2 Efnatengi og uppbygging sameindanna Stuðningefniodduring/2_Efnatengi og...2 Almenn efnafræði V, EFN301G Háskóli Íslands, Dr. Oddur Ingólfsson Jónatengi • Jónatengjum (ionic

1

Efnatengi og uppbygging sameindanna

Háskóli Íslands Dr. Oddur Ingólfsson

Almenn efnafræði V, EFN301G

Námsmarkmið. Almenn efnafræði V, EFN301G

Háskóli Íslands, Dr. Oddur Ingólfsson

•  Nemendur geti:

•  Notað rafeindaskipan frumefnanna til að skýra hversvegna málmar mynda frekar katjónir og málmleysingjar anjónir.

•  Útskýrt orkubreytinguna sem verður við myndun jónatengja (ionic bonds).

•  Skilgreint rafneikvæðni (electronegativity) og hvernig hún tengist stöðu frumefnanna í lotukerfinu.



•  Geta borið kennsl á skautuð- (polar), óskautuð- (nonpolar) og jónatengi (ionic bonds) útfrá rafneikvæðni efnanna.

•  Ritað Lewis formgerð og rafeindaskipan (Lewis (electronic)structures) sameinda og jóna.

•  Útskýrt efnatengi útfrá skörun atómsvigrúmanna og takmarkannir á þeirri mynd af efnatengjum.

•  Útskýrt, útfrá skörun atómsvigrúmanna (orbital overlap model) hvernig blöndun þeirra (hybridization) tengist lögun sameindanna (molecular shapes).



•  Sagt til um formgerð (geometry) sameinda útfrá Lewis myndum þeirra.

•  Teiknað formgerð einfaldra sameinda.

•  Útskýrt myndun tví- og þrítengja (multiple bonds) útfrá skörun atómsvigrúmanna og blöndun þeirra.

•  Borið kennsl á sigma (σ) og pi tengi (π) í sameindum og geta útskýrt muninn á þeim.

2



Jónatengi

•  Jónatengjum (ionic bonds) er hægt að lýsa útfrá þeim rafkröftum sem verka á milli einda með gagnstæða hleðslu (electrostatic attraction)

•  Jónatengi myndast milli málma og málmleysingja.

•  Því meiri sem munurinn er á milli þeirra, þ.e. því lengra sem er á milli þeirra í lotukerfinu, því sterkari eru jónaeinkenni efnatengjanna.



Gildisrafeindir (Valence electrons) eru rafeindirnar á ysta hvolfi frumeindarinnar (hvolfið með hæsta n gildi). Gildisrafeindirnar taka þátt í efnatengjunum.

1A 1 ns1 2A 2 ns2 3A 3 ns2np1 4A 4 ns2np2 5A 5 ns2np3 6A 6 ns2np4 7A 7 ns2np5

Lota # gildisrafeinda e- Rafeindaskipan

8A 8 ns2np6

Gildisrafeindir (Valence electrons)



Rafeindatákn Lewis



Myndun jóna

•  Málmar meginhópana með ystu rafeindir í s og p undirhvolfum hafa lága jónunarorku og mynda np6 katjónir. •  Jónunarorkan er sérstaklega há þegar rafeindaskipanin er np6.

•  Hliðarmálmarnir geta myndað katjónir með mjög mismunandi hleðslu. •  Fyrst eru rafeindir fjarlægðar úr s undirhvolfinu. •  Frekari rafeindir eru fjarlægðar úr d undirhvolfunum. •  Full og hálffull d undirhvolf eru sérataklega stöðug. •  Fe2+ og Fe3+ eru stöðugar jónir.

•  Málmleysingjar hafa jákvæða rafeindasækni (electron affinities og taka up rafeindir til að mynda anjónir með rafeindaskipanina np6.

