Efnatengi og uppbygging sameindanna

Transcript

1 Námsmarkmið. Nemendur geti: Efnatengi og uppbygging sameindanna Notað rafeindaskipan frumefnanna til að skýra hversvegna málmar mynda frekar katjónir og málmleysingjar anjónir. Útskýrt orkubreytinguna sem verður við myndun jónatengja (ionic bonds). Skilgreint rafneikvæðni (electronegativity) og hvernig hún tengist stöðu frumefnanna í lotukerfinu. Dr. ddur Ingólfsson Háskóli Íslands Námsmarkmið. Námsmarkmið. Geta borið kennsl á skautuð- (polar), óskautuð- (nonpolar) og jónatengi (ionic bonds) útfrá rafneikvæðni efnanna. Ritað Lewis formgerð og rafeindaskipan (Lewis (electronic) structures) sameinda og jóna. Útskýrt efnatengi útfrá skörun atómsvigrúmanna og takmarkannir á þeirri mynd af efnatengjum. Útskýrt, útfrá skörun atómsvigrúmanna (orbital overlap model) hvernig blöndun þeirra (hybridization) tengist lögun sameindanna (molecular shapes). Sagt til um formgerð (geometry) sameinda útfrá Lewis myndum þeirra. Teiknað formgerð einfaldra sameinda. Útskýrt myndun tví- og þrítengja (multiple bonds) útfrá skörun atómsvigrúmanna og blöndun þeirra. Borið kennsl á sigma (σ) og pi tengi (π) í sameindum og geta útskýrt muninn á þeim.

2 Jónatengi Jónatengjum (ionic bonds) er hægt að lýsa útfrá þeim rafkröftum sem verka á milli einda með gagnstæða hleðslu (electrostatic attraction) Jónatengi myndast milli málma og málmleysingja. Því meiri sem munurinn er á milli þeirra, þ.e. því lengra sem er á milli þeirra í lotukerfinu, því sterkari eru jónaeinkenni efnatengjanna. Gildisrafeindir (Valence electrons) Gildisrafeindir (Valence electrons) eru rafeindirnar á ysta hvolfi frumeindarinnar (hvolfið með hæsta n gildi). Gildisrafeindirnar taka þátt í efnatengjunum. Lota Rafeindaskipan # gildisrafeinda e - 1A ns 1 1 2A ns 2 2 3A ns 2 np 1 3 4A ns 2 np 2 4 5A ns 2 np 3 5 6A ns 2 np 4 6 7A ns 2 np 5 7 8A ns 2 np 6 8 Rafeindatákn Lewis Myndun jóna Málmar meginhópana með ystu rafeindir í s og p undirhvolfum hafa lága jónunarorku og mynda np 6 katjónir. Jónunarorkan er sérstaklega há þegar rafeindaskipanin er np 6. Hliðarmálmarnir geta myndað katjónir með mjög mismunandi hleðslu. Fyrst eru rafeindir fjarlægðar úr s undirhvolfinu. Frekari rafeindir eru fjarlægðar úr d undirhvolfunum. Full og hálffull d undirhvolf eru sérataklega stöðug. Fe 2+ og Fe 3+ eru stöðugar jónir. Málmleysingjar hafa jákvæða rafeindasækni (electron affinities og taka up rafeindir til að mynda anjónir með rafeindaskipanina np 6.

3 Stöðugleiki og rafeindaskipan Jónir ns 1 Rafeindaskipan (electron configuration) frumefnanna í grunnástandi þeirra (ground state). ns 2 ns 2 np 1 ns 2 np 2 ns 2 np 3 ns 2 np 4 ns 2 np 5 ns 2 np 6 Stærð Jóna Hlutfallsleg hleðsla kjarnans og skermun ystu rafeindanna r Katjón << r Atóm << t Anjón d 1 d 5 d 10 4f 5f

