11 ο Μάθηµα: Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 12 ο Μάθηµα: Αντιδράσεις προσθήκης Αντιδράσεις απόσπασης 13 ο Μάθηµα: Αντιδράσεις υποκατάστασης Πολυµερισµός 14 ο Μάθηµα: Αντιδράσεις οξείδωσης - αναγωγής Αντιδράσεις οξέων - βάσεων 15 ο Μάθηµα: Αλογονοφορµική αντίδραση Ταυτοποίηση - ιάκριση
Αν ν = 0, ο τύπος C ν Η 2ν+1 µπορεί να συµπεριλάβει και το Η
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 257. 11 o Θεωρία δεσµού σθένους Υβριδισµός Α. ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ Θεωρία δεσµού σθένους: Οι κυριότερες κβαντοµηχανικές θεωρίες περιγραφής του οµοιοπολικού δεσµού είναι: Θεωρία των µοριακών τροχιακών Θεωρία δεσµού σθένους Θεωρία των µοριακών τροχιακών: Τα βασικά σηµεία της θεωρίας των µοριακών τροχιακών είναι: α. Τα µοριακά τροχιακά προκύπτουν µε συνδυασµό ατοµικών τροχιακών. Όσα ατοµικά τροχιακά συνδυάζονται, τόσα µοριακά τροχιακά προκύπτουν. β. Τα µοριακά τροχιακά περιγράφουν τις περιοχές του χώρου σε ένα µόριο, όπου υπάρχει µεγάλη πιθανότητα να βραθεί το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Τα µοριακά τροχιακά περιβάλλουν δύο ή περισσότερους πυρήνες, σε αντίθεση µε τα ατοµικά τροχιακά που περιβάλλουν µόνον ένα. γ. Τα µοριακά τροχιακά έχουν ορισµένο σχήµα, µέγεθος και ενεργειακό επίπεδο. δ. Υπάρχουν δύο είδη µοριακών τροχιακών, τα δεσµικά που έχουν χαµηλή ενέργεια και τα αντιδεσµικά που έχουν υψηλή ενέργεια. Με τη θεωρία των µοριακών τροχιακών δεν θα ασχοληθούµε στο συγκεκριµένο βιβλίο. Θεωρία δεσµού σθένους: Τα βασικά σηµεία της θεωρίας δεσµού σθένους είναι: α. Κατά το σχηµατισµό οµοιοπολικού δεσµού ανάµεσα σε δύο άτοµα, γίνεται επικάλυψη ανάµεσα σε τροχιακά της στιβάδας σθένους των δύο ατόµων. β. Αν κάθε τροχιακό που επικαλύπτεται περιέχει ένα µονήρες ηλεκτρόνιο, τότε ηλεκτρόνια µε αντιπαράλληλα spin δηµιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων που ανήκουν και στα δύο άτοµα. Η έλξη του κοινού ζεύγους και από τους δύο πυρήνες οδηγεί στο σχηµατισµό δεσµού µεταξύ των ατόµων. γ. Όσο µεγαλύτερος είναι ο βαθµός επικάλυψης µεταξύ των ατοµικών τροχιακών µε ένα µονήρες ηλεκτρόνιο, τόσο ισχυρότερος είναι ο δεσµός που σχηµατίζεται. Οι δεσµοί που σχηµατίζονται, σύµφωνα µε τη θεωρία δεσµού σθένους, χαρακτηρίζονται ως δεσµοί σ (σίγµα) ή δεσµοί π (πι).
258. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα εσµοί σ: Οι σ δεσµοί προκύπτουν µε επικαλύψεις s s, s p και p p ατοµικών τροχιακών, κατά τον άξονα που συνδέει τους πυρήνες των δύο ατόµων που συνδέονται. Κατά τη διεύθυνση του άξονα που συνδέει τους πυρήνες των δύο ατόµων εξασφαλίζεται η µεγαλύτερη επικάλυψη. Η ευθεία που ενώνει τους πυρήνες των δύο ατόµων, ονοµάζεται άξονας του δεσµού και συµπίπτει µε τους άξονες συµµετρίας των τροχιακών που επικαλύπτονται. Κατά τη δηµιουργία του σ δεσµού, οι πυρήνες των ατόµων βρίσκονται σε απόσταση τέτοια ώστε η ενέργεια του συστήµατος να είναι ελάχιστη. Η απόσταση αυτή ονοµάζεται µήκος δεσµού. Παράδειγµα: α. Σχηµατισµός σ δεσµού στο µόριο του υδρογόνου (Η 2 ): Η ηλεκτρονιακή δοµή του Η είναι: 1 Η: 1s 1 Στο µόριο του υδρογόνου, ο σ δεσµός δηµιουργείται µε επικάλυψη (s s) των δύο τροχιακών 1s. β. Σχηµατισµός σ δεσµού στο µόριο του υδροχλωρίου (ΗCl): Η ηλεκτρονιακή δοµή του Η είναι: 1 Η: 1s 1 Η ηλεκτρονιακή δοµή του Cl είναι: 17 Cl: 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3p 2 x, 3p 2 y, 3p 1 z Στο µόριο του υδρογόνου, ο σ δεσµός δηµιουργείται µε επικάλυψη (s p) µεταξύ του 1s τροχιακού του υδρογόνου και του 3p z τροχιακού του χλωρίου. γ. Σχηµατισµός σ δεσµού στο µόριο του φθορίου (F 2 ): Η ηλεκτρονιακή δοµή του F είναι: 9 F: 1s 2, 2s 2, 2p 2 x, 2p 2 y, 2p 1 z Στο µόριο του φθορίου, ο σ δεσµός δηµιουργείται µε επικάλυψη (p p) µεταξύ των 2p z ατοµικών τροχιακών.
