Ασκήσεις. Γράψτε μια δομή Lewis για καθένα από τα παρακάτω μόρια και βρείτε τα τυπικά φορτία των ατόμων. (α) CΟ (β) ΗΝO 3 (γ) ClΟ 3 (δ) ΡΟCl 3

Transcript

1 Ασκήσεις Γράψτε μια δομή Lewis για καθένα από τα παρακάτω μόρια και βρείτε τα τυπικά φορτία των ατόμων. (α) CΟ (β) ΗΝO 3 (γ) ClΟ 3 (δ) ΡΟCl 3

2 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR Μοριακή γεωμετρία: είναι η διάταξη των ατόμων του μορίου στο χώρο. Εξαρτάται από το είδος των ατόμων που απαρτίζουν την ένωση και τον τρόπο με τον οποίο ενώνονται. Η ερμηνεία της μοριακής γεωμετρίας βασίζεται στη θεωρία της απώσεως των ηλεκτρονιακών ζευγών της στιβάδας σθένους (VSERP, Valence Shell Electron Pair Repulsion). Τα ηλεκτρονιακά ζεύγη της στιβάδας σθένους του κεντρικού ατόμου τοποθετούνται έτσι ώστε να υπάρχουν οι ελάχιστες δυνατές απώσεις, δηλαδή τα ηλεκτρονιακά ζεύγη βρίσκονται όσο το δυνατό πιο μακριά το ένα από το άλλο. Με τη θεωρία VSERP μπορεί να γίνει πρόβλεψη της γεωμετρίας των ενώσεων.

3 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR Κανόνες που εφαρμόζονται στη θεωρία VSEPR Μόρια ή ιόντα που δε διαθέτουν μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων Ιδανική γεωμετρία 1 η περίπτωση: Όταν το κεντρικό άτομο ενός μορίου (ή ιόντος) έχει δύο δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και κανένα μη δεσμικό ζεύγος, τότε το μόριο είναι γραμμικό. Τα δύο ζεύγη ηλεκτρονίων διατάσσονται ευθύγραμμα έχοντας στη μέση το κεντρικό άτομο. μοριακό τύπος τύπος κατά Lewis γεωμετρικό σχήμα BeCl 2 Cl Cl Be Cl Be 180 o Cl

4 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR 2 η περίπτωση: Όταν το κεντρικό άτομο ενός μορίου (ή ιόντος) έχει τρία δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και κανένα μη δεσμικό ζεύγος, τότε το μόριο είναι επίπεδο τριγωνικό, καθώς τα τρία ζεύγη ηλεκτρονίων διατάσσονται τριγωνικά γύρω από το κεντρικό άτομο. μοριακός τύπος B 3 τύπος κατά Lewis B γεωμετρικό σχήμα 120 o B 120 o 120 o

5 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR 3 η περίπτωση: Όταν το κεντρικό άτομο ενός μορίου (ή ιόντος) έχει τέσσερα δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και κανένα μη δεσμικό ζεύγος, τότε το μόριο είναι τετραεδρικό, καθώς τα τέσσερα δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων διατάσσονται τετραεδρικά γύρω από το κεντρικό άτομο. μοριακός τύπος CH 4 τύπος κατά Lewis H H C H γεωμετρικό σχήμα H H C H H H

6 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR 4 η περίπτωση: Όταν το κεντρικό άτομο ενός μορίου (ή ιόντος) έχει πέντε δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και κανένα μη δεσμικό ζεύγος, τότε το μόριο είναι τριγωνικό διπυραμιδικό. μοριακός τύπος τύπος κατά Lewis γεωμετρικό σχήμα Cl Cl Cl PCl 5 Cl P Cl Cl Cl Cl P Cl Cl

7 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR 5 η περίπτωση: Όταν το κεντρικό άτομο ενός μορίου (ή ιόντος) έχει έξι δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και κανένα μη δεσμικό ζεύγος, τότε το μόριο είναι οκταεδρικό. μοριακός τύπος τύπος κατά Lewis γεωμετρικό σχήμα S 6 S S