4 Jónir Jónatengi Katjónir minnka frá vinstri til hægri í lotukerfinu. Katjónir í sama hóp hafa sömu rafeindaskipan. Anjónir minnka frá vinstri til hægri í lotukerfinu. Anjónir í sama hóp hafa sömu rafeindaskipan. Fjöldi róteinda eykst frá vinstri til hægri í lotukerfinu. Rafeindir dragast þéttar að kjarnanum radíus jónanna minnkar. Na + F Na + F - 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 2p 5 [He] 1s 22 [Ne] 2s 2 2p 6 Na Na + + e - e - + F F - Na + + F - Na + F - Jónasambönd Til að mynda jónapar X + + Y þarf orku. Það þarf orku til að mynda katjón með því að fjarlægja rafeind. Það losnar orka við að mynda anjón með því að taka upp rafeind. ftast þarf meiri orku til að mynda katjóninna en losnar við myndun anjónarinnar. Þegar jónasambönd (sölt) myndast lækka rafkraftarnir, sem eru virkir á milli katjónanna og anjónanna, heildarorku kerfisins verulega. Jónasambönd Jónasambönd mynda stökk fastefni (sölt) þar sem jónirnar mynda þrívíða kristalgrind (crystal lattice. Víklverkan milli fjölda jóna. Kraftur F! q q 1 2 V = k q 1q 2 r 2 Stöðuorka r

5 Rafkraftar (Electrostatic Energy) Grindarorkan (E) (Lattice energy) er orkan sem þarf til að brjóta eitt mól af jónatengdu efni á föstu formi (salti) niður í einingar sínar, þ.e.a.s. fullkomlega aðskildar jónirnar í loftkenndu formi. E = 2, Q + Q - r Grindarorkan (E) eykst ef hleðslan (Q) eykst og/eða ef fjarlægðin (r) minnkar. Q + er hleðsla katjónarinnar Q - er hleðsla anjónarinnar r er fjarlægðin á milli þeirra Tengi MgF 2 Mg LiF LiCl Grindarorkan 2957 Q= +2, Q= +2,-2 r F < r Cl Myndun jóna Hversu mikil orka losnar þegar NaF myndast úr Na(g) og F(g). Fyrst verður að mynda jónaparið Na + + F. ( = +168 kj/mól) Jónunarorka Na er 496 kj/mól. Rafeindasækni F er 328 kj/mól. Síðan er Coulomb orkan reiknuð útfrá jóna radíusnum. V = -591 kj/mól. rkan sem losnar vegna Coulomb kraftanna er töluvert mieri en orkan sem þarf til að mynda jónaparið Na+ + F-. Við myndun NaF tengisins losnar orka. Born-Haber hringur til að reikna út grindarorkuna. Jónasambönd o o o o o o ΔH Hvarf = ΔH 1 + ΔH 2 + ΔH 3 + ΔH 4 + ΔH 5 ΔH o 3 = 520 kj ΔH o 4 = -328 kj ΔH o 5 = kj ΔH o 1 = 155,2 kj ΔH o 2 = 75,3 kj ΔH o Hvarf = -594,1 kj

6 Samgild tengi (covalent bonds) Efnatengi og orka Samgild tengi (covalent bonds) byggja á samnýtingu rafeindapara. Ávinningurinn er lægri heildarorka kerfisins. Í jónatengjum lækkar heildarorka kerfisins við rafeindaflutning á milli atómanna. Í samgildum tengjum lækkar heildarorka kerfisins við það að viss fjöldi rafeinda víxlverkar við kjarna tveggja atóma. Stöðuorka tveggja atóma. Rafeindir beggja atómanna dragast að kjarna hvers annars. Kjarnar beggja atómanna hrinda hver öðrum frá sér. Rafeindir beggja atómanna hrinda hver annarri frá sér. Samgilt tengi myndast ef það er stöðuorkulámark þegar tvö atóm nágast hvort annað. Efnatengi og orka Efnatengi og orka Tengjaorka (Bond energy) er orkan sem losnar þegar tvö atóm tengjast. Tengjalengd (Bond length) er fjarlægð kjarnanna þar sem heildarorka kerfisins er í lámarki. Rafeindadreifing atóma sem eru tengd samgildum tengjum er allt önnur en ótengdra atómanna. Einangruð atóm hafa kúlulaga rafeindadreifingu. Atóm tengd samgildu tengi hafa sameiginlegan rafeindaþéttleika milli atómanna.