3



Stöðugleiki og rafeindaskipan Almenn efnafræði V, EFN301G


Jónir



ns1

ns2

ns2 n

p1

ns2 n

p2

ns2 n

p3

ns2 n

p4

ns2 n

p5

ns2 n

p6

d1

d5

d10

4f

5f

Rafeindaskipan (electron configuration) frumefnanna í grunnástandi þeirra (ground state).



Stærð Jóna Hlutfallsleg hleðsla kjarnans og skermun ystu rafeindanna

rKatjón << rAtóm << tAnjón

4



Jónir

•  Katjónir minnka frá vinstri til hægri í lotukerfinu. •  Katjónir í sama hóp hafa sömu rafeindaskipan.

•  Anjónir minnka frá vinstri til hægri í lotukerfinu. •  Anjónir í sama hóp hafa sömu rafeindaskipan.

•  Fjöldi róteinda eykst frá vinstri til hægri í lotukerfinu. •  Rafeindir dragast þéttar að kjarnanum radíus jónanna

minnkar.



Na + F Na+ F -

Jónatengi

1s22s1 1s22s22p5 1s2 1s22s22p6 [He] [Ne]

Na Na+ + e- e- + F F -

F - Na+ + Na+ F -



•  Til að mynda jónapar X+ + Y– þarf orku. •  Það þarf orku til að mynda katjón með því að fjarlægja rafeind. •  Það losnar orka við að mynda anjón með því að taka upp

rafeind. •  Oftast þarf meiri orku til að mynda katjóninna en losnar við

myndun anjónarinnar.

•  Þegar jónasambönd (sölt) myndast lækka rafkraftarnir, sem eru virkir á milli katjónanna og anjónanna, heildarorku kerfisins verulega.

F ! q1q2r2

V = k q1q2r

Kraftur Stöðuorka

Jónasambönd Almenn efnafræði V, EFN301G


•  Jónasambönd mynda stökk fastefni (sölt) þar sem jónirnar mynda þrívíða kristalgrind (crystal lattice.

•  Víklverkan milli fjölda jóna.

Jónasambönd

5



Grindarorkan (E) eykst ef hleðslan (Q) eykst og/eða ef fjarlægðin (r) minnkar.

Tengi Grindarorkan MgF2 MgO

LiF LiCl

2957 3938

1036 853

Q= +2,-1 Q= +2,-2

r F < r Cl

Rafkraftar (Electrostatic Energy)

E = 2,31 10-19 Q+Q- r

Q+ er hleðsla katjónarinnar Q- er hleðsla anjónarinnar

r er fjarlægðin á milli þeirra

Grindarorkan (E) (Lattice energy) er orkan sem þarf til að brjóta eitt mól af jónatengdu efni á föstu formi (salti) niður í einingar sínar, þ.e.a.s. fullkomlega aðskildar jónirnar í loftkenndu formi.



Myndun jóna

•  Hversu mikil orka losnar þegar NaF myndast úr Na(g) og F(g).

•  Fyrst verður að mynda jónaparið Na+ + F–. (496 – 328 = +168 kJ/mól) •  Jónunarorka Na er 496 kJ/mól. •  Rafeindasækni F er 328 kJ/mól.

•  Síðan er Coulomb orkan reiknuð útfrá jóna radíusnum. •  V = -591 kJ/mól.

•  Orkan sem losnar vegna Coulomb kraftanna er töluvert mieri en orkan sem þarf til að mynda jónaparið Na+ + F-. •  Við myndun NaF tengisins losnar orka.



Born-Haber hringur til að reikna út grindarorkuna.

ΔHHvarf = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 + ΔH4 + ΔH5 o o o o o o

ΔHo3 = 520 kJ

ΔHo1 = 155,2 kJ ΔHo

2 = 75,3 kJ

ΔHo4 = -328 kJ

ΔHo5 = -1017 kJ

ΔHoHvarf = -594,1 kJ



Jónasambönd

6



Samgild tengi (covalent bonds)

•  Samgild tengi (covalent bonds) byggja á samnýtingu rafeindapara.

•  Ávinningurinn er lægri heildarorka kerfisins.

