Cząsteczki wieloatomowe

Cząsteczki
wieloatomowe - hybrydyzacja
Czy w oparciu o koncepcję
orbitali molekularnych
można wytłumaczyć
budowę cząsteczek?
Koncepcja
OA
OA
OC
OA hyb
OC
OA
zdelokalizowane
zlokalizowane
OA hyb
OA hyb
OA – orbitale atomowe
OA hyb – orbitale atomowe zhybrydyzowan
OM – orbitale molekularne
Fakty doświadczalne
Wiązanie
Cząsteczka
Długość wiązania [pm]
O-H
OH-
97
O-H
H2O
96
O-H
H2O2
97
O-H
CH3OH
96
O-H
HCOOH
96
C-C
diament
154
C-C
C2H6
154
C-C
C2H5OH
155
C-C
C3H8
154
C-C
CH3CH(OH)CH3
154
C-C
n-C6H14
153
Fakty doświadczalne
!
δ
Jak wyjaśnić kątową
budowę cząsteczki
wody?
+
H
2δ
−
105 °
O
H
δ
!
Jak wyjaśnić strukturę
diamentu?
+
10_229
109.5o
(a)
Diamond
Hybrydyzacja
Co to jest hybrydyzacja?
" Jakie są rodzaje hybrydyzacji?
" Jak w oparciu o hybrydyzację wyjaśnić
strukturę molekuł?
"
sp3
Hybrydyzacja
Węgiel C
hybrydyzacja
2p
sp3
2s
sp3
Hybrydyzacja
Węgiel C
z
z
x
x
y
y
s
z
py
x
pz
x
y
z
z
x
y
z
Hybridization y
px
z
x
y
z
x
y
x
y
sp 3
gives a tetrahedral
arrangement
sp 3
sp 3
sp 3
Hybrydyzacja
Obital sp3
sp3
sp3
Hybrydyzacja
Metan CH4
H 1s
H 1s
sp 3
sp 3
sp 3
H 1s
C
sp 3
H 1s
sp3
Hybrydyzacja
Metan CH4
H
H
C
H
H
H
H
H
H
sp3
Hybrydyzacja
Wizualizacja cząsteczek
H
H
H
C
H
C
Czasteczka_hybryd_sp3.MOV
H
H
C
H
H
sp3
H
sp3
H
sp3
H
H
sp3
Hybrydyzacja
Amoniak NH3
lone pair
09_162
3
sp
3
sp
N
H1s
H
1s
3
sp
3
sp
H1s
sp3
Hybrydyzacja
CH4
NH3
H2O
silniejsze
odpychanie
kąt ↑
słabsze
odpychanie
tetraedr
109o
piramida trygonalna
107o
kąt ↓
kątowa
105o
sp3
Hybrydyzacja
Etan C2H6
22_502
H
H
H
H
C
H
C
H
sp3
Hybrydyzacja
Rotacja
„płaszczyzna
wiązania”
konformery
1,2-dichloretanu
sp3
Hybrydyzacja
Rotacja
He
energia potencjalna
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
3 kcal/mol
1.2
1.1
1.0
0.5
1
1.5
2
rotacja
2.5
3
sp3
Hybrydyzacja
Węglowodory nasycone
Alkany
sp3
109°28’
n-alkany = łańcuchy „proste”
n-oktan
izomeria łańcuchowa
izooktan
sp3
Hybrydyzacja
Cykloheksan - konformacje
Węglowodory nasycone cykliczne
22_500
These two H
atoms repel
each other
Chair
Boat
Hybrydyzacja
sp2
hybrydyzacja
2p
sp2
2s
sp2
Hybrydyzacja
09_165
p orbital
orbital
sp2 orbital
sp2 orbital
sp2 orbital
Czasteczka_hybryd_sp2.MOV
sp2
Hybrydyzacja
Eten C2H4
H1s
H1 s
sp 2
sp 2
C
C
sp 2
H1s
sp 2
sp 2
sp 2
H1 s
sp2
Hybrydyzacja
Eten C2H4
09_168