7 Rafeindaþéttleikinn Efnatengi og orka Breyting á dreifingu rafeindaþéttleikans þegar tvær vetnisfrumeindir nálgast hverja aðra. Það losnar alltaf orka þegar efnatengi myndast. rkan sem þarf til að rjúfa efnatengi (bond dissociation energy), er sú sama og losnar við myndun þeirra. Tengjaorkan er háð eðli atómanna og tengjanna sem þau mynda. Í efnahvörfum eru tengi rofin og mynduð þegar hvarfefnin breytast í myndefni. Ef orkan sem þarf til að rjúfa tengi í slíku ferli er minni en sú sem losnar við myndun nýrra efnatengja, þá er efnahvarfið útvermið þ.e. gefur frá sér orku. Breyting á stöðuorku vetnissameindarinnar þegar hún klofnar í frumeindir sínar. Efnatengi og efnahvörf Stöðuorka Fjarlægð milli vetnisfrumeindanna Tengjaorka samgildu efnatengjanna í Tefloni og þeim efnum sem myndast við bruna þess. F í F 2, sem myndast við bruna Teflons eru veik í samanburði við C-F tengin í Tefloni Teflon brennur ekki auðveldlega.

8 Efnatengi og formgerð (structure) sameinda Efnatengi og formgerð (structure) sameinda Jónatengi, katjónirnar og anjónirnar hafa np 6 rafeindaskipan (eðalgas). Málmurinn tapar rafeind(um). Málmleysinginn tekur upp rafeind(ir). Í samgildum tengjum tilheyra vissar rafeindir (rafeindapör) báðum atómum. Þannig geta bæði atómin náð stöðugri rafeindaskipan ytri hvolfanna oftast 8 gildisrafeindir (valence electrons) umhverfis hvort atóm. ctet reglan- atóm mynda samgild tengi til að fylla ysta aðalhvolfið. Fyrir n = 1 eru það 2 rafeindir annars oftast 8 rafeindir (ns 2 np 6 ). Lewis myndir (dot symbols) eru notaðar til að lýsa rafeindaskipan atóma og sameinda. Rafeindirnar eru táknaðar með punktum umhverfis atómin. Fyrstu fjórir punktarnir (rafeindirnar) eru stakir. Næstu fjórir mynda pör með þeim sen fyrir eru. Ysta hvolfið er fyllt þegar rafeindirnar eru 8 (ns 2 np 6 ). Efnatengi og formgerð (structure) sameinda Lewis formgerðir meginhópanna. Frumefni sama hóps hafa sama fjölda gildisrafeinda og þar af leiðandi sömu Lewis formgerð. Efnatengi og formgerð (structure) sameinda Lewis formgerðir (Lewis dot structures) sýna hversu margar rafeindir tilheyra hverju atómi. Rafeindapar milli atóma tilheyrir báðum og myndar tengið. Rafeindapör sem mynda tengi má tákna með línu milli atómanna. Rafeindapör sem tilheyra öðru atóminu eru ekki hluti af efnatengi milli atómanna og því nonbonding oft talað um stök rafeindapör (lone pair electrons).

9 Samgilt tengi Samgild tengi (covalent bonds) eru efnatengi þar sem frumeindirnar samnýta tvær eða fleiri rafeindir. Af hverju að samnýta rafeindir? stök rafeindapör F F F einfalt samgilt tengi + F 7e - 7e - F F 8e - 8e - Lewis mynd (structure) af F 2 stök rafeindapör stök rafeindapör F F einfalt samgilt tengi stök rafeindapör Lewis myndir af vatnsameindinni. H einfalt tengi + + H H H eða H H 2e - 8e - 2e - Tvítengi (double bond): Tvær frumeindir samnýta tvö rafeindapör (fjórar rafeindir). C eða C 8etvítengi - - 8e - tvítengi Þrítengi (triple bond): Tvær frumeindir samnýta þrjú rafeindapör (sex rafeindir). N N þrítengi 8e - 8e - eða N N þrítengi Jónatengi og samgild tengi Að teikna Lewis myndir sameinda 1. Teiknið grindina af efnasambandinu (hvaða frumeindir tengjast hverjum). Setjið minnst rafneikvæða efnið í miðjuna. 2. Teljið gildisrafeindirnar e -. Bætið einni við fyrir hverja neikvæða hleðslu. Dragið eina frá fyrir hverja jákvæða hleðslu. 3. Teiknið einföld tengi til miðjufrumeindarinnar (hvert einfalt tengi er tvær rafeindir). 4. Merkið inn rafeindir við allar ytri frumeindirnar þannig að þær hafi allar átta rafeindir, oktett reglan. Vetni er undantekning, þar skal ekki bæta við rafeindum. 5. Ef myndin inniheldur of margar rafeindir myndið þá tví- og þrítengi til miðjufrumeindarinnar eins og þörf krefur.