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 259. Παρατήρηση: Ο σ δεσµός έχει κυλινδρική συµµετρία ως προς τον άξονα του δεσµού και η µέγιστη πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους βρίσκεται στο χώρο µεταξύ των δύο πυρήνων. εσµοί π: Οι π δεσµοί προκύπτουν µε πλευρικές επικαλύψεις p p ατοµικών τροχιακών, των οποίων οι άξονες είναι παράλληλοι. Στον π δεσµό, οι άξονες των τροχιακών που επικαλύπτονται, είναι κάθετοι στον άξονα του δεσµού και η πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους είναι µέγιστη εκατέρωθεν του άξονα και µηδενική πάνω στον άξονα. Στον π δεσµό η επικάλυψη είναι µικρότερη από ότι στον σ δεσµό, για αυτό ο σ δεσµός είναι ισχυρότερος του π δεσµού. Στα s τροχιακά, είναι αδύνατη η πλευρική επικάλυψη, για αυτό δε συµµετέχουν σε π δεσµούς. π.χ. Το άτοµο του υδρογόνου, που έχει µόνο s τροχιακά, δε σχηµατίζει π δεσµούς. Μεταξύ δύο ατόµων, δηµιουργείται π δεσµός µόνο εφόσον έχει προηγηθεί δηµιουργία σ δεσµού. Παράδειγµα: Ερµηνεία δεσµών στο µόριο του αζώτου (Ν 2 ): Η ηλεκτρονιακή δοµή του Ν είναι: 7 Ν: 1s 2, 2s 2, 2p 1 x, 2p 1 y, 2p 1 z Κάθε άτοµο αζώτου έχει τρία p τροχιακά µε µονήρη ηλεκτρόνια. Κατά τη δηµιουργία του µορίου Ν 2 δηµιουργούνται οι παρακάτω δεσµοί: 1 σ δεσµός µε επικάλυψη (p p) ενός 2p τροχιακού κάθε ατόµου, κατά τον άξονα που συνδέει τους πυρήνες των ατόµων. 2 π δεσµοί µε πλευρική επικάλυψη (p p) µεταξύ των δύο 2p τροχιακών που αποµένουν σε κάθε άτοµο αζώτου. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η δηµιουργία ενός π δεσµού µε πλευρική επικάλυψη δύο 2p x τροχιακών: Παρατήρηση: α. Ο απλός οµοιοπολικός δεσµός ( ) αποτελείται από ένα σ δεσµό. β. Ο διπλός οµοιοπολικός δεσµός (=) αποτελείται από ένα σ και ένα π δεσµό. γ. Ο τριπλός οµοιοπολικός δεσµός ( ) αποτελείται από ένα σ και δύο π δεσµούς.
260. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα Υβριδισµός: Η θεωρία του υβριδισµού προτάθηκε από τον Linus Pauling και µε τη βοήθειά της ερµηνεύτικε η δοµή οµοιοπολικών µορίων, που δεν µπορούσε να ερµηνευτεί µε το σχηµατισµό δεσµών µε απλή επικάλυψη ατοµικών τροχιακών. Υβριδισµός είναι ο γραµµικός συνδυασµός (πρόσθεση ή αφαίρεση) ατοµικών τροχιακών που οδηγεί στη δηµιουργία νέων ισότιµων ατοµικών τροχιακών, τα οποία ονοµάζονται υβριδικά τροχιακά. Τα υβριδικά τροχιακά έχουν τις παρακάτω ιδιότητες: α. Είναι αριθµητικά ίσα µε τα ατοµικά τροχιακά που συνδυάζονται για το σχηµατισµό τους. β. ιαφέρουν από τα ατοµικά τροχιακά που συνδυάζονται για το σχηµατισµό τους, ως προς την ενέργεια, τη µορφή και τον προσανατολισµό. γ. Έχουν σχήµα οµοαξονικών αλλά άνισου µεγέθους λοβών. δ. Τα ηλεκτρόνια που υπήρχαν στα ατοµικά τροχιακα που συνδυάζονται για το σχηµατισµό τους, κατανέµονται σε αυτά µε βάση τις αρχές ηλεκτρονιακής δόµησης. Είδη υβριδικών τροχιακών: sp υβριδικά τροχιακά: Τα sp υβριδικά τροχιακά δηµιουργούνται από το γραµµικό συνδιασµό ενός s και ενός p ατοµικού τροχιακού. Τα δύο ισότιµα sp υβριδικά τροχιακά έχουν ευθύγραµµη διάταξη και στο σχηµατισµό τους συνεισφέρουν κατά 50% το τροχιακό s και κατά 50% το τροχιακό p. Η ενέργεια των sp υβριδικών τροχιακών είναι ενδιάµεση της ενέργειας των s και p ατοµικών τροχιακών. sp 2 υβριδικά τροχιακά: Τα sp 2 υβριδικά τροχιακά δηµιουργούνται από το συνδιασµό ενός s και δύο p ατοµικών τροχιακών. Τα τρία ισότιµα sp 2 υβριδικά τροχιακά έχουν επίπεδη τριγωνική διάταξη και η γωνία που σχηµατίζουν µεταξύ τους είναι 120 ο.
