Μάθημα 21 ο. Το σχήμα των μορίων. Θεωρία VSEPR. Θεωρία Δεσμού Σθένους- Υβριδισμός

Transcript

1 Μάθημα 21 ο Το σχήμα των μορίων Θεωρία VSEPR Θεωρία Δεσμού Σθένους- Υβριδισμός

2 Συμβολισμός A = Κεντρικό άτομο X = Συναρμοτής E = Μονήρες ζεύγος SN: Στερεοχημικός αριθμός Γενική και Ανόργανη Χημεία

3 Γεωμετρία ηλεκτονιακών ζευγών και Μοριακά Σχήματα για Μόρια με 2, 3 και 4 Ηλεκτρονιακά ζεύγη στο κεντρικό άτομα Αριθμός Γεωμετρία Δεσμικά Μη δεσμικά Μοριακή Παράδειγμα Ηλεκτρονιακών ηλεκτρονίων ζεύγη ζεύγη γεωμετρία ζευγών SN 2 ΑΧ 2 γραμμική Επίπεδη τριγωνική γραμμική Επίπεδη τριγωνική ΑΧ 3 Το μοντέλο VSEPR SN 3 ΑΧ 3 Ε γωνία ΑΧ 4 τετραεδρική τετραεδρική ΑΧ 3 Ε Επίπεδη τριγωνική SN 4 ΑΧ 2 Ε 2 κεκαμμένο 3

4 Γεωμετρία ηλεκτονιακών ζευγών και Μοριακά Σχήματα για Μόρια με 5 και 6 Ηλεκτρονιακά ζεύγη στο κεντρικό άτομα Αριθμός Γεωμετρία Δεσμικά Μη δεσμικά Μοριακή Ηλεκτρονιακών ηλεκτρονίων ζεύγη ζεύγη γεωμετρία ζευγών Παράδειγμα ΑΧ 5 Τριγωνική διπυραμίδα Τριγωνική διπυραμίδα ΑΧ 4 Ε Ζυγού (seesaw) SN 5 ΑΧ 3 Ε 2 Σχήμα Τ ΑΧ 2 Ε 3 Γενική και Ανόργανη Χημεία

5 Γεωμετρία ηλεκτονιακών ζευγών και Μοριακά Σχήματα για Μόρια με 5 και 6 Ηλεκτρονιακά ζεύγη στο κεντρικό άτομα Αριθμός Γεωμετρία Δεσμικά Μη δεσμικά Μοριακή Παράδειγμα Ηλεκτρονιακών ηλεκτρονίων ζεύγη ζεύγη γεωμετρία ζευγών Οκταεδρική Οκταεδρική SN 6 Τετραγωνική πυραμιδική Επίπεδη τετραγωνική Γενική και Ανόργανη Χημεία

6 SN =7 AX 5 E 2 Επίπεδη πενταγωνική XeF 5 AX 6 E 1 Πενταγωνική πυραμίδα XeOF 5, IOF 5 2 AX 7 E 0 Πενταγωνική διπυραμίδα IF 7 Γενική και Ανόργανη Χημεία

7 Το μοντέλο VSEPR Η σημασία των μη-δεσμικών ηλεκτρονίων και των πολλαπλών δεσμών στις γωνίες των δεσμών Προσδιορίζουμε την γεωμετρία των ηλεκτρονιακών ζευγών λαμβάνοντας υπ όψιν μόνο τα ηλεκτρόνια. Ονομάζουμε την μοριακή γεωμετρία από τις θέσεις των ατόμων. Αγνοούμε τα μονήρη ζεύγη στην μοριακή γεωμετρία. Τα άτομα τα οποία υπακούουν στον κανόνα της οκτάδας έχουν ηλεκτρόνια σε τετραεδρική διάταξη στο χώρο (κανονικό τετράεδρο). Γενική και Ανόργανη Χημεία

