Химийн холбоо (I) Химийн холбооны тухай ойлголт, химийн холбооны үндсэн параметрүүд Химийн холбооны ангилал

Transcript

1 CHEM101: Органик биш хими I Ëåêö ¹ 6 Химийн холбоо (I) Химийн холбооны тухай ойлголт, химийн холбооны үндсэн параметрүүд Химийн холбооны ангилал Ионы холбоо Ковалент холбоо Металлын холбоо Xимийн холбооны мөн чанарыг тайлбарлах оролдлого, онолууд 1

2 БОДИСЫН ШИНЖ ЧАНАР ТҮҮНИЙГ БҮТЭЭСЭН АТОМЫН ШИНЖ ЧАНАРААС ХАМААРНА Атомын дараах шинж чанар химийн элементийн төрх байдлыг тодорхойлогч болно Атомын электронт бүтэц Химийн холбоонд оролцох боломжтой орбиталын тоо болон электроны тоог тодорхойлно Атомын радиус дан бодисын хувьд 2 атомын цөмүүдийн хоорондох зайн хагасаар илэрхийлэгдэх бөгөөд химийн нэгдлийн бүтцийг тайлбарлах боломж олгоно. Ионжилтын энерги Цахилгаан сөрөг чанар

3 Цахилгаан сөрөг чанарын зөрөө Холбооны туйлшрал Молекулын туйлшрал ИХ БАГА БАЙХГҮЙ Молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүч Бодисын физик шиж чанар Бодисын химийн шинж чанар Ионы холбоо Туйлт ковалент холбоо Туйлгүй ковалент Холбоо Металлын холбоо 3

4 ХИМИЙН ХОЛБОО АТОМУУДЫГ ХООРОНД НЬ ХОЛБОЖ молекул, ион, радикал, талст зэрэг химийн нарийн нийлмэл бүтцийг үүсгэж БАЙГАА ХҮЧ. Химийн холбооны мөн чанар : химийн нэгдэл олон янз байх шалтгаан химийн бодисын найрлага, бүтэц урвалд орох чадвар (химийн идэвх) зэргийг тодорхойлж өгнө 4

5 ÕÈÌÈÉÍ ÕÎËÁÎÎÍÛ ÀÍÃÈËÀË Атомуудын хооронд үүсэх холбоо Ковалентын Ионы Металлы Холбооны шинж чанар холбоо үүсгэгч цөмүүдийн хооронд электрон хэрхэн хувиарлагдсанаас хамаарна Тухайн элементийн үүсгэх холбооны тоо элементийн валент чанар -т захирагдана. Молекулын хооронд үүсэх холбоо Устөрөгчийн Донор-акцепторын холбоо Ван-дер-Ваальсийн хүч Холбооны шинж чанар нь холбоо үүсгэгч молекул, нийлмэл ион, радикал зэргийн хооронд болон тэдгээрийн дотоодод электрон хэрхэн хувиарлагдсанаас хамаарна Тухайн элементийн үүсгэх холбооны тоо түүний валент чанар - т захирагдахгүй 5

6 Олон атом Олон атом Олон атом Олон ион Олон электрон Олон ион Олон молекул А. Ионы холбоо Б. Ковалент холбоо В.Металлын холбоо 6

7 Атомуудын хооронд үүсэх химийн холбооны төрх

8 Химийн элементийн цахилгаан сөрөг чанар 8

9 Атомуудын хооронд үүсэх химийн холбооны төрх ÖÑЧ -ûí çºðºº, Õîëáîîíû òºðõ Жишээ ÖÑЧ ÖÑЧ > 2.5 Èîíû õîëáîîíû òºðõòýé MgF 2, 2.8 CsCl 2, 2.5 ÖÑЧ = Èë èîíû õîëáîîíû òºðõòýé NaCl, 2.1 CaCl 2, 2.0 ÖÑЧ = Òóéëò êîâàëåíò õîëáîîíû òºðõòýé H 2 O, 1.4 CO 2, 1.0 ÖÑЧ <0.4 Èë êîâàëåíò õîëáîîíû òºðõòýé NH 3, 0.9 CH 4, 0.4 ÖÑЧ = 0 Òóéëã é êîâàëåíò õîëáîîíû F 2, N 2 òºðõòýé S 8, H 2 O 2, Br 2 9