•  Í jónatengjum lækkar heildarorka kerfisins við rafeindaflutning á milli atómanna.

•  Í samgildum tengjum lækkar heildarorka kerfisins við það að viss fjöldi rafeinda víxlverkar við kjarna tveggja atóma.



Efnatengi og orka

•  Stöðuorka tveggja atóma. •  Rafeindir beggja atómanna dragast að kjarna hvers annars. •  Kjarnar beggja atómanna hrinda hver öðrum frá sér. •  Rafeindir beggja atómanna hrinda hver annarri frá sér. •  Samgilt tengi myndast ef það er stöðuorkulámark þegar tvö atóm nágast

hvort annað.



Efnatengi og orka

•  Tengjaorka (Bond energy) – er orkan sem losnar þegar tvö atóm tengjast.

•  Tengjalengd (Bond length) – er fjarlægð kjarnanna þar sem heildarorka kerfisins er í lámarki.

•  Rafeindadreifing atóma sem eru tengd samgildum tengjum er allt önnur en ótengdra atómanna. •  Einangruð atóm hafa kúlulaga rafeindadreifingu. •  Atóm tengd samgildu tengi hafa sameiginlegan rafeindaþéttleika

milli atómanna.

Efnatengi og orka Almenn efnafræði V, EFN301G


7

Breyting á dreifingu rafeinda-þéttleikans þegar tvær vetnis-frumeindir nálgast hverja aðra.

Rafeindaþéttleikinn Almenn efnafræði V, EFN301G




•  Það losnar alltaf orka þegar efnatengi myndast. •  Orkan sem þarf til að rjúfa efnatengi (bond dissociation energy),

er sú sama og losnar við myndun þeirra. •  Tengjaorkan er háð eðli atómanna og tengjanna sem þau

mynda.

•  Í efnahvörfum eru tengi rofin og mynduð þegar hvarfefnin breytast í myndefni. •  Ef orkan sem þarf til að rjúfa tengi í slíku ferli er minni en sú sem

losnar við myndun nýrra efnatengja, þá er efnahvarfið útvermið þ.e. gefur frá sér orku.

Efnatengi og orka



Stöð

uork

a

Fjarlægð milli vetnisfrumeindanna

Breyting á stöðuorku vetnissameindarinnar þegar hún klofnar í frumeindir sínar.



Efnatengi og efnahvörf

•  Tengjaorka samgildu efnatengjanna í Tefloni og þeim efnum sem myndast við bruna þess.

•  O–F í OF2 , sem myndast við bruna Teflons eru veik í samanburði við C-F tengin í Tefloni

•  Teflon brennur ekki auðveldlega.

8



•  Jónatengi, katjónirnar og anjónirnar hafa np6 rafeindaskipan (eðalgas). •  Málmurinn tapar rafeind(um). •  Málmleysinginn tekur upp rafeind(ir).

•  Í samgildum tengjum tilheyra vissar rafeindir (rafeindapör) báðum atómum. •  Þannig geta bæði atómin náð stöðugri rafeindaskipan ytri

hvolfanna oftast 8 gildisrafeindir (valence electrons) umhverfis hvort atóm.

Efnatengi og formgerð (structure) sameinda Almenn efnafræði V, EFN301G


•  Octet reglan- atóm mynda samgild tengi til að fylla ysta aðalhvolfið.

•  Fyrir n = 1 eru það 2 rafeindir annars oftast 8 rafeindir (ns2np6).

•  Lewis myndir (dot symbols) eru notaðar til að lýsa rafeindaskipan atóma og sameinda. •  Rafeindirnar eru táknaðar með punktum umhverfis atómin. •  Fyrstu fjórir punktarnir (rafeindirnar) eru stakir. •  Næstu fjórir mynda pör með þeim sen fyrir eru. •  Ysta hvolfið er fyllt þegar rafeindirnar eru 8 (ns2np6).