8 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR Μόρια ή ιόντα που διαθέτουν μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων Αποκλίσεις από την ιδανική γεωμετρία Η παρουσία μη δεσμικών ζευγών ηλεκτρονίων στο κεντρικό άτομο προκαλεί παραμόρφωση της στερεοχημικής διάταξης, όπως αυτή προκύπτει (με βάση τους προηγούμενους κανόνες) αν προσμετρήσουμε τα μη δεσμικά ως δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μη δεσμικά ζεύγη απωθούν περισσότερο τα άλλα ζεύγη ηλεκτρονίων, καταλαμβάνοντας πιο πολύ χώρο απ ότι τα δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων

9 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR Αποκλίσεις από την ιδανική γεωμετρία Οι πολλαπλοί δεσμοί αντιμετωπίζονται όπως οι απλοί δεσμοί. Όμως, οι πολλαπλοί δεσμοί λόγω του μεγαλύτερου ηλεκτρονιακού φορτίου τους, απωθούν περισσότερο (σε σχέση με τους απλούς δεσμούς) τα γειτονικά ζεύγη ηλεκτρονίων, συνεπώς, καταλαμβάνουν πιο πολύ χώρο από ότι οι απλοί δεσμοί.

10 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR

11 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR

12 Γεωμετρία Μορίων Θεωρία VSEPR Μεθοδολογία για την πρόβλεψη της μοριακής γεωμετρία: Γράφουμε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis. Μετρούμε το συνολικό αριθμό δεσμικών και μη δεσμικών ζευγών ηλεκτρονίων του κεντρικού ατόμου. Προσμετρούμε τους πολλαπλούς δεσμούς ως απλούς δεσμούς. Με βάση τις περιπτώσεις 1-5 της θεωρίας VSERP, βρίσκουμε την ιδανική γεωμετρική διάταξη των ζευγών ηλεκτρονίων γύρω από το κεντρικό άτομο, θεωρώντας τα μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων σαν «υποκαταστάτες». Προσμετρούμε τα μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και καθορίζουμε την παραμόρφωση της γεωμετρίας, λαμβάνοντας υπόψη ότι τα μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων, καθώς και οι πολλαπλοί δεσμοί, καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο από ότι τα δεσμικά και οι απλοί δεσμοί, αντίστοιχα.

13 Ασκήσεις Ομοιοπολικός Δεσμός Να προβλέψετε τα γεωμετρικά σχήματα των παρακάτω μορίων ή ιόντων με βάση τη θεωρία VSEPR: α) HCN, β) NH 4+, γ) NO 3-, δ) NS Ένα από τα παρακάτω ιόντα έχει επίπεδη τριγωνική διάταξη. Ποιο είναι αυτό; Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. α) SO 3 2-, β) PO 4 3-, γ) P 6-, δ) CO Καθένα από τα παρακάτω μόρια έχουν ένα ή περισσότερους πολλαπλούς δεσμούς. Να γράψετε τις δομές Lewis των μορίων και να προβλέψετε με βάση τη θεωρία VSEPR τη γεωμετρία των μορίων: α) CO 2, β) Cl 2 CO, γ)clno 2. Με βάση τη θεωρία VSEPR προβλέψτε τη γεωμετρία των παρακάτω ενώσεων ή πολυατομικών ιόντων: Τe 6, H 2 Se, I 4-, BBr 3, AsCl 5, GeI 4, Br 3, Se 4. Δίνονται: 52 Te, 34 Se, 53 I, 35 Br, 33 As, 32 Ge.

14 Πολικότητα Μορίων Πολικά είναι τα μόρια τα οποία παρουσιάζουν θετικό και αρνητικό πόλο και η πολικότητά τους έχει άμεση σχέση με την ισχύ των διαμορικών δυνάμεων. Μέτρο της πολικότητας είναι η διπολική ροπή, μ μ=δ. r, όπου δ: το στοιχειώδες φορτίο του πόλου (q=1,61x10-19 C) r: η απόσταση των πόλων Η διπολική ροπή μετράται συνήθως σε μονάδες debye (D). Στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI) η μονάδα διπολικής ροπής είναι το coulomb x meter (C m) και ισχύει: 1D=3,34x10-30 C m.