10 Õèìèéí õîëáîîíû íäñýí ïàðàìåòð ä ( ç ëýëò ä) Õîëáîîíû ïàðàìåòð Òýìäýãëýý Íýãæ 1. Õîëáîîíû ýíåðãè Å õîëá = Å çàäàðë / êæ/ìîëü n холб 2. Õîëáîîíû óðò l õîëá 1íì = 10-7 ñì 3. Õîëáîîíû ºíöºã ãðàäóñ 4. Õàòàí чàíàð (õ чíèé òîãòìîë) 5. Òóéëøðàë Ê µ Í/íì Êë 10

11 1. Хèìèéí õîëáîîíû ýíåðãè (E): Хîëáîî ñãýã àòîìóóäûã õÿçãààðã é õîë çàéä àâàà èõàä çàðöóóëàõ ýíåðãè Õî ð àòîìò ìîëåêóëûí õóâüä ìîëåêóëûí çàäðàëûí ýíåðãèéã õîëáîîíû ýíåðãè ãýíý. H 2 = 2H áóþó H H H + H E H-H = 453 êæ/ìîëü N 2 = 2N áóþó N N N + N E N N = 940 êæ/ìîëü Íýãýí èæèë õîëáîî á õèé îëîí àòîìò ìîëåêóëûí õóâüä çàäðàëûí ýíåðãèéí äóíäà èéã õîëáîîíû ýíåðãè ãýíý. Óñíû ìîëåêóëûí çàäðàëûí ýíåðãè 924 êæ/ìîëü ãýâýë, H 2 O 2H + O E O-H = 924 /2 = 462 êæ/ìîëü Ìåòàíû ìîëåêóëûí çàäðàëûí ýíåðãè 1647 êæ/ìîëü áîë, CH 4 C + 4H E C-H = 1647 /4 = êæ/ìîëü

12 Òàëñò á òýöòýé íýãäëèéí õóâüä õèìèéí õîëáîîñûí ýíåðãè íü òàëñò á òýö ãîìîëèò (ñààðìàã àòîì ñãýí çàäðàõ) çàäðàëä îðæ áàéíà óó, ãåòåðîëèò (èîí ñãýí çàäðàõ) çàäðàëä îðæ áàéíà óó ãýäãýýñ õàìààðàí õàðèëöàí àäèëã é áàéíà. Ãîìîëèò çàäðàëûí ýíåðãèéã òàëñ íýãäëèéí àòîì ëîõ ýíåðãè, ãåòåðîëèò çàäðàëûí ýíåðãèéã òàëñò òîðûí ýíåðãè ãýæ íýðëýíý. NaCl (õàò) = Na (õèé) + Cl (õèé) NaCl (õàò) = Na + (õèé) + Cl - (õèé) E àòîìч-õ = 644 êæ/ìîëü E òàëñò òîð = 778 êæ/ìîëü

13 2. Õîëáîîíû óðò (l) : Õîëáîî ñãýã àòîìóóäûí öºì äèéí õîîðîíäîõ çàé

14 3. Õîëáîîíû ºíöºã: Õîëáîî ñãýæ áóé àòîìóóäûí öºìèéã äàéðóóëàí òàòñàí øóëóóíû õîîðîíäîõ ºíöºã (öºì äèéã õîëáîõîä ñýõ ñàíààíû øóëóóíààð ñýõ ºíöºã) Cl Be Cl O C O

15 4. Õàòàí àíàð: Õîëáîãäîæ áóé õî ð àòîìûã õîëáîîñûí øóãàìûí äàãóó 1íì çàéä øèëæ ëýõýä çàðöóóëàãäàõ õ Õîëáîîíû õàòàí чàíàðûã илэрхийлдэг õ чíèé òîãòëîë (k) -ыг òóõàéí õîëáîîíû õóâèéí õýëáýëçëýëèéí äàâòàìæèéã ºäººõºä øààðäëàãàòàé ýíåðãýýð хýìæèíý. ìîëåêóëûí ñïåêòð òóõàéëáàë, èíôðà óëààí, ñàðíèëûí, ðåçîíàíñûí ñïåêòðèéã õýìæèõ çàìààð õ чíèé òîãòìîëûã òîäîðõîéëнî k 4 2 c 2 2 M ω - äîëãèîíû òîî, ñ- ãýðëèéí õóðä, Ì ìîëèéí ìàññ Õîëáîîíû òîî Ñ-Ñ C=C C C C-O C=O C Î Õ чíèé òîãòìîë

