jej wierzchołku
Hybrydyzacja
" każda para elektronów chce zająć takie miejsce w przestrzeni, by
do drugiej pary elektronów była jak największa odległość. W
przypadku BF3 mamy do czynienia z trzema parami elektronów
wiążących.
" W przestrzeni ułożą się one tak, by kąty między wiązaniami
wynosiły 120o (cząsteczka płaska), wtedy oddziaływania między
parami elektronów wiążących będą najmniejsze.
" W przypadku czterech par elektronów, (cząsteczka amoniaku)
trzy pary wiążące i jedna para elektronów wolnych, zajmą takie
miejsce w przestrzeni, by kąty między orbitalami, na których one
się znajdują, wynosiły 109,5o. Natomiast z nakładania się trzech
orbitali p azotu (px py pz) z trzema orbitalami s wodoru wynika
raczej kÄ…t 90o
29
2009-11-24
Rodzaj Hybrydyzacji Orbitale atomowe Przykłady związków
uczestniczÄ…ce w hyb.
sp
digonalna
C2H2, BeCl2, CO2, CaH2
sp2
trygonalna
C2H4, BCl3, CH3+, CO3-2,
NO3-, NO2-, PbCl3
CH4, SO42-, NH4+, CH4,
sp3
tetragonalna
dsp2 NH3, CH3-, H2O
kwadratowa
[Ni(CN)4]2-
PCl5
bipiramidalna dsp3 dsp3
[Fe(CN)6]4-
d2sp3
oktaedryczna
bipiramidalna d3sp3 d3sp3
IF6
Hybrydy i ich kształty
sp
d2sp3
sp2
sp3
d3sp3
dsp3
30
2009-11-24
Interpretacji kształtu cząsteczki
metanu CH4
" Dwa wiązania C-H, tworzone są z udziałem dwóch orbitali p węgla i
orbitali pochodzących od dwóch atomów wodoru (kąty 90o).
" Kolejne wiązania, powinny być wiązaniami koordynacyjnymi. Trudno
sobie wyobrazić, by węgiel, jedno wiązanie utworzył będąc donorem,
a drugie akceptorem pary elektronowej:
" Jeszcze trudniej będzie dokonać obliczeń, by zgadzały się z faktami
doświadczalnymi - wszystkie wiązania równocenne, kąty między
nimi 109,5o.
" orbital 2s i 3 orbitale p węgla ulegają wymieszaniu (hybrydyzacji), tworząc cztery nowe,
jednakowe orbitale zhybrydyzowane. Orbitale te, w przestrzeni ułożą się tak, by kąty
między nimi wynosiły właśnie 109,5o.
" Z uwagi na to, że orbitale te powstały z jednego orbitalu s i trzech orbitali p, nazwiemy je
orbitalami sp3:
" s + 3p 4sp3
" Otrzymane orbitale zhybrydyzowane, mają nieco mniejszą energię niż orbitale
wyjściowe. Cały proces hybrydyzacji myślowo można podzielić na następujące etapy:
- wzbudzenie atomu zwiÄ…zane z promocjÄ… jednego elektronu z orbitalu 2s na orbital 2p
- hybrydyzacja
WiÄ…zania tworzone sÄ… w jednym etapie.
" Hybrydyzacja jest tylko modelem matematycznym, dzięki któremu w prosty sposób
możemy przewidzieć kształt cząsteczki (kąty jakie tworzą orbitale zhybrydyzowane
między sobą, a póz
niej gdy powstaną z nich wiązania, kąty między wiązaniami). W takim
przypadku, celowym wydaje siÄ™ zapoznanie z innymi sposobami hybrydyzacji.
Hybrydyzacja sp3
31
2009-11-24
Hybrydyzacja sp2
" Orbital s atomu węgla w stanie wzbudzonym nie musi
ulegać wymieszaniu z trzema orbitalami p. Może on ulec
hybrydyzacji jedynie z dwoma orbitalami p, np. px i py.
Oczywiście w tym przypadku, jeżeli wymieszaniu ulegają
trzy orbitale atomowe, uzyskamy również trzy orbitale
molekularne zhybrydyzowane, które nazywają się
orbitalami sp2
" s + 2p 3sp2
Pozostaje jeszcze orbital pz leżący na osi Z
Hybrydyzacja sp
" Jeżeli wymieszaniu ulegnie orbital s z jednym orbitalem
p węgla, powstaną dwa orbitale zhybrydyzowane, które
nazwiemy orbitalami sp:
" s + p sp
" PozostanÄ… dwa niezhybrydyzowane orbitale py i pz
(leżące na osiach Y i Z).
" Orbitale zhybrydyzowane, będą leżały na osi X, a kąt
między nimi będzie wynosił 180o.
32
2009-11-24
orbitale atomowe tworzÄ…ce orbitale
molekularne czÄ…steczce BF3  sp2
orbitale atomowe tworzÄ…ce orbitale
molekularne czÄ…steczce CH4  sp3
6C: 1s 2s1 2px1 2py12pz C: 1s 2(sp3)1 2(sp3)1 2(sp3)1
2(sp3)1
33
2009-11-24
orbitale atomowe tworzÄ…ce orbitale
molekularne czÄ…steczce NH3- sp3
N: 1s2 2s2 2px1 2py12pz1
N: 1s22(sp3)22(sp3)12(sp3)12(sp3)1
orbitale atomowe tworzÄ…ce orbitale
molekularne czÄ…steczce H2O  sp3
8O: 1s2 2s22px22py12pz1
8
O: 1s2 2(sp3)22(sp3)2 2(sp3)12(sp3)1
34
2009-11-24
Trzy warunki wyliczenia efektywnego
orbitalu molekularnego:
1) obu orbitalom atomowym wchodzÄ…cym w kombinacjÄ™ liniowÄ…
odpowiadają porównywalne energie;
2) orbitale atomowe wchodzÄ…ce w kombinacjÄ™ liniowÄ… pokrywajÄ… siÄ™ ze
sobą (możliwie maksymalnie);
3) orbitale wchodzÄ…ce w kombinacjÄ™ liniowÄ… wykazujÄ… takÄ… samÄ…
symetriÄ™ w stosunku do osi Å‚Ä…czÄ…cej obydwa jÄ…dra.
" jÄ…dro A orbital atomowy ¨A
" jÄ…dro B orbital atomowy ¨B
" czÄ…steczka A B Ò! orbital czÄ…steczkowy ¨AB
" ¨*AB = cA · ¨A  cB · ¨B orbital antywiążący
" ¨AB = cA · ¨A + cB · ¨B orbital wiążący energia
35
2009-11-24
36
2009-11-24
37
2009-11-24
RzÄ…d wiÄ…zania
rzÄ…d wiÄ…zania, chem. parametr charakteryzujÄ…cy wiÄ…zanie chem.,
określony jako połowa różnicy między liczbą elektronów obsadzających
orbitale wiążące a liczbą elektronów obsadzających orbitale
antywiążące; im wyższy jest rz.w., tym większa jest trwałość wiązania.
38
2009-11-24
Orbitale zdelokalizowane
39