10 Teiknið Lewis myndir af NF 3 (nitrogen trifluoride). Þrep 1 N er ekki eins rafneikvætt og F, setjið N í miðjuna. Þrep 2 Teljið gildisrafeindirnar N = 5 (2s 2 2p 3 ) og F = 7 (2s 2 2p 5 ) 5 + (3 * 7) = 26 gildisrafeindir Þrep 3 Teiknið einföld tengi milli N og F frumeindanna og fyllið upp að átta rafeindum við N og F frumeindirnar. Þrep 4 - Athugið hvort það séu jafn margar rafeindir í myndinni og gildisrafeindirnar sem taldar voru til í upphafi (26). 3 einföld tengi (3 * 2) + 10 stök rafeindapör (10 * 2) = 26 gildisrafeindir. Teiknið Lewis myndir af C 3 2- (carbonate ion). Þrep 1 C er ekki eins rafneikvætt og, setjið C í miðjuna. Þrep 2 Teljið gildisrafeindirnar C = 4(2s 2 2p 2 ) og = 6(2s 2 2p 4 ) +2 hleðsla er 2e - : 4 + (3 * 6) + 2 = 24 gildisrafeindir. Þrep 3 Teiknið einföld tengi milli C og frumeindanna og fyllið upp að átta rafeindum við og F frumeindirnar. Þrep 4 - Athugið hvort það séu jafn margar rafeindir í myndinni og gildisrafeindirnar sem taldar voru til í upphafi (24). 3 einföld tengi (3 * 2) + 10 stök rafeindapör (10 * 2) = 26 gildisrafeindir Þrep 5 - Rafeindirnar eru of margar, myndið tvítengi og teljið aftur. F N F F C 2 einfalt tengi (2 * 2) = 4 1 tvítengi = 4 8 stök rafeindapör (8 * 2) = 16 Total = 24 Hluthleðsla Hluthleðsla frumeindar í efnatengi (formal charge) er munurinn á fjölda gildisrafeinda frumeindarinnar og fjölda rafeinda sem tilheyra frumeindinni í Lewis mynd sameindarinnar. Hluthleðsla og Lewis myndir 1. Lewis myndir óhlaðinna sameinda eru stöðugastar ef hluthleðsla allra frumeinda þeirra er núll. Hluthleðsla frumeindarinnar í Lewis mynd efnatengisins. = = gildisrafeindir frumeindarinnar gildisrafeindir frumeindarinnar - Fjöldi e- utan tengja Fjöldi e - í ( tengjum ) - Fjöldi e- utan tengja - Fjöldi tengja 2. Lewis myndir með háa hluthleðslu eru ólíklegri en þær sem eru með lága hluthleðslu. 3. Ef Lewis myndir hafa svipaða hluthleðsludreifingu þá er sú uppbygging stöðugust þar sem neikvæða (-) hluthleðslan er á rafneikvæðari frumeindinni. Samanlögð hluthleðsla allra frumeinda sameindar (jónar) er jöfn hleðslu sameindarinnar (jónarinnar).

11 Tvær mögulegar uppbyggingar formalíns (CH 2 ). Tvær mögulegar uppbyggingar formalíns (CH 2 ). H C H H C H C 4 e - 6 e - 2H 2 * 1 e - 12 e - 2 einföld tengi (2 * 2) = 4 1 tvítengi = 4 2 stök pör (2 * 2) = 4 Total = 12 H H C Hluthleðsla frumeindarinnar í Lewis mynd efnatengisins. = gildisrafeindir frumeindarinnar - Fjöldi e- utan tengja Fjöldi e - í ( tengjum ) Hvor er líklegri til að vera rétt? Hluthleðsla C = ½ * 6 = -1 Hluthleðsla = ½ * 6 = +1 Tvær mögulegar uppbyggingar formalíns (CH 2 ). H H 0 0 C C 4 e - 6 e - 2H 2 * 1 e - 12 e - 2 einföld tengi (2 * 2) = 4 1 tvítengi = 4 2 stök pör (2 * 2) = 4 Total = 12 Samhljóma mynd (resonance structure) Samhljóma mynd (resonance structure) er ein af tveimur eða fleiri Lewis myndum sameindar sem ekki er hægt að lýsa nægjanlega með einni Lewis mynd Hluthleðsla frumeindarinnar í Lewis mynd efnatengisins. = gildisrafeindir frumeindarinnar - Fjöldi e- utan tengja Fjöldi e - í ( tengjum ) Hvernig eru samhljóma myndir karbónat jónarinnar (C 3 2- )? Hluthleðsla C = ½ * 8 = C C - - C Hluthleðsla = ½ * 4 = 0 - -