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 261. sp 3 υβριδικά τροχιακά: Τα sp 3 υβριδικά τροχιακά δηµιουργούνται από το συνδιασµό ενός s και τριών p ατοµικών τροχιακών. Τα τέσσερα ισότιµα sp 2 υβριδικά τροχιακά έχουν τετραεδρική διάταξη και η γωνία που σχηµατίζουν µεταξύ τους είναι 109,5 ο. Υβριδισµό δεν έχουµε µόνο µεταξύ s και p ατοµικών τροχιακών. Υπάρχουν περιπτώσεις σχηµατισµού υβριδικών τροχιακών, στις οποίες συµµετέχουν και d ατοµικά τροχιακά. Η µελέτη των περιπτώσεων αυτών δεν γίνεται σε αυτό το βιβλίο. Παρατήρηση: Επειδή ο µεγάλος λοβός των υβριδικών τροχιακών έχει µεγαλύτερο µέγεθος από τους λοβούς των ατοµικών τροχιακών, για αυτό ο βαθµός επικάλυψης των υβριδικών τροχιακών είναι µεγαλύτερος, µε αποτέλεσµα να οδηγεί σε ισχυρότερους δεσµούς.
262. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα Παράδειγµα: α. Ερµηνεία των δεσµών στο µόριο του ΒeF 2 : Oι ηλεκτρονιακές δοµές των Bε, F στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: (Θεµελιώδης κατάσταση) Παρατηρούµε ότι το Βe δεν έχει µονήρη ηλεκτρόνια, συνεπώς δεν θα έπρεπε να σχηµατίζει οµοιοπολικούς δεσµούς. Για να εξηγήσουµε το σχηµατισµό του ΒeF 2 δεχόµαστε ότι ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του 2s ατοµικού τροχιακού προωθείται σε τροχιακό 2p και προκύπτει η προωθηµένη κατάσταση του Be: (Προωθηµένη κατάσταση) Με βάση την παραπάνω ηλεκτρονιακή δοµή, στο µόριο του ΒeF 2 οι δύο δεσµοί θα έπρεπε να είναι διαφορετικοί, γιατί ο ένας θα σχηµατιζόταν µε επικάλυψη (s p) και ο άλλος µε επικάλυψη (p p). Πειραµατικά όµως βρέθηκε ότι οι δύο δεσµοί στο BeF 2 είναι ισότιµοι. Αυτό εξηγήται γιατί στο άτοµο του Be τα 2s και 2p τροχιακά συνδυάζονται και δηµιουργούν δύο sp υβριδικά τροχιακά, τα οποία είναι ισότιµα µεταξύ τους και προκύπτει η παρακάτω ηλεκτρονιακή δοµή: (Υβριδισµός sp) Συνεπώς, στο µόριο του ΒeF 2 οι δύο ισότιµοι δεσµοί σχηµατίζονται µε επικάλυψη των sp υβριδικών τροχιακών του Be, µε τα δύο p ατοµικά τροχιακά των ατόµων του F. ηλαδή, έχουµε δύο ισότιµους σ δεσµούς, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα: β. Ερµηνεία των δεσµών στο µόριο του ΒF 3 : Oι ηλεκτρονιακές δοµές των B, F στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: (Θεµελιώδης κατάσταση) Ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του 2s ατοµικού τροχιακού του Β προωθείται σε τροχιακό 2p και προκύπτει η προωθηµένη κατάσταση του B: (Προωθηµένη κατάσταση) Στο άτοµο του B τα 2s και 2p τροχιακά συνδυάζονται και δηµιουργούν τρία sp 2 υβριδικά τροχιακά, τα οποία είναι ισότιµα µεταξύ τους και προκύπτει η παρακάτω ηλεκτρονιακή δοµή: (Υβριδισµός sp 2 ) Συνεπώς, στο µόριο του ΒF 3 υπάρχουν τρεις ισότιµοι σ δεσµοί που σχηµατίζονται µε επικάλυψη των sp 2 υβριδικών τροχιακών του B, µε τα τρία p ατοµικά τροχιακά των ατόµων του F.
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 263. β. Ερµηνεία των δεσµών στο µόριο του CH 4 : Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: (Θεµελιώδης κατάσταση) Ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του 2s ατοµικού τροχιακού του C προωθείται σε τροχιακό 2p και προκύπτει η προωθηµένη κατάσταση του C: (Προωθηµένη κατάσταση) Στο άτοµο του C τα 2s και 2p τροχιακά συνδυάζονται και δηµιουργούν τέσσερα sp 3 υβριδικά τροχιακά, τα οποία είναι ισότιµα µεταξύ τους και προκύπτει η παρακάτω ηλεκτρονιακή δοµή: (Υβριδισµός sp 3 ) Συνεπώς, στο µόριο του CH 4 υπάρχουν τέσσερις ισότιµοι σ δεσµοί που σχηµατίζονται µε επικάλυψη των sp 3 υβριδικών τροχιακών του C, µε τα τέσσερα s ατοµικά τροχιακά των ατόµων του H. εσµοί µεταξύ ατόµων άνθρακα: Μεταξύ δύο ατόµων άνθρακα µπορεί να σχηµατιστεί απλός, διπλός ή τριπλός δεσµός. Ανάλογα µε το είδος του δεσµού που συµµετέχει ο άνθρακας, έχει διαφορετικό υβριδισµό.
264. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα Απλός δεσµός µεταξύ ατόµων άνθρακα (C C): Tα άτοµα του άνθρακα που συµµετέχουν µόνο σε απλούς δεσµούς, έχουν sp 3 υβριδισµό, για αυτό ο απλός δεσµός µεταξύ ατόµων άνθρακα είναι ένας σ δεσµός του τύπου sp 3 sp 3. Άρα, στα αλκάνια, όλα τα άτοµα του άνθρακα έχουν sp 3 υβριδισµό. Παράδειγµα: Ερµηνεία των δεσµών στο µόριο του αιθανίου (C 2 H 6 ): Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: (Θεµελιώδης κατάσταση) Ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του 2s ατοµικού τροχιακού του C προωθείται σε τροχιακό 2p και προκύπτει η προωθηµένη κατάσταση του C: (Προωθηµένη κατάσταση) Στο άτοµο του C τα 2s και 2p τροχιακά συνδυάζονται και δηµιουργούν τέσσερα sp 3 υβριδικά τροχιακά, τα οποία είναι ισότιµα µεταξύ τους και προκύπτει η παρακάτω ηλεκτρονιακή δοµή: (Υβριδισµός sp 3 ) Συνεπώς, στο µόριο του C 2 H 6 υπάρχουν: Έξι σ δεσµοί του τύπου (sp 3 s) µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου. Ένας σ δεσµός του τύπου (sp 3 sp 3 ) µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. ιπλός δεσµός µεταξύ ατόµων άνθρακα (C = C): Tα άτοµα του άνθρακα που συµµετέχουν σε διπλούς δεσµούς, έχουν sp 2 υβριδισµό. Ο διπλός δεσµός µεταξύ ατόµων άνθρακα αποτελείται από ένα σ δεσµό του τύπου sp 2 sp 2 και ένα π δεσµό του τύπου p p. Επειδή ο σ δεσµός είναι ισχυρότερος του π δεσµού, είναι σχετικά εύκολο ο διπλός δεσµός να σπάσει και να γίνει απλός. Άρα, όλα τα άτοµα του άνθρακα που συµµετέχουν σε διπλό δεσµό στο µόριο της οργανικής ένωσης (C = C, C = O) έχουν sp 2 υβριδισµό. Παράδειγµα: Ερµηνεία των δεσµών στο µόριο του αιθενίου (C 2 H 4 ):
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 265. Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: (Θεµελιώδης κατάσταση) Ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του 2s ατοµικού τροχιακού του C προωθείται σε τροχιακό 2p και προκύπτει η προωθηµένη κατάσταση του C: (Προωθηµένη κατάσταση) Στο άτοµο του C το 2s και δύο από τα τρία 2p τροχιακά συνδυάζονται και δηµιουργούν τρία sp 2 υβριδικά τροχιακά, το p ατοµικό τροχιακό που παραµένει είναι προσανατολισµένο κάθετα προς το επίπεδο των υβριδικών τροχιακών. (Υβριδισµός sp 2 ) Συνεπώς, στο µόριο του C 2 H 4 υπάρχουν: Tέσσερις σ δεσµοί του τύπου (sp 2 s) µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου. Ένας σ δεσµός του τύπου (sp 2 sp 2 ) και ένας π δεσµός του τύπου (p p) µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. Οι δύο αυτοί δεσµοί δηµιουργούν τον διπλό δεσµό. Τριπλός δεσµός µεταξύ ατόµων άνθρακα (C C): Tα άτοµα του άνθρακα που συµµετέχουν σε τριπλούς δεσµούς, έχουν sp υβριδισµό. Ο τριπλός δεσµός µεταξύ ατόµων άνθρακα αποτελείται από ένα σ δεσµό του τύπου sp sp και δύο π δεσµούς του τύπου p p. Επειδή ο σ δεσµός είναι ισχυρότερος του π δεσµού, είναι σχετικά εύκολο ο τριπλός δεσµός να σπάσει και να γίνει αρχικά διπλός και στη συνέχεια απλός. Άρα, όλα τα άτοµα του άνθρακα που συµµετέχουν σε τριπλό δεσµό στο µόριο της οργανικής ένωσης (C C, C Ν) έχουν sp υβριδισµό. Παράδειγµα: Ερµηνεία των δεσµών στο µόριο του αιθινίου (C 2 H 2 ): Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: (Θεµελιώδης κατάσταση)
266. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα Ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του 2s ατοµικού τροχιακού του C προωθείται σε τροχιακό 2p και προκύπτει η προωθηµένη κατάσταση του C: (Προωθηµένη κατάσταση) Στο άτοµο του C το 2s και ένα από τα τρία 2p τροχιακά συνδυάζονται και δηµιουργούν τρία sp υβριδικά τροχιακά, τα δύο p ατοµικά τροχιακά που παραµένουνέχουν από ένα µονήρες ηλεκτρόνιο. (Υβριδισµός sp 2 ) Συνεπώς, στο µόριο του C 2 H 2 υπάρχουν: ύο σ δεσµοί του τύπου (sp s) µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου. Ένας σ δεσµός του τύπου (sp sp) και δύο π δεσµοί του τύπου (p p) µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. Οι τρείς αυτοί δεσµοί δηµιουργούν τον τριπλό δεσµό. Παρατήρηση: Η ισχύς των δεσµών µεταξύ ατόµων άνθρακα είναι: C C < C = C < C C Όµως όσο ισχυρότερος είναι ένας δεσµός, τόσο µικρότερο είναι το µήκος του. Παρακάτω φαίνεται ο υβριδισµός των ατόµων του άνθρακα και το µήκος των παραπάνω δεσµών: C C sp 3 154 pm C = C sp 2 134 pm C C sp 120 pm
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 267. Β. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ Κατηγορία Μέθοδος 1 Ασκήσεις όπου πρέπει να βρούµε το είδος των δεσµών και τον υβριδισµό των ατόµων του άνθρακα, σε ένα µόριο οργανικής ένωσης: Αρχικά γράφουµε το συντακτικό τύπο της οργανικής ένωσης. Για να βρούµε το είδος των δεσµών, εργαζόµαστε µε βάση το γεγονός ότι: α. Ο απλός δεσµός αποτελείται από ένα σ δεσµό. β. Ο διπλός δεσµός αποτελείται από ένα σ και ένα π δεσµό. γ. Ο τριπλός δεσµός αποτελείται από ένα σ και δύο π δεσµούς. Για να βρούµε τον υβριδισµό των ατόµων του C, εργαζόµαστε µε βάση το γεγονός ότι: α. Άτοµο άνθρακα που συµµετέχει µόνο σε απλούς δεσµούς, έχει sp 3 υβριδισµό. β. Άτοµο άνθρακα που συµµετέχει σε διπλό δεσµό, έχει sp 2 υβριδισµό. γ. Άτοµο άνθρακα που συµµετέχει σε τριπλό δεσµό, έχει sp υβριδισµό. Παράδειγµα 1: 4 3 2 1 ίνεται η οργανική ένωση CH 2 =CH-C CH της οποίας τα άτοµα αριθµούνται από 1 έως 4, όπως φαίνεται παραπάνω. α. Πόσοι δεσµοί σ και πόσοι δεσµοί π υπάρχουν στην ένωση; β. Μεταξύ ποιών ατόµων σχηµατίζονται π δεσµοί; γ. Να αναφέρετε τι είδος υβριδικά τροχιακά έχει κάθε άτοµο άνθρακα της ένωσης. (Εξετάσεις 2002) Λύση: Στο µόριο της ένωσης υπάρχουν: Τέσσερις δεσµοί σ µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου. Τρείς δεσµοί σ µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. Ένας δεσµός π µεταξύ των άνθρακα 3 και άνθρακα 4, γιατί συνδέονται µε διπλό δεσµό. ύο δεσµοί π µεταξύ των άνθρακα 1 και άνθρακα 2, γιατί συνδέονται µε τριπλό δεσµό. α. Άρα, στο µόριο της ένωσης υπάρχουν 7 δεσµοί σ και 3 δεσµοί π. β. Οι δεσµοί π σχηµατίζονται µεταξύ των άνθρακα 3 άνθρακα 4 και άνθρακα 1 άνθρακα 2. γ. Ο άνθρακας 1 συµµετέχει σε τριπλό δεσµό, άρα έχει sp υβριδικά τροχιακά. Ο άνθρακας 2 συµµετέχει σε τριπλό δεσµό, άρα έχει sp υβριδικά τροχιακά. Ο άνθρακας 3 συµµετέχει σε διπλό δεσµό, άρα έχει sp 2 υβριδικά τροχιακά. Ο άνθρακας 4 συµµετέχει σε διπλό δεσµό, άρα έχει sp 2 υβριδικά τροχιακά.
268. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα Γ. ΛΥΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 2 1 1. Nα περιγράψετε τους δεσµούς στο µόριο CH3 C N. ίνονται οι ατοµικοί αριθµοί: Η = 1, C = 6, N = 7. Λύση: Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H και Ν, στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: Το άτοµο άνθρακα 2 συµµετέχει µόνο σε απλούς δεσµούς, συνεπώς έχει sp 3 υβριδισµό. Οι ηλεκτρονιακές του δοµές στην προωθηµένη κατάσταση και στον υβριδισµό, φαίνονται παρακάτω: (προωθηµένη κατάσταση) (υβριδισµός) Άρα, οι δεσµοί του ατόµου του άνθρακα 2 µε τα άτοµα του υδρογόνου είναι δεσµοί σ της µορφής (sp 3 s). Το άτοµο άνθρακα 1 συµµετέχει σε τριπλό δεσµό, συνεπώς έχει sp υβριδισµό. Οι ηλεκτρονιακές του δοµές στην προωθηµένη κατάσταση και στον υβριδισµό, φαίνονται παρακάτω: (προωθηµένη κατάσταση) (υβριδισµός) Άρα: Ο δεσµός του άνθρακα 1 µε τον άνθρακα 2 είναι δεσµός σ της µορφής (sp sp 3 ). O τριπλός δεσµός µεταξύ του άνθρακα 1 και του αζώτου αποτελείται από ένα δεσµό σ της µορφής (sp p) και δύο δεσµούς π της µορφής (p p). 