8 Το μοντέλο VSEPR Πειραματικά αποτελέσματα για τον δεσμό H-X-H δείχνουν ότι η γωνία μειώνεται πηγαίνοντας από τον C στο N στοh O: H C H109.5 H O H H N H 107 O O H H O Επειδή τα δυο ηλεκτρόνια που αποτελούν ένα δεσμό έλκονται από τους δύο πυρήνες δεν απωθούνται τόσο πολύ όσο και τα μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων. Κατά συνέπεια οι γωνίες δεσμού μειώνονται αυξανομένου του αριθμού των μονήρων ζευγών ηλεκτρονίων. Γενική και Ανόργανη Χημεία

9 Το μοντέλο VSEPR Μη-Δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων Δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων Πυρήνες Πυρήνας 9 Γενική και Ανόργανη Χημεία

10 Σύμφωνα με τη θεωρία VSEPR, οι απωστικές δυνάμεις ακολουθούν τη σειρά: Ασύζευκτο ζεύγος /ασύζευκτο ζεύγος > Ασύζευκτο ζεύγος/δεσμικό ζεύγος > δεσμικό ζεύγος/δεσμικό ζεύγος O < O < O Γενική και Ανόργανη Χημεία

11 Γενική και Ανόργανη Χημεία

12 Το μοντέλο VSEPR Τα ηλεκτρόνια στους πολλαπλούς δεσμούς απωθούνται περισσότερο από τα ηλεκτρόνια των απλών δεσμών. Cl o Cl C O o Γενική και Ανόργανη Χημεία

13 Το μοντέλο VSEPR Μόρια με διευρυμένες στιβάδες σθένους Άτομα με διευρυμένη οκτάδα, έχουν AX 5 (τριγωνική διπυραμιδική) ή AX 6 (οκταεδρική) γεωμετρία ηλεκτρονιακών ζευγών Στις τριγωνικές διπυραμιδικές γεωμετρίες υπάρχει ένα επίπεδο το οποίο περιέχει τρία ζεύγη ηλεκτρονίων. Τα τέταρτο και πέμπτο ηλεκτρονιακά ζεύγη τοποθετούνται άνω και κάτω του επιπέδου αυτού. Στις οκταεδρικές δομές υπάρχει ένα επίπεδο στο οποίο περιλαμβάνονται 4 ζεύγη ηλεκτρονίων. Ομοίως, τα 5ο και 6ο ηλεκτρονιακά ζεύγη βρίσκονται άνω και κάτω του επιπέδου. Γενική και Ανόργανη Χημεία

14 Το μοντέλο VSEPR Μόρια με διευρυμένες στιβάδες σθένους Τα μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων καταλαμβάνουν ισημερινές θέσεις για να ελαχιστοποιήσουν τις απώσεις e - -e -. Αξονικός δεσμός Ισημερινός δεσμός Γενική και Ανόργανη Χημεία

15 Το μοντέλο VSEPR Μόρια με διευρυμένες στιβάδες σθένους AX 5 AX 7 AX 6 Γενική και Ανόργανη Χημεία

16 Το μοντέλο VSEPR Σχήματα μεγαλυτέρων μορίων Στο οξεικό οξύ, CH 3 COOH, υπάρχουν τρία κεντρικά άτομα Καθορίζεται η γεωμετρία γύρω από κάθε κεντρικό άτομο χωριστά. Γενική και Ανόργανη Χημεία

17 Μοριακό σχήμα και Πολικότητα των μορίων Όταν υπάρχει διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ δύο ατόμων τα οποία συνδέονται, ο δεσμός τους είναι πολωμένος. Είναι δυνατόν, ένα μόριο να περιέχει πολωμένους δεσμούς αλλά να μην είναι πολικό. Για παράδειγμα, τα δεσμικά δίπολα στο μόριο του CO 2 αλληλοαναιρούνται επειδή το CO 2 είναι γραμμικό. Γενική και Ανόργανη Χημεία

18 Πολικότητα Μορίων: Μέτρο διπολικής ροπής Ο δεσμός Η-F είναι περίπου κατά 43.3% ιοντικός. Ποιο είναι το μήκος του δεσμού στο μόριο, αν η διπολική ροπή του H-F είναι ίση με 6.38x10-30 Cm; Το μέτρο της διπολικής ροπής, μ, είναι: r Όπου r το μήκος του δεσμού και δ το μερικό φορτίο. Αν υποτεθεί ότι ο δεσμός είναι 100% ιοντικός:h + F - (πλήρης μεταφορά φορτίου) θα ήταν δ=q e = 1.6x10-19 C Αν μ η πειραματική τιμή της διπολικής ροπής του HF, έχουμε: ' r 1. 47x x10 ' Cm r C 6. 38x pm 30 Cm 1. 47x10 29 Cm 18