12 Samhljóma mynd (resonance structure) Tvær samhljóma myndir Bensens. Sýna tvær jafngildar leiðir til að raða 3 tvítengjum milli 6 kolefnisatóma. Raunveruleg mynd bensens er meðaltal þessara tveggja. Samgilt tengi Atóm geta verið tengd með samnýtingu fleiri en eins rafeindapars. Tvítengi (double bonds) koma til þegar tvö rafeindapör tilheira báðum atómunum sem tengd eru saman. Þrítengi (triple bonds) koma til þegar þrjú rafeindapör tilheyra báðum atómunum sem tengd eru saman. Styrkur samgildra efnatengja eykst þegar fleiri en eitt rafeindapar tilheirir báðum atómum tengisins. Þó er það undantekning er þau eru fleiri en þrjú. Skautuð (samgild) tengi Skautuð tengi (polar bonds), einnig kölluð skautuð samgild tengi (polar covalent bonds), eru samgild tengi þar sem dreifing rafeindanna sem mynda tengið er ekki jöfn. Skautuð (samgild) tengi Skautað HF tengi. Rafneikvæðari flúorinn gerir meira tilkall til rafeindanna og hefur því neikvæða hluthleðslu (partial charge). Rafjákvæðara vetnið gerir minna tilkall til rafeindanna og hefur því jákvæða hluthleðslu (partial charge). rafeindaríkt svæði rafeindafátækt e svæði - fátækt e - ríkur H F H F δ + δ -

13 Rafneikvæðni og skautun tengja Ekki skýr mörk milli jónatengja og samgildra tengja. Rafneikvæðni atómanna er mælikvarði á eðli tengjanna. Rafneikvæðni (electronegativity) er mælikvarði á hversu sterkt atóm draga til sín rafeindir sem tilheyra báðum atómum efnatengis. Rafneikvæðni (electronegativity) hefur ekki skýra eðlisfræðilega þýðingu. Rafneikvæðni (electronegativity) er tengd bæði rafeindasækni og jónunarorku atómanna. Rafneikvæðni (electronegativity) lýsir hæfileika frumeindar í efnatengi til að draga til sín rafeindir tengisins. Rafeindasækni (electron affinity) mælanleg stærð: X (g) + e - X - (g) Cl hefur hæstu rafeindasækni allra frumefna. Rafneikvæðni (electronegativity) afstæð stærð F hefur hæstu rafneikvæðnina. Rafneikvæðni Rafneikvæðni og sætistalan Rafneikvæðni sætistala

14 Skautun efnatengja Skautun tengja Rafeindaþéttleikinn er ekki jafn þegar tvö atóm með mismunandi rafneikvæðni tengjast. Meirihluti rafeindaþéttleikans er á atóminu með hærri rafneikvæðni og sá hluti hefur neikvæða hluthleðslu (negative partial charge) Á sama hátt er rafeindaþéttleikinn minni á atóminu með lægri rafneikvæðni og það atóm hefur jávkæða hluthleðslu (positive partial charge) Ef rafeindadreifingin á sameindinni er ójöfn er hún tvípóll (dipole). Tengi sem liggur samsíða tvípólsvægi er skautað tengi Slík tengi eru kölluð skautuð-samgild tengi þar sem rafeindirnar eru samnýttar að einhverju leyti Því meiri sem rafneikvæðnimunurinn er, því skautaðra er tengið Þegar rafneikvænimunurinn er enginn er tengið sagt vera samgilt. Þegar rafneikvæðnimunurinn er 2,0 eða hærri kallast tengið jónatengi. Jónatengi, samgilt tengi, skautað tengi Skilgreinið eftirfarandi tengi sem jónatengi, skautuð samgild tengi, eða samgild tengi : Tengin í CsCl; tengin í H 2 S; og NN tengið í H 2 NNH 2. Munur á rafneikvæðni Tengi Cs 0,7 Cl 3,0 3,0 0,7 = 2,3 Jónatengi 0 Samgilt tengi 2 Jónatengi 0 < og <2 Skautað samgilt tengi H 2,1 S 2,5 2,5 2,1 = 0,4 Skautað samgilt tengi N 3,0 N 3,0 3,0 3,0 = 0 Samgilt tengi aukin munur á rafneikvæðni Samgilt tengi Samnýting á e - Skautað samgilt tengi Að hluta til flutningur á e - milli frumefna. Jónatengi Flutningur á e - milli frumefna.