sp 2
H 1s
sp 2
sp 2
H 1s
2p
2
sp
(a)
H
H
H
C
H
C
(b)
2
C
C
sp
sp
2
sp2
Hybrydyzacja
Benzen C6H6
09_202
sp 2
H
C
H
H
C
sp 2
C
C
C
H
C
H
H
H1s
sp2
Hybrydyzacja
Benzen C6H6
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
wiązanie zdelokalizowane
typu π
Hybrydyzacja
Czasteczka_NO3.MOV
sp2
sp
Hybrydyzacja
z
z
z
z
z
Hybridization
x
y
s
x
y
px
Czasteczka_hybryd_sp.MOV
x
x
y
y
gives a linear
arrangement
180°
x
y
sp
Hybrydyzacja
CO2
sig m a b o n d
(1 p a ir o f e le c tro n s)
O
pi bond
(1 p a ir o f
e le ctro n s)
C
O
pi bond
(1 p a ir o f
e le ctro n s)
(a )
O
C
O
sp
Hybrydyzacja
N2
p
N
sp
sp
p
N
( )
lone pair sigma bond lone pair
N
sp
(c)
N
sp sp
sp
N
sp
Hybrydyzacja
Acetylen C2H2
2p
2p
2p
H1s
H1s
2p
H
C
H
C
sp
2p
2p
2p
sp
2p
sp
Porównanie typów hybrydyzacji
Jak z orbitali atomowych otrzymać orbitale hybrydowe?
Formalizm – liniowa kombinacja orbitali atomowych
sp
t1 =
1
2
(s + px )
t2 =
1
2
(s − px )
sp3
t1 = 12 ( s + p x − p y − p z )
t 2 = 12 ( s − p x + p y − p z )
sp2
t3 = 12 ( s − p x − p y + p z )
t1 =
1
3
s+
2
3
t2 =
1
3
s−
1
2
py −
1
6
px
t3 =
1
3
s+
1
2
py −
1
6
px
px
t 4 = 12 ( s + p x + p y + p z )
Porównanie typów hybrydyzacji
“p” charakter
sp3
sp2
“s” charakter
sp
gęstość
elektronowa
Porównanie typów hybrydyzacji
wiązanie
typ
długość,
pm
energia
molekuła
C-C
sp3-sp3
15.4
368
CH3- CH3
C=C
sp2-sp2
i p-p
13.4
607
CH2=CH2
C≡C
sp-sp
12.1
828
HC≡CH
i 2 p-p
wzrost
charakteru „s”
Porównanie typów hybrydyzacji
Number of
Effective Pairs
Arrangement
of Pairs
Hybridization
Required
180°
Kształty
cząsteczek
2
Linear
sp
3
Trigonal
planar
sp 2
120°
109.5°
4
Tetrahedral
sp 3
90°
5
Trigonal
bipyramidal
dsp 3
120°
90°
6
Octahedral
d 2 sp 3
90°
Porównanie typów hybrydyzacji
Przykłady cząsteczek
hybrydyzacja
liczba
podstawników
liczba wolnych
par
kształt
przykład
kąt pomiędzy
wiązaniami
sp2
3
0
trójkąt płaski
SO3
120o
sp2
2
1
kątowy
SO2
120o
sp3
4
0
tetraedr
CH4
109o
sp3
3
1
piiramida
trygonalna
NH3
107o
sp3
2
2
kątowy
H2O
105o
Orbitale molekularne
Czy hybrydyzacja jest potrzebna do opisu wiązań w
cząsteczce?
Orbitale molekularne
Cząsteczka CO – bez hybrydyzacji
σ*p
π*p
C
O
πp
2p
2p
σp
σ* s
2s
σs
2s
Bielański
Orbitale molekularne
Cząsteczka CO –hybrydyzacja atomu C
σ*ti-p
C
O
π*p
2py 2pz
t2
t2
2px
πp
2p
t1 t2
2s
σt1-p
σns
ns
2s
Atkins