16 5. Õîëáîîíû òóéëò àíàð : Õàðèëöàí éë èëæ áàéãàà àòîìóóäûí öàõèëãààí ñºðºã àíàðûí çºðººíººñ õàìààð атомууд дээр илрэх ýåðýã áà ñºðºã öýíýãèéí òºâ ä ÄÈÏÎËЬ: Òîäîðõîé çàéä (l) àëñëàãäñàí +δ, -δ ãýñýí òýíö òîîíû öýíýãèéí òºâ ä á õèé òîãòîëöîî (òóéëò ìîëåêóë) Äèïîëèéí öýíãèéí òàòàëöëûí õ íèé òºâ ä õîëáîî ñãýã àòîìóóäûí öºìèéí öýíýãèéí òºâòýé äàâõöàхг é äèïîëèéí óðò õîëáîîíû óðòààñ ÿìàãò áîãèíî áàéíà. Õèìèéí õîëáîî áîëîí ìîåêóëûí òóéëøðàëûã äèïîëèéí öàõèëãààí ìîìåíò (μ) ãýñýí õýìæèãäýõ íýýð òîäîðõîéëîäîã. μ = l (+δ) (-δ) = l δ Äèïîëèéí ìîìåíò ýåðýã òóéëààñ ñºðºã òóéë òèéø èãëýñýí âåêòîð õýìæèãäýõ í. Õèìèéí íýãäëèéí äèïîëèéí öàõèëãààí ìîìåíòèéã òóõàéí íýãäýë äýõ õèìèéí õîëáîîíû äèïîëèéí öàõèëãààí ìîìåíòèéí âåêòîð íèéëáýðýýð èëýðõèéëíý.

17 Ñèììåòð á òýöòýé ìîëåêóëûí õóâüä химийн холбоо туйлтай байсан ч õèìèéí õîëáîîíû âåêòîð õýìæèãäýõ íèé íèéëáýð òýã áîëîõ òóë ìîëåêóë á õýëäýý òóéëã é áàéíà. CO O = C = O = 0 H 2 O Ñèììåòð áèø á òýöòýé ìîëåêóëûí òóéëøðàë õèìèéí õîëáîîíû òóéëøðàëààñ ýðñ ÿëãààòàé áàéõûí çýðýãöýý õèìèéí õîëáîîíû îðîí çàéí èãëýëýýñ õàìààðíà H.. 2δ-.. O δ+ δ+ H µ = Êë BF 3 F F B = 0 F CO 2 δ+.. N 3δ- H H H δ+ δ+ µ = Êë 17

18 Исэлдэхүйн хэм: Химийн холбоо үүсгэхэд тухайн элементийн ; атомаас оруулах электроны хувь нэмрийг, элементийн ; цахилгаан сөрөг чанар (ЦСЧ) -ыг үндэслэн эерэг болон ; сөрөг тэмдэгт бүхэл тоогоор илэрхийлсэн тэмдэглээ Исэлдэхүйн хэмийн тоон утга химийн холбооны туйлшралд огт хамааралгүй, тодорхой физик утга илэрхийлэxгүй. Исэлдэхүйн хэмийг химийн урвалын дүнд шилжих электроны шилжилтийг тооцоолоход өргөн ашиглана. Элементийн исэлдэхүйн хэмийг химийн тэмдгийн дээд талд араб бүхэл тоогоор тэмдэглэнэ. Эерэг болон сөрөг тэмдгийг араб тооны өмнө бичнэ H2 S S O 2 Na2 (SO4 ) Усан уусмалд чөлөтэй орших боломжтой ионы цэнэгийг исэлдэхүйн хэмээс ялгахын тулд араб тооны ард цэнэгийг илэрхийлэх нэмэх ба хасах тэмдгийг тавьсан байна. Cl 1-, (PO 4 ) 3-, (H 3 O) 1+, 6 2 (SO 4 ) 2 18