Efnatengi og formgerð (structure) sameinda



•  Lewis formgerðir meginhópanna. •  Frumefni sama hóps hafa sama fjölda gildisrafeinda og þar af

leiðandi sömu Lewis formgerð.

Efnatengi og formgerð (structure) sameinda Almenn efnafræði V, EFN301G


•  Lewis formgerðir (Lewis dot structures) sýna hversu margar rafeindir tilheyra hverju atómi.

•  Rafeindapar milli atóma tilheyrir báðum og myndar tengið.

•  Rafeindapör sem mynda tengi má tákna með línu milli atómanna.

•  Rafeindapör sem tilheyra öðru atóminu eru ekki hluti af efnatengi milli atómanna og því “nonbonding” oft talað um stök rafeindapör (lone pair electrons).

Efnatengi og formgerð (structure) sameinda

9



Samgild tengi (covalent bonds) eru efnatengi þar sem frumeindirnar samnýta tvær eða fleiri rafeindir.

Af hverju að samnýta rafeindir?

F F +

7e- 7e-

F F

8e- 8e-

F F

F F

Lewis mynd (structure) af F2 stök rafeindapör

stök rafeindapör

stök rafeindapör

stök rafeindapör

einfalt samgilt tengi

einfalt samgilt tengi

Samgilt tengi Almenn efnafræði V, EFN301G


8e-

H H O + + O H H O H H eða

2e- 2e-

Lewis myndir af vatnsameindinni.

Tvítengi (double bond): Tvær frumeindir samnýta tvö rafeindapör (fjórar rafeindir).

einfalt tengi

O C O eða O C O

8e- 8e- 8e- tvítengi tvítengi

Þrítengi (triple bond): Tvær frumeindir samnýta þrjú rafeindapör (sex rafeindir).

N N 8e- 8e-

N N

þrítengi þrítengi

eða


Jónatengi og samgild tengi




1.  Teiknið grindina af efnasambandinu (hvaða frumeindir tengjast hverjum). Setjið minnst rafneikvæða efnið í miðjuna.

2.  Teljið gildisrafeindirnar e-. Bætið einni við fyrir hverja neikvæða hleðslu. Dragið eina frá fyrir hverja jákvæða hleðslu.

3.  Teiknið einföld tengi til miðjufrumeindarinnar (hvert einfalt tengi er tvær rafeindir).

4.  Merkið inn rafeindir við allar ytri frumeindirnar þannig að þær hafi allar átta rafeindir, oktett reglan. Vetni er undantekning, þar skal ekki bæta við rafeindum.

5.  Ef myndin inniheldur of margar rafeindir myndið þá tví- og þrítengi til miðjufrumeindarinnar eins og þörf krefur.

Að teikna Lewis myndir sameinda

10



Teiknið Lewis myndir af NF3 (nitrogen trifluoride).

Þrep 1 – N er ekki eins rafneikvætt og F, setjið N í miðjuna.

F N F

F

Þrep 2 – Teljið gildisrafeindirnar N = 5 (2s22p3) og F = 7 (2s22p5)

5 + (3 *7) = 26 gildisrafeindir

Þrep 3 – Teiknið einföld tengi milli N og F frumeindanna og fyllið upp að átta rafeindum við N og F frumeindirnar.

Þrep 4 - Athugið hvort það séu jafn margar rafeindir í myndinni og gildisrafeindirnar sem taldar voru til í upphafi (26).

3 einföld tengi (3 * 2) + 10 stök rafeindapör (10 * 2) = 26 gildisrafeindir.



Teiknið Lewis myndir af CO32- (carbonate ion).

Þrep 1 – C er ekki eins rafneikvætt og O, setjið C í miðjuna.

O C O

O

Þrep 2 – Teljið gildisrafeindirnar C = 4(2s22p2) og O = 6(2s22p4) +2 hleðsla er 2e- :

4 + (3 * 6) + 2 = 24 gildisrafeindir. Þrep 3 – Teiknið einföld tengi milli C og O frumeindanna og fyllið upp að átta rafeindum við O og F frumeindirnar.

