Μάθημα 20 ο Το σχήμα των μορίων
Tα μόρια Μπορεί να είναι μη πολικά έστω και άν οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων τους είναι πολωμένοι Δεν είναι επίπεδα (έχουν τρισδιάστατη διάταξη στο χώρο) Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 2
Το σχήμα των μορίων, επηρρεάζει την συμπεριφορά τους σε χημικό περιβάλλον;; Το σχήμα (γεωμετρική διάταξη ατόμων στο χώρο) των μορίων επηρρεάζει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των αντίστοιχων ενώσεων, όπως το σημείο τήξεως, σημείο ζέσεως, και τη δραστικότητα (αριθμός και είδος αντιδράσεων). Ιδιαιτέρας σημασίας είναι το σχήμα στα βιολογικά συστήματα, όπου π.χ. θα πρέπει ένα μόριο να ταιριάζει ακριβώς σε ενεργά κέντρα ενζύμων Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 3
Μοριακό σχήμα και δραστικότητα Ένζυμο (σουκράση) Φρουκτόζη Ενεργό κέντρο γλυκόζη Ένζυμο και υπόστρωμα διαθέσιμα Σύμπλοκο ενζύμουυποστρώματος Καλαμοσάκχαρο ή σουκρόζηυπόστρωμα Καλαμοσάκχαροσουκρόζη Το υπόστρωμα μετατρέπεται σε προϊόντα Το υπόστρωμα συνδέεται-συμπλέκεται με το ένζυμο Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 4
Μοριακό σχήμα και δραστικότητα Η, chlorprothiexine είναι φάρμακο πρώτης γενιάς για την αντιμετώπιση της σχιζοφρένειας και άλλων ασθενειών, το οποίο εισήχθη τη δεκαετία του 1950. Η δράση του φαρμάκου συνίσταται στη δέσμευση συγκεκριμένων υποδοχέων στους νευρώνες από το φάρμακο. Ερευνητική εργασία έδειξε ότι η cis-chlorprothiexene είναι η δραστική ουσία, ενώ η μορφή trans είναι σχεδόν εντελώς ανενεργή. Μάλιστα το ισομερές trans αποτελεί «ακαθαρσία» στο φάρμακο. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 5
Ερώτηση Είναι δυνατή η πρόβλεψη των σχημάτων των μορίων από τον συνδυασμό των ατομικών τροχιακών στα οποία ευρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων των στοιχείων τα οποία συνδέονται;.. Ας το επιχειρήσουμε για το H 2 O H.. O : H Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 6
ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΟΞΥΓΟΝΟΥ z 2p y Οξυγόνο = [He]2s 2 2p 4 2p 2 2p 1 2p 1. O 2p x.. 2s. 2p τροχιακά κάθετα μεταξύ τους(90 o ) Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 7
ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΟΞΥΓΟΝΟΥ z 2p y Οξυγόνο = [He]2s 2 2p 4 ασύζευκτα. O 2p x.... 2s 2p. ασύζευκτα Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 8
Συνδυάζουμε τα ατομικά τροχιακά z Για το σχηματισμό H 2 O. 2p Η = 1s 1 Ο = [He]2s 2 2p 4 y H.. O 2p x 1s.... 2p. 2s 1s Ḣ Λανθασμένη πρόβλεψη 90 o γωνίας Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 9
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ H 105 o O H Η πραγματική γωνία H-O-H Στο νερό (μετρημένη με Περίθλαση ηλεκτρονίων) είναι 105 o Η συμφωνία με το μοντέλο των ατομικών τροχιακών δεν είναι τόσο καλή! Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 10
Τα σχήματα των μορίων Οι δομές Lewis δίνουν πληροφορίες για την σύνδεση μεταξύ των ατόμων : Μας πληροφορούν για το ποια άτομα συνδέονται με ποια. Τα σχήματα των μορίων προσδιορίζονται από τις γωνίες των δεσμών τους. Π.χ. για τον CCl 4 : πειραματικά βρίσκεται ότι όλες οι γωνίες των δεσμών Cl-C-Cl είναι 109.5. Συνεπώς, δεν είναι δυνατόν το μόριο να είναι επίπεδο. Τα άτομα του Cl βρίσκονται στις κορυφές ενός τετραέδρου στο κέντρο του οποίου βρίσκεται ένα άτομο C. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 11