15 Πολικότητα Μορίων

16 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Η ηλεκτρονιακή θεωρία σθένους (θεωρία Lewis) αποτελεί την πληρέστερη προ-κβαντική θεωρία για την περιγραφή του χημικού δεσμού. Όμως, αδυνατεί σε πολλές περιπτώσεις να ερμηνεύσει τη μοριακή δόμηση: Υπερσθενή μόρια Μόρια ελλιπή ηλεκτρονίων Μόρια με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων Αδυναμία ερμηνείας των ενώσεων των στοιχείων που βρίσκονται στις 4 τελευταίες περιόδους του Π.Π.

17 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Με την ανάπτυξη της κβαντομηχανικής η ερμηνεία του ομοιoπολικού δεσμού βελτιώθηκε με τη διατύπωση δύο νέων θεωριών: Θεωρία δεσμού σθένους (Valence Bond theory, VBT) Θεωρία μοριακών τροχιακών (Molecular Orbital theory, MOT)

18 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Βασικότερα σημεία της VBT: Όπως και στη θεωρία Lewis (κανόνας οκτάδας), η δημιουργία δεσμών οφείλεται σε κοινά ζεύγη e- τα οποία όμως πλέον υπεισέρχονται με την έννοια των τροχιακών Τα άτομα σε ένα μόριο δεν θεωρούνται μέρος του μορίου αλλά διατηρούν τον αρχικό τους χαρακτήρα. Μόνο τα ηλεκτρόνια που συμμετέχουν στην δημιουργία δεσμών (δεσμικά) κινούνται στον ενδιάμεσο χώρο και ανήκουν από κοινού στο μόριο. Aνάπτυξη ομοιοπολικού δεσμού: τροχιακά στιβάδας σθένους ενός ατόμου επικαλύπτουν τροχιακά της στιβάδας σθένους του άλλου. Η επικάλυψη αυτή αφορά ένα ή περισσότερα ζεύγη τροχιακών των δύο ατόμων.

19 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Αν σε κάθε τροχιακό, που συμμετέχει στο μηχανισμό αυτό της επικάλυψης, περιέχεται ένα μονήρες ηλεκτρόνιο, τότε ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων (δημιουργία δεσμού). Ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων στα δύο τροχιακά που επικαλύπτονται δεν μπορεί να υπερβαίνει τον αριθμό 2 και αυτά θα πρέπει να έχουν αντιπαράλληλο spin. Η ισχύς του δεσμού που προκύπτει εξαρτάται από την επικάλυψη των τροχιακών. Όσο πιο μεγάλος ο βαθμός επικάλυψης τόσο μεγαλύτερη η ισχύ δεσμού.

20 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT π.χ. σχηματισμός του Η 2 σύμφωνα με τη VBT Κάθε άτομο Η έχει ηλεκτρονιακή διαμόρφωση 1s 1 Για να δημιουργηθεί δεσμός θα πρέπει τα 1s ατομικά τροχιακά κάθε ατόμου Η να επικαλυφθούν ώστε να προκύψει ένα ζεύγος e-, το οποίο θα έλκεται και από τους δύο πυρήνες.

21 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT σ δεσμός είναι ο ομοιοπολικός δεσμός που προκύπτει κατά την επικάλυψη s τροχιακών κατά μήκος του άξονα που συνδέει τους πυρήνες των δύο ατόμων. Σε αυτήν τη διεύθυνση εξασφαλίζεται η μεγαλύτερη επικάλυψη (αξονική επικάλυψη). Το ίδιο είδος δεσμού μπορεί να προκύψει και από επικαλύψεις s-p και p-p τροχιακών κατά τον άξονας τους.

22 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT π δεσμός είναι ο δεσμός που προκύπτει με πλευρική επικάλυψη p-p ατομικών τροχιακών των οποίων οι άξονες είναι παράλληλοι. Σε αυτήν τη διεύθυνση εξασφαλίζεται η μικρότερη επικάλυψη (πλευρική επικάλυψη), γι αυτό και ο π είναι ασθενέστερος του σ. Τα s τροχιακά δεν συμμετέχουν σε π δεσμούς καθώς δεν είναι δυνατή η πλευρική επικάλυψη Ο π δεσμός δημιουργείται μόνον εφ όσον έχει προηγηθεί ο σχηματισμός ενός σ δεσμού

23 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Η μεθοδολογία που ακολουθείται για τη δημιουργία της ένωσης σύμφωνα με την VBT είναι η ακόλουθη: 1. Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις των ατόμων που συμμετέχουν στην ένωση. 2. Σχηματίζουμε τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων της ένωσης με επικάλυψη τροχιακών που περιέχουν ασύζευκτα e-. Η επικάλυψη οδηγεί στη δημιουργία σ ή π δεσμών. Παράδειγμα: μοριακή δόμηση στο 2 με βάση τη VBT.