19 Μοριακό σχήμα και Πολικότητα των μορίων Στο μόριο του νερού, το μόριο δεν είναι γραμμικό και οι επί μέρους διπολικές ροπές δεν αλληλοαναιρούνται Άρα το νερό είναι πολικό μόριο. Γενική και Ανόργανη Χημεία

20 Δίπολα δεσμών Συνιστώσεςεπιμέρους διπολικές ροπές Συνολική (συνισταμένη) διπολική ροπή 0 Γενική και Ανόργανη Χημεία

21 Μοριακό σχήμα και Πολικότητα των μορίων πολικό πολικό Μη πολικό Μη πολικό Γενική και Ανόργανη Χημεία πολικό 21

22 Ομοιοπολικός δεσμός και επικάλυψη Τροχιακών Οι δομές Lewis και η VSEPR δεν εξηγούν το γιατί σχηματίζεται ένας δεσμός. Πως εξηγείται το σχήμα με την κβαντομηχανική; Ποια τροχιακά «παίζουν» στον σχηματισμό των δεσμών Την απάντηση την δίνει η θεωρία του δεσμού σθένους (Valence Bond Theory): Δεσμοί σχηματίζονται κατά την επικάλυψη των τροχιακών στα οποία ευρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους των συνδεόμενων ατόμων. Στην επικάλυψη των τροχιακών λαμβάνουν μέρος δύο ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλη ιδιοστροφορμή. Γενική και Ανόργανη Χημεία

23 Εισαγωγή στην θεωρία του Δεσμού Σθένους Ο ομοιοπολικός δεσμός περιγράφεται από την επικάλυψη των ατομικών τροχιακών. Η επιφάνεια επικάλυψης των τροχιακών σε συμφωνία φάσης Εντοπισμένο μοντέλο σχηματισμού του δεσμού. Γενική και Ανόργανη Χημεία

24 Ομοιοπολικός δεσμός και επικάλυψη Τροχιακών Προσέγγιση των ατόμων Περιοχή επικάλυψης Περιοχή επικάλυψης Γενική και Ανόργανη Χημεία

25 Ομοιοπολικός δεσμός και επικάλυψη Τροχιακών Κατά την προσέγγιση δύο πυρήνων τα ατομικά τους τροχιακά επικαλύπτονται. Αυξανομένου του ποσοστού επικάλυψης η ενέργεια αλληλεπίδρασης μειώνεται. Σε ορισμένη απόσταση μεταξύ των πυρήνων των συνδεόμενων ατόμων η ενέργεια ελαχιστοποιείται. Η ελαχίστη ενέργεια αντιστοιχεί στην δεσμική απόσταση (αλλιώς, μήκος δεσμού). Κατά την περαιτέρω προσέγγισή τους, οι πυρήνες απωθούνται και η ενέργειά τους αυξάνει. Γενική και Ανόργανη Χημεία

26 Στην δεσμική απόσταση, οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των πυρήνων και των ηλεκτρονίων αντισταθμίζουν τις απωστικές δυνάμεις (πυρήναπυρήνα, ηλεκτρονίουηλεκτρονίου). Ομοιοπολικός δεσμός και επικάλυψη Τροχιακών Γενική και Ανόργανη Χημεία

27 Δεσμοί στο H 2 S Μεμονωμένα άτομα Ομοιοπολικοί δεσμοί Γενική και Ανόργανη Χημεία

28 Παράδειγμα Χρησιμοποιώντας την θεωρία δεσμού σθένους περιγράψτε μια μοριακή δομή. Περιγραφή μορίου φωσφίνης, PH 3, με την θεωρία δεσμού σθένους.. Εντοπίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους: Γενική και Ανόργανη Χημεία