19 ХИМИЙН ХОЛБООНЫ МӨН ЧАНАРЫГ ТАЙЛБАРЛАХ ОРОЛДЛОГО, ОНОЛУУД 19

20 1812 он: Eртөнц дахины таталцлын хүчний онол. Франц. физ. Бертло Атомын радиусаар эрс ялгаатай атомуудын хооронд үүсэх химийн холбоог тайлбарлахад ертөнц дахины таталцлын хүч адилтгалын түвшинд хүрэлцэж байсан (таталцлын хүч химийн холбооны хүчээс дахин их) А зайд үйлчлэх химийн холбооны мөн чанарыг илрүүлэх, H 2o, O 2 o зэрэг ижил цөмт атомуудын хооронд холбоо үүсэх шалтгааныг тайлбарлах боломжгүй îí: Цàõèëãààí õèìèéí îíîë. Шâåäèéí õèìèч Áåðöåëëèóñ Эëåìåíò ä íýìýõ õàñàõ öýíýãò ýãýë õýñã äèéã ñãýí òýäãýýðèéí õàðèëöàí òàòàëöëûí ä íä õèìèéí õîëáîî ñíэ. Ýëåêòðîí íýãä ëýõ чàäâàðààð ýðñ ÿëãààòàé ýëåìåíò äèéí ñãýõ çàðèì òàëñò íýãäë ä (NaCI, ÊÑl ) -èéí õóâüä õîëáîî ñýõ øàëòãààíûã òàéëáàðëàсан èæèë öºìò àòîìóóäûí õîîðîíä ñýõ õîëáîîã òàéëáàðëàõ áàéñàí. áîëîìæã é 20

21 1853 îí: Aíãëèéí õèìèч Ôðàíêëåíä âàëåíò чàíàð ãýñýí óõàãäàõóóíûã õèìèä îðóóëæ, õèìèéí õîëáîîã òàéëáàðëàõ îðîëäëîãо õèéñýí. Âàëåíò чàíàð: òóõàéí àòîìûí õîëáîî ñãýõ чàäâàð Ýëåìåíò á ð тодорхой тогтмол õîëáîî ñãýõ чàäâàð = холбоо ñãýõ òîî õýìæýý = валент чанартай Жишээ нь: àçîòûí àòîìын холбоо ñãýõ чàäâàð = âàëåíò чàíàð = 3 Үүсгэх дан ба нийлмэл бодисууд: N N, O = O O = N N = O 1861 îí: Бîäèñûí á òöèéí îíîë: Oðîñûí ýðäýìòýí À.Ì.Áóòëåðîâ Ìîëåêóë äàõ àòîìóóä âàëåíò чàíàðòàéãàà íèéöýõ õàòóó òîãòñîí òîî õýìæýýãýýð, òîäîðõîé äýñ äàðààëëààð áèå áèåòýéãýý íýãäýíý Æèøýý íü: CH 3 -O-CH 3 C 2 H 6 O CH 3 -CH 2 -OH Бодисын бүтцийн онол õèìèéí õîëáîîíû õ ч, õîëáîî ñýõ ìåõíèçìûí òàëààðõ çîõèõ òàéëáàð ºãч чàäààã é. 21

22 1915 îí: Kîâàëåíò õîëáîîíû îíîë. Aìåðêèéí õèìèч Ã.Í. Ëüþñ Àòîìûí ãàäààä ýëåêòðîí äàâõðààí äàõü ýëåêòðîíû òîî èíåðòèéí õèéí áàéãóóëàìæòàé áîëîõûí òóëä ººð àòîìûí ñîíäãîé ýëåêòðîíûã ººðòºº íýãä ëýí äóíäûí õîñ ýëåêòðîí ñãýõ çàìààð õèìèéí õîëáîî ñíý Õèìèéí ýëåìåíòèéí âàëåíòûí ýëåêòðîíûã öýãýýð òýìäýãëýсэí Xèìèéí õîëáîî ñýõ ìåõàíèçìûã òàéëáàðëàõ öýãèéí òîìü î çîõèîcîн Kîâàëåíò õîëáîîíû çàãâàðûã áîëîâñðóóëñàí. Æèøýý íü : 22