3 2 1 1. Nα περιγράψετε τους δεσµούς στο µόριο CH C CH. ίνονται οι ατοµικοί αριθµοί: Η = 1, C = 6, O = 8. 3 3 Λύση: Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H και O, στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: O Τα άτοµα του άνθρακα 1 και 3 συµµετέχουν µόνο σε απλούς δεσµούς, συνεπώς έχουν sp 3 υβριδισµό. Οι ηλεκτρονιακές τους δοµές στην προωθηµένη κατάσταση και στον υβριδισµό, φαίνονται παρακάτω: (προωθηµένη κατάσταση) (υβριδισµός)
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 269. Άρα, οι δεσµοί των ατόµων του άνθρακα 1 και 3 µε τα άτοµα του υδρογόνου είναι δεσµοί σ της µορφής (sp 3 s). Το άτοµο άνθρακα 2 συµµετέχει σε διπλό δεσµό, συνεπώς έχει sp 2 υβριδισµό. Οι ηλεκτρονιακές του δοµές στην προωθηµένη κατάσταση και στον υβριδισµό, φαίνονται παρακάτω: (προωθηµένη κατάσταση) (υβριδισµός) Άρα: Οι δεσµοί του άνθρακα 2 µε τους άνθρακες 1 και 3, είναι δεσµοί σ της µορφής (sp 2 sp 3 ). O διπλός δεσµός µεταξύ του άνθρακα 2 και του οξυγόνου αποτελείται από ένα δεσµό σ της µορφής (sp 2 p) και ένα δεσµό π της µορφής (p p). 3. Nα περιγράψετε τους δεσµούς στο µόριο ΗCOOH. ίνονται οι ατοµικοί αριθµοί: Η = 1, C = 6, O = 8. Λύση: O συντακτικός τύπος της ένωσης είναι: H C O H O Oι ηλεκτρονιακές δοµές των C, H και O, στη θεµελιώδη κατάσταση είναι: Το άτοµο του άνθρακα συµµετέχει σε διπλό δεσµό, συνεπώς έχει sp 2 υβριδισµό. Οι ηλεκτρονιακές του δοµές στην προωθηµένη κατάσταση και στον υβριδισµό, φαίνονται παρακάτω: (προωθηµένη κατάσταση) (υβριδισµός) Άρα: Ο δεσµός του άνθρακα µε το υδρογόνο είναι δεσµός σ της µορφής (sp 2 s). Ο διπλός δεσµός του άνθρακα µε το οξυγόνο αποτελείται από ένα δεσµό σ της µορφής (sp 2 p) και ένα δεσµό π της µορφής (p p). Ο απλός δεσµός του άνθρακα µε το οξυγόνο είναι δεσµός σ της µορφής (sp 2 p). Ο απλός δεσµός του οξυγόνου µε το υδρογόνο είναι δεσµός σ της µορφής (p s).
270. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ Ερωτήσεις Σύντοµης απάντησης: 1. Ποιες είναι οι κυριότερες κβαντοµηχανικές θεωρίες περιγραφής του οµοιοπολικού δεσµού; 2. Να αναφέρετε τα κύρια σηµεία της θεωρίας δεσµού σθένους. 3. Με ποιες επικαλύψεις προκύπτει σ δεσµός; 4. Τι ονοµάζουµε µήκος δεσµού; 5. Με ποιες επικαλύψεις προκύπτει π δεσµός; 6. Γιατί ο δεσµός σ είναι ισχυρότερος του δεσµού π; 7. Που βρίσκεται η µέγιστη ηλεκτρονιακή πυκνότητα σε ένα δεσµό σ και που σε ένα δεσµό π; 8. Τι είναι ο υβριδισµός; 9. Τι σχήµα έχουν τα υβριδικά τροχιακά; 10. Από τον συνδυασµό ποιων ατοµικών τροχιακών δηµιουργούνται τα sp υβριδικά τροχιακά και τί διάταξη έχουν; 11. Από τον συνδυασµό ποιων ατοµικών τροχιακών δηµιουργούνται τα sp 2 υβριδικά τροχιακά και τί διάταξη έχουν; 12. Από τον συνδυασµό ποιων ατοµικών τροχιακών δηµιουργούνται τα sp 3 υβριδικά τροχιακά και τί διάταξη έχουν; 13. Τι είδους υβριδισµό έχει το άτοµο του άνθρακα όταν συµµετέχει: α. Μόνο σε απλούς δεσµούς. β. Σε διπλό δεσµό. γ. Σε τριπλό δεσµο. 14. Τι γνωρίζετε για την ισχύ και το µήκος του απλού, διπλού και τριπλού δεσµού µεταξύ των ατόµων του άνθρακα; 15. Ποια η γωνία µεταξύ των υβριδικών τροχιακών sp, sp 2, sp 3 ενός ατόµου; Συµπλήρωσης κενών: 1. Σύµφωνα µε τη θεωρία δεσµού σθένους, κατά τον σχηµατισµό... δεσµού ανάµεσα σε δύο άτοµα, γίνεται... ανάµεσα σε τροχιακά της στιβάδας σθένους των δύο ατόµων. Όσο µεγαλύτερος είναι ο βαθµός... µεταξύ των ατοµικών τροχιακών, τόσο... είναι ο δεσµός που σχηµατίζεται. Οι δεσµοί που σχηµατίζονται σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή χαρακτηρίζονται ως...... ή...... 2. Οι σ δεσµοί προκύπτουν µε επικαλύψεις......,...... και...... ατοµικών τροχιακών, κατά τον άξονα που συνδέει τους... των δύο ατόµων που συνδέονται. Η ευθεία που ενώνει τους πυρήνες των δύο ατόµων, ονοµάζεται... του δεσµού και συµπίπτει µε τους άξονες... των τροχιακών που επικα-