15 Skautuð tengi Lögun sameinda Skautuð efni í ígræðslum. Himnur hafa yfirleitt skautuð tengi sem ríkja í víklverkan þeirra við vatn og aðrar sameindir. Efni eins og kísiloxíð sýna sterka víxlverkun við frumuhimnur og skaðað frumur eins og t.d rauð blóðkorn. Lögun sameinda- segir til um hvernig atóm í sameind raða sér í þrívídd. Lögun sameinda hefur mikil áhrif á ýmsa eiginleika þeirra, t.d. hvarfgirni Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) kenningin sameindir hafa lögun þar sem fráhrindikraftar á milli gildisrafeindapara miðatómsins eru í lágmarki Þar er bæði verið að tala um stök rafeindapör (lone paris) og rafeindir í tengjum (bondin electron pairs) Lögun sameinda VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Lögun sameinda má ákvarða með kerfisbundnum hætti: Teiknið Lewis mynd. Teljið fjölda stakra rafeindapara og fjölda frumeinda sem tengjast miðatóminu. Þó frumeind sé tengd með tví- eða þrítengi ber aðeins að telja hana einu sinni. Þar sem engin stök rafeindapör eru til staðar fæst góð ákvörðun á lögun með VSEPR. Þegar um stök rafeindapör er að ræða fæst grunnlögunin með VSEPR en beit þarf innsæi til að ákvarða rétta lögun. Fráhrindikraftar milli tveggja stakra rafeindapara Fráhrindikraftar milli > staks rafeindapars og > rafeindapars í tengi Fráhrindikraftar milli tveggja rafeindapara í tengjum

16 VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Flokkur Fjöldi frumeinda sem tengjast miðjufrumeind Fjöldi stakra rafeindapara á miðjufrumeind AB línulegt línulegt AB einflötungur einflötungur AB fjórflötungur fjórflötungur AB Fyrirkomulag rafeindaparanna tvípíramíði Lögun sameindarinnar tvípíramíði VSEPR Valence shell electron pair repulsion : línulegt einflötungur AB áttflötungur áttflötungur fjórflötungur VSEPR Valence shell electron pair repulsion : VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Flokkur Fjöldi frumeinda sem tengjast miðjufrumeind Fjöldi stakra rafeindapara á miðjufrumeind Fyrirkomulag rafeindaparanna Lögun sameindarinnar AB einflötungur einflötungur tvípíramíði AB 2 E 2 1 einflötungur bogið áttflötungur

17 VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Flokkur Fjöldi frumeinda sem tengjast miðjufrumeind Fjöldi stakra rafeindapara á miðjufrumeind Fyrirkomulag rafeindaparanna AB fjórflötungur fjórflötungur AB 3 E 3 1 fjórflötungur Lögun sameindarinnar píramíði AB 2 E fjórflötungur bogið H H VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Flokkur Fjöldi frumeinda sem tengjast miðjufrumeind Fjöldi stakra rafeindapara á miðjufrumeind AB AB 4 E 4 1 AB 3 E AB 2 E Fyrirkomulag rafeindaparanna tvípíramíði tvípíramíði tvípíramíði tvípíramíði Lögun sameindarinnar tvípíramíði skekktur fjórflötungur T-laga línuleg I I I VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Lögun sameinda Flokkur Fjöldi frumeinda sem tengjast miðjufrumeind Fjöldi stakra rafeindapara á miðjufrumeind Fyrirkomulag rafeindaparanna Lögun sameindarinnar AB áttflötungur áttflötungur AB 5 E 5 1 áttflötungur AB 4 E áttflötungur ferhyrndur píramíði ferhyrndur einflötungur BF 3 BF 2 Þríhyrntur einflötungur Bogið F F F Xe F CH 4 Fjórflötungur