23 1916 îí: Иîíû õîëáîîíû îíîë. Аìåðêèéí õèìèч Êîññåëü Ýëåêòðîí íýãä ëýõ чàäâàðààð ýðñ ÿëãààòàé ýëåìåíòèéí àòîìóóäûí õîîðîíä ýëåêòðîí øèëæèõ çàìààð èîíóóä ñýí òýäãýýðèéí òàòàëöëûí ä íä èîíò á òýöòýé òàëñò íýãäë ä ñíý. Ýëåìåíò äèéí ýëåêòðîí àâàõ áà àëäàõ çàìààð õîëáîî ñýõ åä òóõàéí àòîìûí ãàäààä ýëåêòðîí äàâõðàà 8 ýëåêòðîíòîé ìýò áîëñîí áàéíà = îêòåòûí ä ðýì гэнэ Æèøýý íü; 23

24 КВАНТ МЕХАНИКИЙН ОНОЛ ààä îíû åýñ ìîëåêóëûí òîãòîëöîîíä Øðåäèíãåðèéí òýãøèòãýëèéã áîäîõ àæèë ýðчèìòýé ÿâàãäñàí 1927 îíä Ãåðìàíû ýðäýìòýí Ãåéòëåðü Ëîíäîí íàð õî ð öºì, íýã ýëåêòðîíîîñ òîãòñîí óñòºðºãчèéí ìîëåêóë èîí ( Н 2+ ) íû êâàíò ìåõàíèêèéí òîîöîî õèéñýí. Øðåäèíãåðèéí òýãøèòãýëèéí øèéäèéí óòãûã îéðîëöîîëîí òîîöîîëîõ àðãûã íäýñëýí áóñàä ìîëåêóëä õýðýãëýõ êâàíò ìåõàíèêèéí аðãóóä áîëîâñрогдсон. Ковалентын холбооны шинж чанарыг тайлбарлах Âàëåíòûí õîëáîîíû онол (ÂÕO = BXA) Ìîëåêóëûí îðáèòàëûí онол (MOO = ÌÎÀ) Kîìïëåêñ íýãäëèéí á òöèéã òàéëáàðëàõ Òàëñòûí îðíû îíîë (ÒÎÎ), Måòàëëûí õîëáîîã òàéëáàðëàõ Á ñ(çîí)-èéí îíîë (ÁÎ) áîëîâñðîãäñîí. 24

25 Химийн холбоог тайлбарлах квант механикийн тайлбар Õèìèéí õîëáîî ñýõ áîëîìæ öºì äèéí éëчëýëèéí îðîí çàéä ýëåêòðîíû îðøèõ ìàãàäëàëаар òîäîðõîéëîãäîíî Хèìèéí õîëáîî ñýõûí òóëä, Хîëáîî ñãýõ àòîìóóä áîëîìæèò õýìæýýíä îéðòñîí áàéõ Шèíýýð ññýí òîãòîëöîî (õîëáîãäñîí æèæèã õýñãүүд) - íû íèéëáýð ýíåðãè áóóðñàí áàéõ Холбоо үүсгэгч цөмүүд хоорондын орон зайд (электрон орших магдлалд) ядаж нэг электрон байршсан байх Хоёр электроны хувьд эсрэг спинтэй байх 25

26 2 2 N ( ) 2 2 A 2 B A B Ψ А +.. цөм цөм - r, íì N ( B ) A зангилаа Ψ В цөм цөм r, íì N ( B ) A Ψ А Ψ В 2 A B 2 A 2 B N ( ) N ( ) 2 A B 26

27 МÎËÅÊÓËÛÍ ÎÐÁÈÒÀË: Химийн холбоо үүсгэгч, öºì äèéí éë ëýë èëðýõ îðîí çàéä ýëåêòðîí оðøèõ ìàãäëàë Молекулын орбиталыг õî ð àíãèëíà. 1. Цºì ä õîîðîíäûí îðîí çàé дахь электрон орших магдлал Энэ магдлалд áàéðøèõ ýëåêòðîíû öºìäºº òàòàãäàõ õ íü öºì äèéã õîëáîõ ðýã ã éöýòãýх тул öºì ä õàìãèéí áàãà çàéä îéðòîí õèìèéí õîëáîî ñíý. Öºì ä õîîðîíäûí îðîí çàéã õîëáîõóé ìóæ = холбогч орбитал ãýíý. 2. Цºì õîîðîíäûí эсрэг îðîí çàéä электрон орших магдлал Ýíý магдлалд áàéðøèõ ýëåêòðîíû öºìä äýä òàòàãäàõ õ эсрэг ç ãò èãëýñýíýýñ öºì äèéí ò ëõýëöëèéí õ èéã сааруулах боломжгүй болох тул õèìèéí õîëáîî ñýõã é. Цөм хоорондын эсрэг îðîí çàéã ñèèéðýæ ëýõ é ìóæ = сийрэгжүүлэгч (үл холбогч ) орбитал ãýíý 27