24 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Παράδειγμα: μοριακή δόμηση στο Η με βάση τη VBT

25 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Παράδειγμα: μοριακή δόμηση στο Ν 2 με βάση τη VBT

26 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Παράδειγμα: μοριακή δόμηση στο AsH 3 με βάση τη VBT Τα ημισυμπληρωμένα τροχιακά του As επικαλύπτονται με τα ημισυμπληρωμένα 1s τροχιακά τριών ατόμων Η. 3 σ δεσμοί As-H με επικάλυψη των τριών 4p τροχιακών του As με τα 1s τροχιακά των τριών ατόμων Η. Οι δεσμοί μεταξύ τους σχηματίζουν γωνίες 90 ο (= γωνία των p ατομικών τροχιακών). Τα 3 άτομα Η κατέχουν τις κορυφές ενός ισόπλευρου τριγώνου, ενώ το άτομο του As βρίσκεται πάνω από το κέντρο του τριγώνου σχηματίζοντας μία τριγωνική πυραμίδα

27 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Cl: έχει ένα ασύζευκτο e- και σχηματίζει έναν δεσμό, π.χ. Η-Cl. O: έχει δύο ασύζευκτα e- και σχηματίζει δύο δεσμούς, π.χ. Η-Ο-Η. C: έχει δύο ασύζευκτα e- και σχηματίζει τέσσερις δεσμούς στο μόριο του μεθανίου, CH 4!!!

28 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT Πως λοιπόν εξηγείται ότι ενώ ο C έχει μόνο δύο αζύζευκτα e- στη θεμελιώδη κατάσταση σχηματίζει συνήθως τέσσερις δεσμούς; Είναι η διεγερμένη κατάσταση αρκετή για να ερμηνεύσει τους 4 δεσμούς που σχηματίζει ο C; (π.χ. στο CH 4 )

29 Θεωρία Δεσμού Σθένους, VBT O σχηματισμός του CH 4 δεν μπορεί να ερμηνευτεί βάσει της διεγερμένης κατάσταση ς του C. Θα σχηματίζονταν 2 διαφορετικοί τύποι ομοιοπολικών δεσμών στο μόριο του CH 4 : 1. Ένας δεσμός με επικάλυψη ενός 1s ατομικού τροχιακού του Η με το 2s ατομικό τροχιακό του C 2. Τρεις δεσμοί με επικάλυψη των 1s τροχιακών των τριών ατόμων Η με τα τρία 2p τροχιακά του C. Οι δύο τύποι δεσμών λόγω διαφορετικής επικάλυψης δεν θα ήταν ισότιμοι μεταξύ τους. Όμως και οι 4 δεσμοί είναι ισοδύναμοι κάτι που συνεπάγεται ότι και τα 4 τροχιακά στον C είναι απολύτως ισοδύναμα

30 Υβριδισμός Το 1931 ο Pauling επέκτεινε της VBT διατυπώνοντας τη θεωρία του υβριδισμού. Υβριδισμός είναι η μίξη ατομικών τροχιακών του ίδιου ατόμου που οδηγεί στη δημιουργία νέων τροχιακών τα οποία ονομάζονται υβριδισμένα. Τα υβριδικά τροχιακά είναι αριθμητικά ίσα με τα συνδυαζόμενα ατομικά τροχιακά. Διαφέρουν όμως απ αυτά ως προς την ενέργεια, τη μορφή και τον προσανατολισμό τους. Έχουν συνολική ενέργεια μικρότερη από το άθροισμα των ενεργειών των συμβαλλόμενων ατομικών τροχιακών, γι αυτό ευνοείται ο σχηματισμός τους.

31 Υβριδισμός Υβριδισμός στα ατομικά τροχιακά του C στο CH 4. Άτομο C Θεμελιώδη κατάσταση Άτομο C Υβριδισμένο Άτομο C στο μόριο του CH 4