‹#›

RJC

Wiązania Chemiczne & Wiązania Chemiczne & Struktura CząsteczkiStruktura Cząsteczki

Wiązania Chemiczne & Wiązania Chemiczne & Struktura CząsteczkiStruktura Cząsteczki

Teoria Orbitali & HybrydyzacjaTeoria Orbitali & HybrydyzacjaTeoria Orbitali & HybrydyzacjaTeoria Orbitali & Hybrydyzacja

Slides 1 to 39

‹#›

RJC

Układ okresowy pierwiastkówUkład okresowy pierwiastków

‹#›

RJC

Siły występujące w cząsteczce związku Siły występujące w cząsteczce związku organicznegoorganicznego

Atomy w cząsteczce związku organicznego są Atomy w cząsteczce związku organicznego są połączone wiązaniami kowalencyjnymi połączone wiązaniami kowalencyjnymi

‹#›

RJC

Czym jest wiązanie kowalencyjne ?Czym jest wiązanie kowalencyjne ?

Dwa atomy dzielą wspólne pary elektronowe.Dwa atomy dzielą wspólne pary elektronowe.

•• ••

Woda HWoda H22OO

HO

H

•

• ••

•

•

••

‹#›

RJC

Jak powstaje wiązanie kowalencyjne ?Jak powstaje wiązanie kowalencyjne ?

... trzeba zrozumieć elektronową strukturę atomu... trzeba zrozumieć elektronową strukturę atomu

tlen wodór

1s

2s

2p

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Teoria orbitali atomowychTeoria orbitali atomowych

Przestrzeń wokół jądra atomu, gdzie występuje Przestrzeń wokół jądra atomu, gdzie występuje największe prawdopodobieństwo napotkania największe prawdopodobieństwo napotkania

elektronu nazywana jest orbitalemelektronu nazywana jest orbitalem

orbital jądro

‹#›

RJC

Jak przedstawiany jest orbital ?Jak przedstawiany jest orbital ?

Im dalej od jądra ulokowane są elektrony, tym Im dalej od jądra ulokowane są elektrony, tym wyŜsza jest energia orbitalu wyŜsza jest energia orbitalu

1 1 2 2 3 3

‹#›

RJC

Jak przedstawiany jest orbital ?Jak przedstawiany jest orbital ?

Kształt orbitalu zmienia się wraz z jego energiąKształt orbitalu zmienia się wraz z jego energią

orbital typu s orbital typu p

‹#›

RJC

Orbital 1sOrbital 1s

Elektrony o najniŜszej energii obsadzają kulisty Elektrony o najniŜszej energii obsadzają kulisty orbital 1sorbital 1s

orbital 1s

‹#›

RJC

Orbital 2sOrbital 2s

Kulisty orbital 2s posiada wyŜszą energię niŜ 1s Kulisty orbital 2s posiada wyŜszą energię niŜ 1s

orbital 2s

‹#›

RJC

Orbitale 2pOrbitale 2p

Orbitale 2s mają kształt ósemek (hantli) i Orbitale 2s mają kształt ósemek (hantli) i rozmieszczone są wzdłuŜ trzech współrzędnychrozmieszczone są wzdłuŜ trzech współrzędnych

orbital 2px orbital 2py orbital 2pz

‹#›

RJC

Orbitale 3s, 3p, 4s i 4p...Orbitale 3s, 3p, 4s i 4p...

2s 3s 4s

2py 3py 4py

2s 3s 4s

‹#›

RJC

Orbitale: Chemia OrganicznaOrbitale: Chemia Organiczna

Chemia węgla dotyczy powstawania wiązań z Chemia węgla dotyczy powstawania wiązań z udziałem orbitali 2s oraz 2p udziałem orbitali 2s oraz 2p

2s 2px + 2py + 2pz1s

‹#›

RJC

Konfiguracje elektronówKonfiguracje elektronów

Opisują obsadę orbitali przez elektrony w atomie Opisują obsadę orbitali przez elektrony w atomie danego pierwiastkadanego pierwiastka

węgiel

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Stan podstawowyStan podstawowy

Opisuje stan atomu o najniŜszej energiiOpisuje stan atomu o najniŜszej energii

węgiel

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Reguły obsadzania orbitali przez Reguły obsadzania orbitali przez elektrony...elektrony...

Elektrony nie obsadzają orbitali w sposób Elektrony nie obsadzają orbitali w sposób przypadkowy...przypadkowy...

Kolejność obsadzania orbitali Kolejność obsadzania orbitali (od najniŜszej energii)

Zakaz Pauliego Reguła Hunda

‹#›

RJC

Kolejność obsadzania orbitaliKolejność obsadzania orbitali

Obsadzanie zawsze rozpoczyna się od orbitali o Obsadzanie zawsze rozpoczyna się od orbitali o najniŜszej energii!najniŜszej energii!