Þrep 4 - Athugið hvort það séu jafn margar rafeindir í myndinni og gildisrafeindirnar sem taldar voru til í upphafi (24).

3 einföld tengi (3 * 2) + 10 stök rafeindapör (10 * 2) = 26 gildisrafeindir

Þrep 5 - Rafeindirnar eru of margar, myndið tvítengi og teljið aftur.

2 einfalt tengi (2 * 2) = 4 1 tvítengi = 4

8 stök rafeindapör (8 * 2) = 16 Total = 24



Hluthleðsla frumeindar í efnatengi (formal charge) er munurinn á fjölda gildisrafeinda frumeindarinnar og fjölda rafeinda sem tilheyra frumeindinni í Lewis mynd sameindarinnar.

Hluthleðsla frumeindarinnar í Lewis mynd efnatengisins.

= 1 2

Fjöldi e- í tengjum ( ) gildisrafeindir

frumeindarinnar - Fjöldi e- utan tengja -

Samanlögð hluthleðsla allra frumeinda sameindar (jónar) er jöfn hleðslu sameindarinnar (jónarinnar).

Hluthleðsla

= gildisrafeindir frumeindarinnar - Fjöldi e- utan

tengja - Fjöldi tengja



Hluthleðsla og Lewis myndir

1.  Lewis myndir óhlaðinna sameinda eru stöðugastar ef hluthleðsla allra frumeinda þeirra er núll.

2.  Lewis myndir með háa hluthleðslu eru ólíklegri en þær sem eru með lága hluthleðslu.

3.  Ef Lewis myndir hafa svipaða hluthleðsludreifingu þá er sú uppbygging stöðugust þar sem neikvæða (-) hluthleðslan er á rafneikvæðari frumeindinni.

11



H C O H

H C O

H

Hvor er líklegri til að vera rétt ?

Tvær mögulegar uppbyggingar formalíns (CH2O).



H C O H C – 4 e- O – 6 e-

2H – 2 * 1 e-

12 e-

2 einföld tengi (2*2) = 4 1 tvítengi = 4

2 stök pör (2*2) = 4 Total = 12

Hluthleðsla C = 4 - 2 - ½ * 6 = -1

Hluthleðsla O = 6 - 2 - ½ * 6 = +1

-1 +1


= 1 2






C – 4 e- O – 6 e-

2H – 2*1 e-

12 e-

2 einföld tengi (2*2) = 4 1 tvítengi = 4

2 stök pör (2*2) = 4 Total = 12

H C O

H

Hluthleðsla C = 4 - 0 - ½ * 8 = 0

Hluthleðsla O = 6 - 4 - ½ * 4 = 0

0 0


= 1 2






Samhljóma mynd (resonance structure) er ein af tveimur eða fleiri Lewis myndum sameindar sem ekki er hægt að lýsa nægjanlega með einni Lewis mynd.

O O O + -

O O O + -

O C O

O

- - O C O

O

-

-

O C O

O

-

-

Hvernig eru samhljóma myndir karbónat jónarinnar (CO3

2-)?

Samhljóma mynd (resonance structure)

12



•  Tvær samhljóma myndir Bensens. •  Sýna tvær jafngildar leiðir til að raða 3 tvítengjum milli 6

kolefnisatóma. •  “Raunveruleg mynd bensens er meðaltal þessara tveggja.

Samhljóma mynd (resonance structure) Almenn efnafræði V, EFN301G


•  Atóm geta verið tengd með samnýtingu fleiri en eins rafeindapars.

•  Tvítengi (double bonds) koma til þegar tvö rafeindapör tilheira báðum atómunum sem tengd eru saman.

•  Þrítengi (triple bonds) koma til þegar þrjú rafeindapör tilheyra báðum atómunum sem tengd eru saman.

•  Styrkur samgildra efnatengja eykst þegar fleiri en eitt rafeindapar tilheirir báðum atómum tengisins. Þó er það undantekning er þau eru fleiri en þrjú.