28 Е ñèèéðýæ ëýõ é ìóæ õîëáîõóé ìóæ

29 Òîãòîëöîîíû á òýí ýíåðãè (E), êóëîíû (K) áîëîí ñîëèëöëûí (O) èíòåãðàëûí íèéëáýðýýð òîäîðõîéëîãäîíî. ( K O) E 2 1 Äàâõöëûí èíòåãðàë (π) - àòîìóóäûí äîëãèîíû ôóíêöèéí äàâõöëûí çýðãèéã çààõ áºãººä òýãýýñ íýã õ ðòýë óòãà àâäàã. Êóëîíû èíòåãðàë (K) - öýíýãò æèæèã õýñã äèéí öàõèëãààí ñòàòèê õàðèëöàí үéëчëýëèéã èëýðõèéëíý. Ñîëèëöëûí èíòåãðàë (O) - ñºðºã óòãàòàé áºãººä ýëåêòðîí áà öºì äèéí õàðèëöàí éëчëýëèéã òîäîðõîéëíî. Ýëåêòðîíû íÿãòðàëààñ ñîëèëöëûí èíòåãðàë èõñýн ñèñòåìèéí ýíåðãè áóóðíà. Öºìèéí ò ëõýëöëýýñ ñèñòåìèéí ýíåðãè èõñýíý. Õèìèéí õîëáîîã êâàíò ìåõàíèêèéí äíýýñ àâч çâýë, Ìîëåêóë, íèéëìýë èîí, òàëñò çýðýã õèìèéí õîëáîî ñãýæ áóé òîãòîëöîîíû á òýí ýíåðãè хамгийн минимум утгандаа байх үеийн эëåêòðîí ëíèé давхцалаар үүсэх цөмүүдийг холбох õ ч. 29

30 Химийн холбооны шинж чанар ба химийн бодисын шинж чанарын холбоо Химийн холбооны шинж Бодисын шинж, чанар Шинж чанарыг тайлбарлах онолууд Холбооны чиглэлт чанар (атомын орбиталын эрлиизжилт) Молекулын геометр бүтэц Хобооны бүхэл чанар (батжил) Молекулын химийн шинж чанар (,, - холбоо, дан, давхар холбоо, үл ВХО байршсан холбоо) Холбооны туйлт чанар (атомын ХЦСЧ) Хобооны ханасан чанар (Валентын орбитал, алентын электрон) Молекулын диполь Туйлтай, туйлгүй молекул Молекул болон нийлмэл ионы тогтмол найрлага, бүтэц Холбооны эрэмбэ [(n холб n сийр )/2] Молекулын химийн шинж чанар Молекулын ионжилтын энерги Молекулын өнгө МОА Молекулын соронзон шинж0 Бодисын цахилгаан, дулаан дамжуулах шинж Бодисын деформацлагдах шинж Бодисын агрегат төлөв байдал Металлын ХО Ионы ХО Ван-дер-Ваальсын хүч Устөрөгчийн ХО 30

31 Лекцийн бие даалт 6 Асуулт даалгавар: Үелэх тогтолцооны II үеийн элементүүдийн үүсгэх дан бодис болон химийн нэгдлүүдийн холбооны төрх (металын, ионы, ковалентын холбооны алин болох), холбооны шинж чанар (холбооны энерги, урт, өнцөг, туйлшрал ) үеийн дагуу хэрхэн өөрчлөгдөхийг тодорхой жишээгээр харьцуулан тайлбарлана уу? Холбогдох материал: [1] ийн 5 р бүлэг [5-6] - ийн Химийн холбоо гэсэн дэд сэдэв 31