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

Hybrydyzacjasp3

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

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

09_162

sp3

sp3

H1s

H1s H

1s

lone pair

N

sp3

sp3

Hybrydyzacja sp3

Amoniak NH3

Hybrydyzacja sp3

CH4 NH3 H2O

tetraedr109o

silniejszeodpychanie

słabsze odpychanie

kąt ↑

kąt ↓

piramida trygonalna107o

kątowa105o

Hybrydyzacja sp3

Etan C2H6

22_502

H

H

H H

H

H

CC

Hybrydyzacja sp3

�płaszczyznawiązania�

konformery1,2-dichloretanu

Rotacja

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

Hybrydyzacja sp3

Rotacja

Alkany

Hybrydyzacja sp3

Węglowodory nasycone

n-alkany = łańcuchy �proste�

n-oktan

izomeria łańcuchowa

izooktan

sp3

109°28�109°28�

sp3

109°28�109°28�

22_500

Boat

These two Hatoms repeleach other

Chair

Hybrydyzacja sp3

Węglowodory nasycone cykliczne

Cykloheksan - konformacje

Hybrydyzacja sp2

hybrydyzacja

2p

2s

sp2

Hybrydyzacja sp2

09_165

sp2 orbital

p orbital

sp2 orbital

sp2 orbital

orbital

Czasteczka_hybryd_sp2.MOV

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 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 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

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

molekułaenergiadługość, 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

Porównanie typów hybrydyzacjiPrzykłady cząsteczek

105oH2Okątowy22sp3

107oNH3piiramidatrygonalna

13sp3

109oCH4tetraedr04sp3

120oSO2kątowy12sp2

120oSO3trójkąt płaski03sp2

kąt pomiędzy wiązaniami

przykładkształtliczba wolnych par

liczba podstawników

hybrydyzacja

Orbitale molekularne

Czy hybrydyzacja jest potrzebna do opisu wiązań w cząsteczce?

Orbitale molekularneCząsteczka CO � bez hybrydyzacji

2s2s

σs

σ*s

2p2p

σp

πp

π*p

σ*p

CO2p

2p

σp

πp

π*p

σ*p

2p2p

σp

πp

π*p

σ*p

CO

Bielański

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