29 Σχεδιάζουμε τα τροχιακά: Επικάλυψη των τροχιακών: Τροχιακά στα οποία βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους του Ρ Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών Περιγραφή σχήματος: Τριγωνική πυραμίδα Γενική και Ανόργανη Χημεία

30 Προβλήματα με δεσμούς σε τετραεδρική γεωμετρία Στο CH 4 οι δεσμοί είναι όλοι ισοδύναμοι και οι γωνίες δεσμού είναι όλες Τα 2p τροχιακά στο άτομο του C βρίσκονται σε 90 - μακράν από την βέλτιστη επικάλυψη Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση C, στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 2s 2 2p 2 Τα γεγονότα αυτά θα πρέπει να συμβιβασθούν με τη θεωρία του δεσμού σθένους Γενική και Ανόργανη Χημεία

31 Aς υποθέσουμε ότι εξετάζουμε τη θέση των 4 ηλεκτρονίων στην στιβάδα σθένους του ατόμου του C. Aυτά καταλαμβάνουν τα τροχιακά 2s, 2p x και 2p y και περιμένουμε λοιπόν ότι θα σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία 90. Aπό την θεωρία VSEPR όμως είδαμε ότι στην περίπτωση του CH 4 έχουμε τετραεδρικό σχήμα με γωνίες δεσμών 109. Γενική και Ανόργανη Χημεία

32 Tο παραπάνω αδιέξοδο μπορεί να λυθεί αν θυμηθούμε ότι τα ηλεκτρόνια είναι κύματα που επικεντρώνονται στον πυρήνα όπως ακριβώς συμβαίνει και με τα κύματα στο νερό. Tα τέσσερα τροχιακά «αναμιγνύονται» και ως αποτέλεσμα της αναμίξεως αυτής, προκύπτουν νέα τροχιακά που τα λέμε υβριδικά. Η νέα κατάσταση που προκύπτει, τα 4 δηλαδή νέα τροχιακά περιέχουν τα 8 ηλεκτρόνια, όπως ακριβώς συνέβαινε με το ένα s και τα τρία p τροχιακά. Γενική και Ανόργανη Χημεία

33 Γενική και Ανόργανη Χημεία

34 Η θεωρία του δεσμού σθένους ανεπαρκής για την εξήγηση της τετραεδρικής δομής του CH 4 Άτομο C:Τα ηλεκτρόνια σθένους βρίσκονται σε υβριδισμένα ατομικά τροχιακά Γενική και Ανόργανη Χημεία

35 Eτσι, αντί να πούμε ότι το κεντρικό άτομο στο μόριο του CH 4 π.χ. έχει 1 s και 3 2 p τροχιακά στα οποία "τοποθετούνται", τα 4 ηλεκτρόνια βρίσκονται στα τέσσερα υβριδισμένα τροχιακά, τα οποία κατευθύνονται στις τέσσερες κορυφές ενός κανονικού τετραέδρου. H διάταξη αυτή, βρίσκεται σε συμφωνία με την θεωρία VSEPR και με την κατανομή των ζευγών ηλεκτρονίων. Γενική και Ανόργανη Χημεία

36 sp 3 Υβριδισμός Συνδυάζονται και προκύπτουν τέσσερα sp 3 υβριδισμένα τροχιακά Τα οποία στο σύνολό τους παριστάνονται ως Γενική και Ανόργανη Χημεία

37 sp 3 Υβριδισμός Υβριδοποίηση Γενική και Ανόργανη Χημεία

38 Δεσμοί στο μόριο του μεθανίου Γενική και Ανόργανη Χημεία

39 sp 3 υβριδισμός στο άζωτο Υβριδοποίηση Γενική και Ανόργανη Χημεία

40 Τα τροχιακά στο Βόριο Συνδυάζονται και προκύπτουν τρία sp 2 υβριδισμένα τροχιακά Τα οποία στο σύνολό τους παριστάνονται ως Γενική και Ανόργανη Χημεία

41 sp Υβριδισμός Υβριδοποίηση Γενική και Ανόργανη Χημεία

42 Τα τροχιακά στο Be Συνδυάζονται και προκύπτουν τρία sp 2 υβριδισμένα τροχιακά Τα οποία στο σύνολό τους παριστάνονται ως Γενική και Ανόργανη Χημεία