Samgilt tengi



H F F H

Skautuð tengi (polar bonds), einnig kölluð skautuð samgild tengi (polar covalent bonds), eru samgild tengi þar sem dreifing rafeindanna sem mynda tengið er ekki jöfn.

rafeindaríkt svæði rafeindafátækt svæði e- ríkur e- fátækt

δ+ δ-

Skautuð (samgild) tengi Almenn efnafræði V, EFN301G


•  Skautað HF tengi. •  Rafneikvæðari flúorinn gerir meira tilkall til rafeindanna og hefur því neikvæða hluthleðslu (partial charge). •  Rafjákvæðara vetnið gerir minna tilkall til rafeindanna og hefur því jákvæða hluthleðslu (partial charge).

Skautuð (samgild) tengi

13



•  Ekki skýr mörk milli jónatengja og samgildra tengja. •  Rafneikvæðni atómanna er mælikvarði á eðli tengjanna.

•  Rafneikvæðni (electronegativity) er mælikvarði á hversu sterkt atóm draga til sín rafeindir sem tilheyra báðum atómum efnatengis. •  Rafneikvæðni (electronegativity) hefur ekki skýra eðlisfræðilega þýðingu.

•  Rafneikvæðni (electronegativity) er tengd bæði rafeindasækni og jónunarorku atómanna.

Rafneikvæðni og skautun tengja Almenn efnafræði V, EFN301G


Rafneikvæðni (electronegativity) lýsir hæfileika frumeindar í efnatengi til að draga til sín rafeindir tengisins.

Rafeindasækni (electron affinity) – mælanleg stærð:

Rafneikvæðni (electronegativity) – afstæð stærð F hefur hæstu rafneikvæðnina.

X (g) + e- X-(g) Cl hefur hæstu rafeindasækni allra frumefna.



Rafneikvæðni Almenn efnafræði V, EFN301G


Rafneikvæðni og sætistalan

Raf

neik

væðn

i

sætistala

14



Skautun efnatengja

•  Rafeindaþéttleikinn er ekki jafn þegar tvö atóm með mismunandi rafneikvæðni tengjast.

•  Meirihluti rafeindaþéttleikans er á atóminu með hærri rafneikvæðni og sá hluti hefur neikvæða hluthleðslu (negative partial charge)

•  Á sama hátt er rafeindaþéttleikinn minni á atóminu með lægri rafneikvæðni og það atóm hefur jávkæða hluthleðslu (positive partial charge)

•  Ef rafeindadreifingin á sameindinni er ójöfn er hún tvípóll (dipole).



Skautun tengja

•  Tengi sem liggur samsíða tvípólsvægi er skautað tengi

•  Slík tengi eru kölluð skautuð-samgild tengi þar sem rafeindirnar eru samnýttar að einhverju leyti

•  Því meiri sem rafneikvæðnimunurinn er, því skautaðra er tengið

•  Þegar rafneikvænimunurinn er enginn er tengið sagt vera samgilt.

•  Þegar rafneikvæðnimunurinn er 2,0 eða hærri kallast tengið jónatengi.



Samgilt tengi Samnýting á e-

Skautað samgilt tengi Að hluta til flutningur á e- milli frumefna.

Jónatengi Flutningur á e- milli frumefna.

aukin munur á rafneikvæðni

Jónatengi, samgilt tengi, skautað tengi

Munur á rafneikvæðni Tengi

0 Samgilt tengi ≥ 2 Jónatengi

0 < og <2 Skautað samgilt tengi



Skilgreinið eftirfarandi tengi sem jónatengi, skautuð samgild tengi, eða samgild tengi : Tengin í CsCl; tengin í H2S; og NN tengið í H2NNH2.

Cs – 0,7 Cl – 3,0 3,0 – 0,7 = 2,3 Jónatengi

H – 2,1 S – 2,5 2,5 – 2,1 = 0,4 Skautað samgilt tengi

N – 3,0 N – 3,0 3,0 – 3,0 = 0 Samgilt tengi

15



Skautuð tengi

•  Skautuð efni í ígræðslum.