Atom węgla

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Zakaz Pauliego Zakaz Pauliego

Na kaŜdym orbitalu moŜna ulokować tylko dwa Na kaŜdym orbitalu moŜna ulokować tylko dwa elektrony posiadające przeciwny spin elektrony posiadające przeciwny spin

2p

Atom węgla

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Reguła HundaReguła Hunda

...w przypadku dwóch lub więcej orbitali o tej ...w przypadku dwóch lub więcej orbitali o tej samej energiisamej energii

...orbitale zapełniane są najpierw pojedynczo....orbitale zapełniane są najpierw pojedynczo.

atom węgla

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Przykładowo... Atom wodoruPrzykładowo... Atom wodoru

2p

atom wodoru

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Przykładowo... Atom tlenuPrzykładowo... Atom tlenu

2p2p

Atom tlenu

1s

2s

2p

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Wiązanie kowalencyjneWiązanie kowalencyjne

Powstaje w wyniku wspólnego uŜytkowania przez Powstaje w wyniku wspólnego uŜytkowania przez atomy elektronów niesparowanych z powłoki atomy elektronów niesparowanych z powłoki

walencyjnej.walencyjnej.

* *2p2p

Niesparowane elektrony walencyjne ulokowane są na orbitalach o najwyŜszej energii.

atom tlenu

1s

2s

2p

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Struktury LewisaStruktury Lewisa

Prosty sposób prezentacji wiązania Prosty sposób prezentacji wiązania kowalencyjnego, w którym ...kowalencyjnego, w którym ...

elektrony walencyjne są przedstawione za elektrony walencyjne są przedstawione za pomocą kropki.

Trwała cząsteczka powstaje wtedy, gdy atom osiąga konfigurację gazu szlachetnego.

‹#›

RJC

Cząsteczka metanu CHCząsteczka metanu CH44

H••

CH H

H

••

•• •

••

•

‹#›

RJC

Cząsteczka metanolu CHCząsteczka metanolu CH33OHOH

H•• ••

CH O

H

••

•••

••

• H••• •

• •

‹#›

RJC

Struktury Lewisa i KekulegoStruktury Lewisa i Kekulego

...kłopotliwy nawet dla cząsteczek o średniej ...kłopotliwy nawet dla cząsteczek o średniej wielkościwielkości

…prostszy sposób zapisu wiązań wg Kekulego. …prostszy sposób zapisu wiązań wg Kekulego.

C O• ••••

• •C••

•• •

••

• H

H

H

C••

•

••H ••

H

C••

•••

••

• H

H

H

CC

CO C

HH

HHH

HH

H

‹#›

RJC

Struktury KekulegoStruktury Kekulego

...wiązania kowalencyjne są przedstawiane za ...wiązania kowalencyjne są przedstawiane za pomocą kreski, a elektrony niewiąŜące są pomijane.pomocą kreski, a elektrony niewiąŜące są pomijane.

CH O

H

H

••

•• •

••

• H••• •

• •C O HH

HH

‹#›

RJC

Teoria orbitali i atom węgla?Teoria orbitali i atom węgla?

atom węgla, w stanie podstawowym, posiada tylko atom węgla, w stanie podstawowym, posiada tylko dwa elektrony na powłoce walencyjnej... dwa elektrony na powłoce walencyjnej...

2pH

...ale atom węgla tworzy cztery, a nie dwa wiązania kowalencyjne!

atom węgla

1s

2sCH H

H

H

••

•••

••

•

‹#›

RJC

Konfiguracja elektronowa w stanie Konfiguracja elektronowa w stanie wzbudzonymwzbudzonym

Najtrwalsza struktura cząsteczki jest osiągana Najtrwalsza struktura cząsteczki jest osiągana raczej poprzez udział elektronów w stanie raczej poprzez udział elektronów w stanie

wzbudzonym, a nie podstawowymwzbudzonym, a nie podstawowym

Stan podstawowyStan podstawowy Stan wzbudzonyStan wzbudzony

atom węgla atom węgla

Stan podstawowyStan podstawowy Stan wzbudzonyStan wzbudzony

1s

2s

2p

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Nakładanie orbitaliNakładanie orbitali

Siła wiązania kowalencyjnego jest określona Siła wiązania kowalencyjnego jest określona przez stopień nałoŜenia orbitali.przez stopień nałoŜenia orbitali.

