Cząsteczki wieloatomowe - hybrydyzacja

Czy w oparciu o koncepcję orbitali molekularnych można wytłumaczyć budowę cząsteczek?

Koncepcja

OA

OA

OCOA hyb

OA

OA hyb

OA hyb

OC

OA – orbitale atomoweOA hyb – orbitale atomowe zhybrydyzowanOM – orbitale molekularne

zdelokalizowane zlokalizowane

Fakty doświadczalne

153n-C6H14C-C154CH3CH(OH)CH3C-C

154C3H8C-C155C2H5OHC-C154C2H6C-C154diamentC-C96HCOOHO-H96CH3OHO-H97H2O2O-H96H2OO-H97OH-O-H

Długość wiązania [pm]CząsteczkaWiązanie

Fakty doświadczalne

Jak wyjaśnić kątową budowę cząsteczki wody?

Jak wyjaśnić strukturę diamentu?

H

O2δ−

δ+

δ+

105°

H

10_229

Diamond(a)

109.5o

Hybrydyzacja

Co to jest hybrydyzacja?Jakie są rodzaje hybrydyzacji?Jak w oparciu o hybrydyzację wyjaśnić strukturę molekuł?

2p

2s

hybrydyzacja

sp3

Hybrydyzacja sp3

Węgiel C

Hybrydyzacja

z

y

z

x

y

x

x

y

z

y

x

sp3

sp3

sp3

sp3

Hybridization

gives a tetrahedralarrangement

s

p y

p x

p z

x

y

z

z

y

x

y

z

x

y

z

z

x

sp3

Węgiel C

Hybrydyzacja sp3

Obital sp3

Hybrydyzacja

Alkanywęglowodory nasycone

Węgiel C

CH4 – metanC2H6 – etanC3H8 – propanC4H10 – butan

CnH2n+2

sp3

Hybrydyzacja

C

sp3

sp3sp3

sp3

H1s

H1s

H1s

H1s

sp3

Metan CH4

H

H

H

H

C

H

H

H

H

Hybrydyzacja sp3

Metan CH4

Hybrydyzacja sp3

H

H

H

H

sp3

sp3sp3

C

Wizualizacja cząsteczek

Czasteczka_hybryd_sp3.MOV

C

H

H

H

H C

H

HH

H

Hybrydyzacja

Etan C2H6

22_502

H

H

H H

H

H

CC

sp3

Węgiel C

Alkany

Hybrydyzacja

⎯ C⎯C ⎯

H H

H

H

H

H

sp3

Etan C2H6

Węgiel C

Alkany

Propan C3H8

Hybrydyzacja

⎯ C ⎯ C ⎯ C ⎯

H H

H

H

H

H

H

H

HH

H

HH

HH

H

sp3

Węgiel C

Alkany

Hybrydyzacja

chemsketch - freeware

sp3

Węgiel C

Alkany

Hybrydyzacja

n-alkany = łańcuchy „proste”

n-oktan

izomeria łańcuchowa

izooktan

sp3

Izomeria

Węgiel C

Alkany

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Rotacja

Hybrydyzacja

HH

H

HH

H

sp3

Rotacja

Węgiel C

Alkany

Hybrydyzacja

He

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

0.5 1 1.5 2 2.5 3

rotacja

ener

gia

pote

ncja

lna

3 kcal/mol

sp3

Rotacja

Węgiel C

Alkany

„płaszczyznawiązania”

konformery1,2-dichloretanu

Hybrydyzacja

trans cis

sp3

Rotacja – izomeria położeniowa

Węgiel C

Alkany

Hybrydyzacja

HH

H HH H HH

H HH H

HH H

H

HH

HH

HH

HH

krzesełkowa łódkowa

sp3

Konformacje

Węgiel C

Alkany cykliczne

cykloheksan

Hybrydyzacja

nCH2 CH2

polietylen

CH3

CH3

sp3

Polimery

Węgiel C

Alkany

n

09_162

sp3

sp3

H1s

H1s H

1s

lone pair

N

sp3

sp3

Hybrydyzacja sp3

Amoniak NH3

Hybrydyzacja

Aminy

NH2

R

N R

R

RNH R

R

I rzędowa II rzędowa III rzędowa

sp3

Azot N

R – dowolny węglowodór

Hybrydyzacja sp3

CH4 NH3 H2O

tetraedr109o

silniejszeodpychanie

słabsze odpychanie

kąt ↑

kąt ↓

piramida trygonalna107o

kątowa105o

Hybrydyzacja

OHHH

H HOH

HH

HH

H

H

H

H

OH

H

H

metanol etanol propanol

OH

H

HH

H

H

Alkohole

Etery

dimetylo eter

sp3

Hybrydyzacja sp2

hybrydyzacja

2p

2s sp2

Hybrydyzacja sp2

09_165

sp2 orbital

p orbital

sp2 orbital

sp2 orbital

orbital

Czasteczka_hybryd_sp2.MOV

Hybrydyzacja

Alkenywęglowodory nienasyconeC2H6 – etylenC3H8 – propenC4H10 – buten

CnH2n

Węgiel C

sp2

Hybrydyzacja sp2

C C

sp 2

sp 2

sp2

sp2

H1s

H1s

H1s

H1s sp2sp2

Eten C2H4

Hybrydyzacja sp2

Eten C2H4

09_168

(b)