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 271. λύπτονται. Κατά τη δηµιουργία του σ δεσµού, οι πυρήνες των ατόµων βρίσκονται σε απόσταση τέτοια ώστε η ενέργεια του συστήµατος να είναι ελάχιστη. Η απόσταση αυτή ονοµάζεται... δεσµού. 3. Οι π δεσµοί προκύπτουν µε... επικαλύψεις p p ατοµικών τροχιακών, των οποίων οι άξονες είναι... Στον π δεσµό, οι άξονες των τροχιακών που επικαλύπτονται, είναι... στον άξονα του δεσµού και η πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους είναι... εκατέρωθεν του άξονα και... πάνω στον άξονα. Στον π δεσµό η επικάλυψη είναι µικρότερη από ότι στον σ δεσµό, για αυτό ο σ δεσµός είναι... του π δεσµού. Στα... τροχιακά, είναι αδύνατη η πλευρική επικάλυψη, για αυτό δε συµµετέχουν σε π δεσµούς. 4. Στο µόριο του C 2 H 6 υπάρχουν... σ δεσµοί του τύπου (......) µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου και ένας... δεσµός του τύπου (......) µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. 5. Στο µόριο του C 2 H 4 υπάρχουν... σ δεσµοί του τύπου (......) µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου, ένας σ δεσµός του τύπου (......) και ένας π δεσµός του τύπου (......) µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. Οι δύο αυτοί δεσµοί δηµιουργούν τον... δεσµό. 6. Στο µόριο του C 2 H 2 υπάρχουν... σ δεσµοί του τύπου (......) µεταξύ ατόµων άνθρακα και υδρογόνου, ένας σ δεσµός του τύπου (......) και... π δεσµοί του τύπου (......) µεταξύ των ατόµων του άνθρακα. Οι τρείς αυτοί δεσµοί δηµιουργούν τον... δεσµό. Σωστό - Λάθος: Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές (Σ) και ποιες λάθος (Λ); 1. Ο σ δεσµός σχηµατίζεται µόνο µε επικάλυψη s τροχιακών. ( ) 2. Κατά την επικάλυψη δύο p ατοµικών τροχιακών κατά τον άξονα που συνδέει τους πυρήνες των δύο ατόµων, σχηµατίζεται σ δεσµός. ( ) 3. Ο σ δεσµός έχει κυλινδρική συµµετρία ως προς τον άξονα του δεσµού. ( ) 4. Στο σ δεσµό ο άξονας του δεσµού συµπίπτει µε τους άξονες συµµετρίας των τροχιακών που επικαλύπτονται. ( ) 5. Στον π δεσµό, η πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους είναι µέγιστη στο χώρο που βρίσκεται µεταξύ των πυρήνων. ( ) 6. Μήκος δεσµού είναι η απόσταση µεταξύ των πυρήνων όπου έχουµε τη µέγιστη ενέργεια. ( ) 7. Ο π δεσµός είναι ισχυρότερος του σ δεσµού. ( ) 8. Ο µόνος τρόπος σχηµατισµού οµοιοπολικού δεσµού είναι µε επικάλυψη ατο- µικών τροχιακών. ( ) 9. Τα υβριδικά τροχιακά δηµιουργούνται µε γραµµικό συνδυασµό ατοµικών τροχιακών διαφορετικών ατόµων. ( ) 10. Τα υβριδικά τροχιακά έχουν σχήµα οµοαξονικών αλλά άνισου µεγέθους λοβών. ( )
272. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα 11. Τα υβριδικά τροχιακά είναι αριθµιτικά ίσα µε τα ατοµικά τροχιακά που συνδυάζονται για το σχηµατισµό τους. ( ) 12. Στο µόριο του µεθανίου (CH 4 ): α. Το άτοµο του άνθρακα έχει sp υβριδισµό. ( ) β. Όλοι οι δεσµοί µεταξύ άνθρακα και υδρογόνου είναι ισότιµοι. ( ) γ. Το σχήµα του µορίου είναι τετραεδρικό. ( ) 13. Στο µόριο του φθοριούχου βορίου (ΒF 3 ): α. Το άτοµο του B έχει sp 2 υβριδισµό. ( ) β. Όλοι οι δεσµοί µεταξύ βορίου και φθορίου είναι ισότιµοι. ( ) γ. Οι σ δεσµοί είναι του τύπου (sp 2 p). ( ) 14. Στο µόριο του αιθενίου (C 2 H 4 ): α. Τα άτοµα του C έχουν sp 2 υβριδισµό. ( ) β. Υπάρχουν