s s

p s

s s

p p

dobre

bardzo dobre doskonałe

‹#›

RJC

Cząsteczka metanuCząsteczka metanu

Atom węgla posiada jeden elektron 2s oraz 3 Atom węgla posiada jeden elektron 2s oraz 3 elektrony 2p, które mogą uczestniczyć w elektrony 2p, które mogą uczestniczyć w

powstawaniu wiązań.powstawaniu wiązań.

stan wzbudzonystan wzbudzony

atom węgla

stan wzbudzonystan wzbudzony

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Cząsteczka metanuCząsteczka metanu

Atom wodoru posiada jeden niesparowany elektron Atom wodoru posiada jeden niesparowany elektron 1s mogący tworzyć wiązanie kowalencyjne.1s mogący tworzyć wiązanie kowalencyjne.

Stan wzbudzonyStan wzbudzony

atom wodoru

Stan wzbudzonyStan wzbudzony

1s

2s

2p

‹#›

RJC

Cząsteczka metanuCząsteczka metanu

Powstawanie wiązań powinno doprowadzić do Powstawanie wiązań powinno doprowadzić do utworzenia wiązania 2sutworzenia wiązania 2s--1s oraz 1s oraz

trzech wiązań 2ptrzech wiązań 2p--1s .1s .

‹#›

RJC

Cząsteczka metanuCząsteczka metanu

NaleŜałoby oczekiwać, Ŝe 3 wiązania CNaleŜałoby oczekiwać, Ŝe 3 wiązania C--H (2pH (2p--1s) 1s) są krótsze niŜ pozostałe jedno (2ssą krótsze niŜ pozostałe jedno (2s--1s).1s).

CH

H HH

‹#›

RJC

Geometria tetragonalnaGeometria tetragonalna

Eksperymentalnie wykazano, Ŝe wszystkie Eksperymentalnie wykazano, Ŝe wszystkie wiązania są jednakowo długie i rozlokowane wiązania są jednakowo długie i rozlokowane

wewnątrz tetraedru (czworościanu).wewnątrz tetraedru (czworościanu).

C

H

HH

H

‹#›

RJC

‹#›

RJC

Powstawanie cząsteczki etanuPowstawanie cząsteczki etanu

‹#›

RJC

HybrydyzacjaHybrydyzacja

Wiązania w metanie najlepiej jest wytłumaczyć Wiązania w metanie najlepiej jest wytłumaczyć przy załoŜeniu, Ŝe orbitale 2s oraz 2p ulegają przy załoŜeniu, Ŝe orbitale 2s oraz 2p ulegają

hybrydyzacji dając 4 orbitale sphybrydyzacji dając 4 orbitale sp33..

2s + 2p + 2p + 2p 2sp3 + 2sp3 + 2sp3 + 2sp3

‹#›

RJC

Po hybrydyzacji: konfiguracja elektronowaPo hybrydyzacji: konfiguracja elektronowa

Stan wzbudzonyStan wzbudzony Po hybrydyzacjiPo hybrydyzacji

2p

Atom C Atom C

1s

2s

2p

1s

2sp3

‹#›

RJC

Dlaczego hybrydyzacja ? To poprawia Dlaczego hybrydyzacja ? To poprawia stopień nakładania orbitali !stopień nakładania orbitali !

Siła wiązania kowalencyjnego jest uzaleŜniona od Siła wiązania kowalencyjnego jest uzaleŜniona od stopnia nałoŜenia orbitali...stopnia nałoŜenia orbitali...

“...orbitale po hybrydyzacji nakładają się lepiej “...orbitale po hybrydyzacji nakładają się lepiej niŜ przed hybrydyzacją ...”

sp3 s p s

‹#›

RJC

Wykorzystanie teorii orbitali/hybrydyzacjiWykorzystanie teorii orbitali/hybrydyzacji

Teoria orbitali oraz hybrydyzacja pozwalają Teoria orbitali oraz hybrydyzacja pozwalają dobrze zrozumieć takie fakty jak kształt cząsteczki dobrze zrozumieć takie fakty jak kształt cząsteczki

zarówno w prostych jak i skomplikowanych zarówno w prostych jak i skomplikowanych związkach organicznych.związkach organicznych.związkach organicznych.związkach organicznych.

‹#›

RJC

Podsumowanie: podstawowe pojęcia Podsumowanie: podstawowe pojęcia

Wiązanie kowalencyjneWiązanie kowalencyjneKonfiguracja elektronowa

Konfiguracja elektronowa w stanie podstawowym

Zasady wypełniania orbitaliZasady wypełniania orbitaliZakaz PauliegoReguła Hunda

Orbitale (s, p oraz sp3)Struktury Lewisa oraz Kekulego

Hybrydyzacja