HC C

H

H

H

sp 2

sp 2

sp 2

sp 2

H1sH1s C C

2p

sp 2 sp 2

(a)

Hybrydyzacja

Izomeria położeniowa

CH3 CH3

CH3 CH3

hepen-2

hepten-3

Węgiel C

Alkeny

sp2

Hybrydyzacja sp2

Benzen C6H6

09_202

H H

H

sp2

C C

C

CC

C

sp2

H1s

H

H H

Hybrydyzacja sp2

Benzen C6H6

H H

H

H

H H

H H

H H

H

H

wiązanie zdelokalizowanetypu π

Hybrydyzacja

Benzen C6H6 - pochodne

Węgiel C

Węglowodory aromatyczne

sp2

CH3 OH CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3toluen fenol ksyleny

orto meta para

HybrydyzacjaWęgiel C

Węglowodory aromatyczne

sp2

benzene naphthalene anthracenebenzen naftalen antracen

HybrydyzacjaWęgiel C

sp2

Karbonyle

C

O

R

R

O C

O

R

H

O C

H

RO C

R

Rkwasy aldehydy ketonykarboksylowe

kwas aldehyd acetonmrówkowy mrówkowy

O C

O

H

H

O C

CH3

CH3

O C

H

H

HybrydyzacjaWęgiel C

sp2

Karbonyle

C

O

R

R

O C

O

R

H

kwasy karboksylowe

kwas kwas kwasmrówkowy octowy węglowy

O C

O

H

H

O C

OH

OHO C

OH

CH3

HybrydyzacjaWęgiel C

sp2

Karbonyle

C

O

R

R

O C

O

R

H

kwasy karboksylowe

estry

kwaskarboksylowy

alkohol

O

O

R

R

HybrydyzacjaWęgiel C

sp2

Karbonyle

C

O

R

R

O C

O

R

H

kwasy karboksylowe

O

NH2

R

amidy

Hybrydyzacja

Czasteczka_NO3.MOV

sp2

Azot N

NO

O

OH

kwasazotowy

Nitryle

Hybrydyzacja

sp2

Chromofory

CCR

RR

RNC

RR

RNN

RR

ONR

OCR

R

grupy C=C cyjaninowe azowe nitrpowe karbonylowe

Hybrydyzacja sp2

Czasteczka_NO3.MOV

Hybrydyzacja sp

z

s px yy

x

zz

y

gives a lineararrangement

x

y

z

Hybridization180°

xx x

y

z

Czasteczka_hybryd_sp.MOV

Hybrydyzacja

Alkinywęglowodory nienasycone

Węgiel C

C2H2 – acetylenC3H4 – propynC4H6 – butyn

CnH2n-2

sp

Hybrydyzacja

O C O

sigm a bond(1 pair o f e lectrons) p i bond

(1 pair o fe lectrons)

p i bond(1 pair o fe lectrons)

(a)

O C O

sp

CO2

Hybrydyzacja

p

spsp

p

( )

N

sp

N2

lone pair sigma bond lone pair

NNsp sp sp sp

(c)

NN

2p

2pH1s

H

sp

2p

2p

C

sp 2p

2p

2p

C H

H1s

2p

sp

Hybrydyzacja sp

Acetylen C2H2

Porównanie typów hybrydyzacji

Jak z orbitali atomowych otrzymać orbitale hybrydowe?

sp2

)(

)(

21

2

21

1

x

x

pst

pst

−=

+=

xy

xy

x

ppst

ppst

pst

61

21

31

3

61

21

31

2

32

31

1

−+=

−−=

+=)(

)(

)(

)(

21

4

21

3

21

2

21

1

zyx

zyx

zyx

zyx

pppst

pppst

pppst

pppst

+++=

+−−=

−+−=

−−+=

Formalizm – liniowa kombinacja orbitali atomowychsp

sp3

“p” charakter

“s” charakter

sp3 sp2 sp

gęstość elektronowa

Porównanie typów hybrydyzacji

Porównanie typów hybrydyzacji

wzrost charakteru „s”

i 2 p-pHC≡CH82812.1sp-spC≡C

CH2=CH260713.4sp2-sp2C=C

CH3- CH336815.4sp3-sp3C-C

molekułaenergia, kJ/mol

długość, pm

typwiązanie

i p-p

Number ofEffective Pairs

Arrangementof Pairs

HybridizationRequired

2 Linear sp

180°

3 Trigonalplanar

sp2

120°

4 Tetrahedral

109.5°

5 Trigonalbipyramidal

dsp3

90°

120°

90°

90°

6 Octahedral d2sp3

sp3

Porównanie typów hybrydyzacji

Kształty cząsteczek

Orbitale molekularne

Czy hybrydyzacja jest potrzebna do opisu wiązań w cząsteczce?

Orbitale molekularneCząsteczka CO – bez hybrydyzacji

Bielański

2p2p

σ1s

σ*1s

π2p

σ2p

π*2pC O

2s2s

2s

2s

2s

Orbitale molekularneCząsteczka CO –hybrydyzacja atomu C

2p

2px

σt1-p

πp

π*p

σ*ti-p

2s

σns

t1 t2

2py 2pz

t2

2s

2p

2px

σt1-p

πp

π*p

σ*ti-p

2s

σns

C O

t1 t2

2py 2pz

t2

2sAtkins