Τα σχήματα των μορίων Μήκος δεσμού Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 12
Μοριακή γεωμετρία και διευθέτηση των δεσμών στο χώρο Τα άτομα έχουν αυστηρά καθορισμένες θέσεις στο χώρο. Μοριακή Γεωμετρία= Το γενικό σχήμα των μορίων όπως αυτό προσδιορίζεται από τις σχετικές θέσεις των πυρήνων των ατόμων του μορίου στο χώρο. Οι θεωρίες που περιγράφουν τους δεσμούς και τη γεωμετρία τους στο χώρο είναι: VSEPR = βασίζεται κυρίως σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Θεωρία δεσμού σθένους= Βάσει της κβαντομηχανικής και του υβριδισμού των ατομικών τροχιακών. Θεωρία Μοριακών Τροχιακών= Κατά τον σχηματισμό των δεσμών, τα ηλεκτρόνια είναι σε τροχιακά τα οποία αποτελούν γραμμικό συνδυασμό των αντίστοιχων ατομικών τροχιακών. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 13
Τα σχήματα Molecular των Shapes μορίων Για να προβλέψουμε το σχήμα των μορίων υποθέτουμε ότι τα ηλεκτρόνια της στιβάδας σθένους απωθούνται αμοιβαία. Αυτή η άπωση έχει ως αποτέλεσμα τα μόρια να αποκτούν τέτοια γεωμετρία (διευθέτηση στο χώρο), ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώσεις. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται Θεωρία της άπωσης των ηλεκτρονιακών ζευγών της στιβάδας σθένους [ Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) ]. Για μόρια τύπου AB 2 και AB 3 υπάρχουν απλά γεωμετρικά σχήματα. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 14
γραμμικό γωνία Επίπεδο τριγωνικό Τριγωνική πυραμίδα Σχήμα Τ 15
Molecular Shapes Τα σχήματα των μορίων Πέντε είναι τα βασικά γεωμετρικά σχήματα των μορίων Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 16
γραμμικό Επίπεδο τριγωνικό Τετραεδρικό Τριγωνική Διπυραμίδα Οκταεδρικό 17
Τα σχήματα των Molecular Shapes μορίων Για να αντιληφθούμε την δομή περί το κεντρικό άτομο λαμβάνουμε υπ όψη όλα τα ηλεκτρόνια (μονήρη και δεσμικά ζεύγη). Κατά την απόδοση του γεωμετρικού σχήματος του μορίου εστιάζουμε την προσοχή μας στις θέσεις των ατόμων. Τετραεδρικό Τριγωνική πυραμίδα γωνία 18
Το μοντέλο VSEPR Για τον προσδιορισμό του σχήματος ενός μορίου ξεχωρίζουμε τα μονήρη ζεύγη (ή αλλιώς μη δεσμικά ζεύγη) από τα δεσμικά ζεύγη (τα μοιραζόμενα μεταξύ των συνδεόμενων ατόμων) ηλεκτρονίων. Ορίζουμε τον χώρο της γεωμετρικής διάταξης των ηλεκτρονίων από την θέση στον τρισδιάστατο χώρο ΟΛΩΝ των ζευγών ηλεκτρονίων (δεσμικών και μη). Tα ηλεκτρόνια αποκτούν διαμόρφωση στο χώρο τέτοια ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώσεις e - -e -. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 19
Η θεωρία VSEPR (1) Τα ζεύγη ηλεκτρονίων απωθούνται αμοιβαία και προσπαθούν να λάβουν τις μεγαλύτερες δυνατές αποστάσεις μεταξύ των. (2) Οι θέσεις των ατόμων στο χώρο (μοριακή γεωμετρία ή διαμόρφωση γύρω από ένα κεντρικό άτομο) καθορίζονται από τις σχετικές θέσεις τις οποίες λαμβάνουν τα ζεύγη των ηλεκτρονίων λαμβανομένων υπόψη των απώσεων. (3) Η διάταξη των ζευγών γύρω από κεντρικό άτομο εξαρτάται από τον αριθμό των ζευγών αυτών ηλεκτρονίων. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17
Γεωμετρική διάταξη ηλεκτρονίων αναλόγως του αριθμού των ζευγών Αριθμός ηλεκτρονιακών ζευγών Διάταξη των Γεωμετρία των ηλεκτρονιακών ζευγώνηλεκτρονιακών ζευγών γραμμική Προβλεπόμενη γωνία Επίπεδη τριγωνική τετραεδρική Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 21