18 Lögun sameinda Lögun sameinda NH 3 Þríhyrntur píramíði I 3 Skekktur fjórflötungur H 2 Bogið ClF 3 T-laga PCl 5 Þríhyrntur tvípíramíði I 3 Línulegt SF 6 Áttflötungur Lögun sameinda Spáð fyrir um uppbyggingu sameindanna BrF 5 XeF 4 Ferhyrntur píramíði Ferhyrntur einflötungur 1. Teiknið Lewis mynd (structure) af sameindinni. 2. Teljið fjölda stakra -rafeindapara á miðjufrumeindinni og fjölda frumeinda tengdum miðjufrumeindinni. 3. Notið VSEPR til að spá fyrir um uppbyggingu sameindanna. Hver er uppbygging S 2 og SF 4? IF 3 T-Laga S F AB 4 E I 3 Linulegt AB 2 E bogið F S F F skekktur fjórflötungur

19 Skörun svigrúma og tengi Skörun svigrúma og tengi Lewis myndir gefa ákveðna mynd af efnatengjum í sameindum, en segja ekkert til um það hvernig tengin er mynduð Rafeindir má hugsa sem bylgjur Þegar tvær bylgjur mætast verður samliðun á milli þeirra Styrkjandi (constructive) og eyðandi (destructive) víxlverkanir eru mögulegar Bylgjuvíxlverkun sýnd með tveimur sínus-bylgjum Ef bylgjurnar tvær eru í fasa verður styrkjandi víxlverkun og útslagið tvöfaldast Ef bylgjurnar eru úr fasa verður eyðandi víxlverkun og bylgjurnar þurrka hvor aðra út Skörun svigrúma og tengi Skörun svigrúma og tengi Efnatengi myndast vegna styrkjandi víxlverkunar rafeindabylgjufalla Til að víxlverkun eigi sér stað þurfa rafeindabylgjuföllin að skarast (í rúmi) Gildisrafeindahvolf eins atóms þurfa að vera rétt staðsett m.v. gildisrafeindahvolf annars atóms til að víxlverkun geti átt sér stað. Gildistengjakenningin (valence bond orbitals)- öll efnatengi eru tilkomin vegna skörunar atómsvigrúma. Í H 2, hefur hvort H atóm eina gildisrafeind í 1s svigrúmi. 1s svigrúmin skarast og mynda samgilt tengi. s svigrúm eru kúlulaga og því skiptir rúmfræðileg afstaða ekki máli.

20 Skörun svigrúma og tengi Gildistengjakenningin (Valence bond theory) og NH 3 Skörun 1s svigrúma hjá tveimur vetnisfrumeindum Efri mynd: Skörun sýnd með því að teikna bylgjufall tveggja 1s svigrúma Neðri mynd: Blái liturinn táknar rafeindaþéttleika N 1s 2 2s 2 2p 3 3 H 1s 1 Ef tengin í NH 3 myndast við skörun þriggja 3 2p svigrúma köfnunarefnisins við 1s svigrúm hverrar vetnisfrumeindar Hver væri þá formgerð NH 3? Notkun þriggja 2p svigrúma leiðir til 90 0 horns milli vetnisfrumeindanna Hornið H-N-H Mælist 107,3 0 Blöndun svigrúma Blöndun tveggja eða fleiri frumeindasvigrúma myndar nýtt sett blandaðra svigrúma (hybridization) 1. Minnst tveimur ójafngildum frumeindasvigrúmum er blandað saman (t.d. s og p). Blönduðu svigrúmin hafa aðra lögun en upprunalegu svigrúmin. 2. Tala blandaðra svigrúma er sú sama og tala þeirra svigrúma er blandað var saman. 3. Samgild tengi eru mynduð við skörun svigrúma: a. Skörun blandaðra svigrúma og upprunalegra frumeindasvigrúma. b. Skörun tveggja blandaðra frumeindasvigrúma sp 3 blöndun (sp 3 hybridization)

21 Myndun samgildra tengja sp 3 blöndun köfnunarefnis svigrúmanna í NH 3 hvað er hornið gleitt sp blöndun svigrúmanna (sp hybridization) sp 2 blöndun svigrúmanna (sp 2 hybridization)