πέντε σ δεσµοί. ( ) γ. Υπάρχουν δύο π δεσµοί. ( ) 15. Στο µόριο του αιθινίου (C 2 H 2 ): α. Τα άτοµα του C έχουν sp 3 υβριδισµό. ( ) β. Υπάρχουν τρεις σ δεσµοί. ( ) γ. Υπάρχουν δύο π δεσµοί. ( ) δ. Όλα τα άτοµα βρίσκονται στην ίδια ευθεία. ( ) Πολλαπλής επιλογής: 1. Το άτοµο του άνθρακα έχει sp 3 υβριδισµό, στο µόριο του: α. CO 2 β. HCH=O γ. CH 2 Cl 2 δ. C 2 H 4 2. Στο µόριο του CH 2 = CHCH = CH 2 υπάρχουν: α. 11 δεσµοί σ β. 8 δεσµοί σ και 3 δεσµοί π γ. 9 δεσµοί σ και 2 δεσµοί π δ. 7 δεσµοί σ και 4 δεσµοί π 3. Μικρότερη απόσταση µεταξύ των ατόµων του άνθρακα έχουµε στο µόριο του: α. C 2 H 6 β. C 2 H 4 γ. C 2 H 2 4. H γωνία µεταξύ των sp 2 υβριδικών τροχιακών του ατόµου του άνθρακα είναι: α. 90 ο β. 120 ο γ. 150 ο δ. 180 ο 5. Ο σ δεσµός στο µόριο του BeF 2 είναι του τύπου: α. s s β. s p γ. sp p δ. sp 2 p 6. H διάταξη των ατόµων στο µόριο του BF 3 είναι: α. γραµµική β. επίπεδη τριγωνική γ. τετραεδρική
Θεωρία δεσµού σθένους - Υβριδισµός 273. 7. Στο µόριο του CH 2 = CHCl υπάρχουν: α. 5 δεσµοί σ και 1 δεσµός π β. 4 δεσµοί σ και 2 δεσµοί π γ. 3 δεσµοί σ και 3 δεσµοί π δ. 6 δεσµοί σ 8. Στο µόριο του CH 2 = CHC CCH 3 υπάρχουν: α. 2 άτοµα C µε sp 2 υβριδισµό, 2 άτοµα C µε sp υβριδισµό και 1 άτοµο C µε sp 3 υβριδισµό. β. 3 άτοµα C µε sp 2 υβριδισµό, 1 άτοµο C µε sp υβριδισµό και 1 άτοµο C µε sp 3 υβριδισµό. γ. 1άτοµο C µε sp 2 υβριδισµό, 1 άτοµο C µε sp υβριδισµό και 3 άτοµα C µε sp 3 υβριδισµό. δ. 1 άτοµο C µε sp 2 υβριδισµό, 2 άτοµα C µε sp υβριδισµό και 2 άτοµα C µε sp 3 υβριδισµό. Αντιστοίχισης: 1. Αντιστοιχίστε τους µοριακούς τύπους στη στήλη Α µε τον αριθµό και τα είδη των δεσµών που αναφέρονται στη στήλη Β: Στήλη Α Στήλη Β 1. Ο 2 2. Ν 2 3. CH 2 FCl 4. HCN 5. C 3 H 4 α. 6 σ δεσµοί, 2 π δεσµοί β. 1 σ δεσµός, 1 π δεσµός γ. 4 σ δεσµοί δ. 1 σ δεσµός, 2 π δεσµοί ε. 2 σ δεσµοί, 2 π δεσµοί 2. Αντιστοιχίστε τους µοριακούς τύπους στη στήλη Α µε το είδος του υβριδισµού του ατό- µου του άνθρακα που αναφέρεται στη στήλη Β: Στήλη Α Στήλη Β 1. C 4 H 10 2. C 2 H 2 3. CO 2 4. CHCl = CH 2 5. HCH = O α. sp β. sp 2 γ. sp 3 3. Αντιστοιχίστε τα µόρια της στήλης Α µε τη διάταξη των ατόµων που αναφέρονται στη στήλη Β: Στήλη Α Στήλη Β 1. ΒeF 2 2. BF 3 3. CH 4 4. C 2 H 2 α. γραµµική διάταξη β. επίπεδη τριγωνική διάταξη γ. τετραεδρική διάταξη
274. Τρίτο Κεφάλαιο - 11 ο Μάθηµα Ασκήσεις - Προβλήµατα 1. Nα περιγράψετε τους δεσµούς στα µόρια: α. C 3 H 8 β. CH 2 = C = CH 2 γ. CH 3 C CH δ. CH CCH = CH 2 ίνονται οι ατοµικοί αριθµοί: Η = 1, C = 6 (Απ. α. 10 δεσµοί σ β. 6 δεσµοί σ, 2 δεσµοί π γ. 6 δεσµοί σ, 2 δεσµοί π δ. 7 δεσµοί σ, 3 δεσµοί π) 2. Nα περιγράψετε τους δεσµούς στα µόρια: α. C 2 H 5 Cl β. CH 3 CH CN γ. CH 3 CH 2 OH δ. CH 3 OCH 3 CH 3 ίνονται οι ατοµικοί αριθµοί: Η = 1, C = 6, O = 8, N = 7, Cl = 17. (Απ. α. 7 δεσµοί σ β. 11 δεσµοί σ, 2 δεσµοί π γ. 8 δεσµοί σ δ. 8 δεσµοί σ) 3. Nα περιγράψετε τους δεσµούς στα µόρια: α. CH 3 COOH β. CH 2 ClCH = O γ. CH 3 CH 2 NH 2 δ. CH 3 COCH 3 ίνονται οι ατοµικοί αριθµοί: Η = 1, C = 6, O = 8, N = 7, Cl = 17. (Απ. α. 7 δεσµοί σ, 1 δεσµός π β. 6 δεσµοί σ, 1 δεσµός π γ. 9 δεσµοί σ δ. 8 δεσµοί σ, 1 δεσµός π) Ε. ΤΟ ΞΕΧΩΡΙΣΤΟ ΘΕΜΑ Τα χηµικά στοιχεία X, Ψ ανήκουν στην δεύτερη περίοδο του περιοδικού πίνακα και έχουν στην εξωτερική τους στιβάδα 6 και 7 ηλεκτρόνια αντίστοιχα. α. Να βρείτε τον ατοµικό αριθµό και την οµάδα στην οποία ανήκουν τα Χ και Ψ. β. Ποιο από τα δύο στοιχεία µπορεί να σχηµατίσει π δεσµούς; γ. Να περιγράψετε τους δεσµούς στο µόριο της οργανικής ένωσης: CH 2 ΨCH = Χ (Aπ. α. Χ: Ζ = 8, 16η οµάδα, Ψ: Ζ = 9, 17η οµάδα β. το Χ δ. 6 δεσµοί σ, 1 δεσµός π)