Αριθμός ηλεκτρονιακών ζευγών Διάταξη των ηλεκτρονιακών ζευγών Γεωμετρία των ηλεκτρονιακών ζευγών Προβλεπόμενη γωνία Τριγωνική διπυραμίδα οκταεδρική Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 22
Το μοντέλο VSEPR Για τον προσδιορισμό της διάταξης στο χώρο των ηλεκτρονίων: Σχεδιάζουμε την δομή Lewis (την πιθανότερη), Μετρούμε τον συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων που περιβάλλουν το κεντρικό άτομο, Διατάσσουμε τα ζεύγη των ηλεκτρονίων σε μια από τις παραπάνω γεωμετρίες κατά τρόπο ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώσεις e - -e - και μετρούμε τους πολλαπλούς δεσμούς ως ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Παράδειγμα:Το μόριο της ΝΗ 3 Δομή Lewis Γεωμετρική διάταξη ηλεκτρονίων (τετραεδρική) Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17 Μοριακή γεωμετρία (τριγωνική πυραμίδα) 23
Μοριακή γεωμετρία από τη δομή Lewis και από τον αντίστοιχο στερεοχημικό αριθμό (SN) (1) Υπολογίζουμε όλα τα ηλεκτρόνια σθένους γύρω από ένα κεντρικό άτομο σε δομή Lewis της ένωσης της οποίας προσδιορίζεται η γεωμετρία. (2) Υπολογίζουμε τον στερεοχημικό αριθμό (SN) του κεντρικού ατόμου από τον τύπο: SN = (αριθμός ατόμων τα οποία συνδέονται με το κεντρικό άτομο) + αριθμός μονήρων (μη δεσμικών) ζευγών ηλεκτρονίων του κεντρικού ατόμου. (4) Από τα σχήματα (παραπλεύρως) προσδιορίζεται η ιδανική διάταξη από το στερεοχημικό αριθμό. γραμμικό Επίπεδο τριγωνικό τετραεδρικό Τριγωνική διπυραμίδα οκταεδρικό SN = 2 SN = 3 SN = 4 SN = 5 SN = 6
(5) Μετά τον προσδιορισμό της διάταξης των ηλεκτρονίων στο κεντρικό άτομο, τοποθετούνται τα άτομα τα διαθέσιμα από τη δομή Lewis στις κορυφές των σχημάτων (6) Για τις γεωμετρίες τριγωνικής διπυραμίδας και οκταεδρικού σχήματος, στις οποίες υπάρχουν περισσότερες της μιας επιλογές για την τοποθέτηση των ατόμων στις κορυφές ακολουθώντας το κανόνα των 90 0 : (7) Πρώτα, ελαχιστοποίηση των απώσεων μονήρων ζευγών μονήρων ζευγών και στη συνέχεια, ελαχιστοποιούνται οι απώσεις μεταξύ μονήρων δεσμικών ζευγών ηλεκτρονίων. Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17
Τα πέντε βασικά είδη μοριακής γεωμετρίας τα οποία αντιστοιχούν στους τρόπους διάταξης των ζευγών ηλεκτρονίων περί το κεντρικό άτομο SN = 2 SN = 3 SN = 4 SN = 5 SN = 6 Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17
Κάποιες από τις γεωμετρίες (διαμορφώσεις) απλών μορίων στα οποία υπάρχει ένα κεντρικό άτομο το οποίο περιβάλλεται από το αυτό είδος ατόμων. Τα ονόματα των γεωμετριών φαίνονται στα αντίστοιχα σχήματα γραμμικό γωνιακό Επίπεδο τριγωνικό Τριγωνική πυραμίδα Σχήμα Τ τετραεδρικό Παραμορφωμένο τετράεδροτραμπάλα Επίπεδο τετραγωνικό Τριγωνική διπυραμίδα Τετραγωνική πυραμίδα Οκταεδρικό Πενταγωνική διπυραμίδα Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17
Σημαντικό: ο όρος μοριακή γεωμετρία αναφέρεται στις θέσεις των ΑΤΟΜΩΝ γύρω από το κεντρικό άτομο. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια που τυχόν υπάρχουν στο κεντρικό άτομο δεν λαμβάνονται υπόψη στην περιγραφή της τελικής γεωμετρίας του μορίου. Δηλαδή Η ΙΔΙΑ γεωμετρία (ο ίδιος SN) μπορεί να αντιστοιχεί σε περισσότερες της μιας μοριακές γεωμετρίες. Παραδείγματα. Όλα έχουν SN= 4 αλλά διαφορετική μοριακή γεωμετρία: H 2 O (γωνιακό), NH 3 (πυραμίδα) και CH 4 (τετραεδρικό) όλα συνδέονται με την ιδανική τετραεδρική γεωμετρία ηλεκτρονίων. Τετραεδρική γεωμετρία ηλεκτρονίων SN = 4 NH 3 H 2 O CH 4 Γενική και Ανόργανη Χημεία 2016-17