22 Hver er blöndun svigrúma miðjufrumeindarinnar í efnatengjum? Fjöldi stakra rafeindapara og tengja miðjufrumeindarinnar seigir til um blöndunina # stök rafeindapör + # tengdra frumeinda Blöndun Dæmi sp 2 blöndun kolefnis svigrúmanna (C). Rafeindaskipan grunn ástands kolefnis 2 3 Línulegt einflötungur sp sp 2 BeCl 2 BF 3 Rafeindaskipan örvaðs ástands kolefnis 4 Fjórflötungur sp 3 CH 4, NH 3, H 2 5 tvípíramíði sp 3 d PCl 5 Rafeindaskipan sp 2 blöndunar 6 Áttflötungur sp 3 d 2 SF 6 2p z svigrúmið er hornrétt á þríhyrnda einflötunginn sem myndast við sp 2 blöndunina Tvítengi (Etýlen) Sigmatengi Pí (π) (σ) rafeinda rafeinda þéttleikinn þéttleikinn er mestur er mestur yfir og milli undir atómanna þeim fleti sem kjarnarnar tengisins eru í.

23 Tvítengi (Etýlen) sp blöndun köfnunarefnis svigrúmanna (C). Rafeindaskipan grunn ástands kolefnis Rafeindaskipan örvaðs ástands kolefnis Rafeindaskipan sp blöndunar þrítengi (Asetýlen) Sigma (σ) og Pí (π) tengi Einföld tengi Tvítengi 1 sigma tengi 1 sigma tengi 1 pí tengi þrítengi 1 sigma tengi og 2 pí tengi Hve mörg σ og π tengi eru í ediksýru sameindinni CH 3 CH? H H C C H σ tengi = = 7 π tengi = 1 H

24 Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Tengjandi og andtengjandi sameindasvigrúma vetnis (H 2 ). Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Tengi eru mynduð þar sem samspil (skörun) frumeindasvigrúma myndar Sameindasvigrúms. rka Frumeind Sameind Frumeind Eyðandi víxl Styrkjandi víxl Andtengjandi (σ) sameindar svigrúm Tengjandi (σ) sameindar svigrúm Tengjandi sameindasvigrúm hefur lægri orku (er stöðugra) en frumeindasvigrúmin sem það var myndað úr. Andtengjandi sameindasvigrúm hefur hærri orku (er óstöðugra) en frumeindasvigrúmin sem það var myndað úr. Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Sameind Andtengjandi sameindasvigrúm Mismunandi víxlverkan tveggja p svigrúma og sameindasvigrúmin sem myndast. Sameind Eyðandi víxl Andtengjandi (σ ) sameindar svigrúm Frumeind Frumeind Frumeindasvigrúm rka Frumeind Frumeind Styrkjandi víxl Tengjandi (σ) sameindar svigrúm rka Tengjandi sameindasvigrúm Andtengjandi sameindasvigrúm rka Frumeind Sameind Frumeind Eyðandi víxl Andtengjandi (π ) sameindar svigrúm Frumeindasvigrúm Tengjandi sameindasvigrúm Styrkjandi víxl Tengjandi (π) sameindar svigrúm

25 Afstaða sameindasvigrúma, M (molecular orbital) Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) 1. Fjöldi sameindasvigrúma (Ms) sem myndast er alltaf sá sami og fjöldi þeirra frumeindasvigrúma sem tengjast. 2. Því stöðugri sem tengjandi sameindasvigrúmin eru sem myndast við samspil tveggja frumeindasvigrúma, því óstöðugri eru andtengjandi sameindasvigrúmin sem myndast. 3. Rafeindir raðast fyrst í orkulægstu sameindasvigrúmin. 4. Hvert sameindasvigrúmin rúmar tvær rafeindir. 5. Hund s reglan gildir þegar rafeindum er raðað í sameindasvigrúm sem hafa sömu orku. 6. Fjöldi rafeinda í sameindasvigrúmunum er sá sami og samanlagður fjöldi allra rafeinda frumeindanna sem tengjast. Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Dreifð sameindasvigrúm (delocalized molecular orbitals) eru ekki föst milli tveggja nágranna frumeinda. Þau eru þrjú eða fleiri samanliggjandi frumeindir. Rafeindaþéttleiki bensens fyrir ofan og neðan flötinn sem sameindin liggur í. Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Bensen

26 Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Tengi karbónat jónarinnar Buckminster fulleren Lögun sameinda Fyrir vínylalkóhól hefur hvort kolefni sp 2 svigrúmablöndun Hvort um sig hefur því þríhyrnda flata lögun Myndun pí tengja (tvítengja) gerir lögunina flata.