•  Himnur hafa yfirleitt skautuð tengi sem ríkja í víklverkan þeirra við vatn og aðrar sameindir.

•  Efni eins og kísiloxíð sýna sterka víxlverkun við frumuhimnur og skaðað frumur eins og t.d rauð blóðkorn.



Lögun sameinda

•  Lögun sameinda- segir til um hvernig atóm í sameind raða sér í þrívídd.

•  Lögun sameinda hefur mikil áhrif á ýmsa eiginleika þeirra, t.d. hvarfgirni

•  Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) kenningin – sameindir hafa lögun þar sem fráhrindikraftar á milli gildisrafeindapara miðatómsins eru í lágmarki •  Þar er bæði verið að tala um stök rafeindapör (lone paris) og

rafeindir í tengjum (bondin electron pairs)



Lögun sameinda •  Lögun sameinda má ákvarða með kerfisbundnum hætti:

•  Teiknið Lewis mynd. •  Teljið fjölda stakra rafeindapara og fjölda frumeinda sem

tengjast miðatóminu. •  Þó frumeind sé tengd með tví- eða þrítengi ber aðeins að

telja hana einu sinni.

•  Þar sem engin stök rafeindapör eru til staðar fæst góð ákvörðun á lögun með VSEPR.

•  Þegar um stök rafeindapör er að ræða fæst grunnlögunin með VSEPR en beit þarf innsæi til að ákvarða rétta lögun.



Fráhrindikraftar milli tveggja rafeindapara í tengjum

Fráhrindikraftar milli tveggja stakra rafeindapara

> > Fráhrindikraftar milli staks rafeindapars og rafeindapars í tengi

VSEPR Valence shell electron pair repulsion :

16

AB2 2 0 línulegt línulegt

AB3 3 0 þríhyrndur einflötungur

þríhyrndur einflötungur

AB4 4 0 fjórflötungur fjórflötungur

AB5 5 0 þríhyrndur tvípíramíði

þríhyrndur tvípíramíði

AB6 6 0 áttflötungur áttflötungur

Flokkur

Fjöldi frumeinda sem tengjast miðjufrumeind

Fjöldi stakra rafeindapara á miðjufrumeind

Fyrirkomulag rafeindaparanna

Lögun sameindarinnar



VSEPR Valence shell electron pair repulsion : Valkvætt efni (ekki til prófs)

línulegt


fjórflötungur





áttflötungur




AB3 3 0 þríhyrndur einflötungur


AB2E 2 1 þríhyrndur einflötungur bogið

Flokkur








17

AB4 4 0 fjórflötungur fjórflötungur

AB3E 3 1 fjórflötungur þríhyrndur píramíði

AB2E2 2 2 fjórflötungur bogið

H

O

H

Flokkur








AB5 5 0 þríhyrndur tvípíramíði


AB4E 4 1 þríhyrndur tvípíramíði

skekktur fjórflötungur

AB3E2 3 2 þríhyrndur tvípíramíði T-laga

AB2E3 2 3 þríhyrndur tvípíramíði línuleg

I

I

I

Flokkur








AB6 6 0 áttflötungur áttflötungur

AB5E 5 1 áttflötungur ferhyrndur píramíði

AB4E2 4 2 áttflötungur ferhyrndur einflötungur

Xe

F F

F F

Flokkur








Lögun sameinda

Þríhyrntur einflötungur

Bogið

Fjórflötungur CH4

BF2

BF3



Valkvætt efni (ekki til prófs)

18

Þríhyrntur píramíði

Bogið

Þríhyrntur tvípíramíði PCl5

H2O

NH3



Lögun sameinda Valkvætt efni (ekki til prófs)

Skekktur fjórflötungur

T-laga

Línulegt

Áttflötungur SF6

I3

ClF3

I3

Lögun sameinda Almenn efnafræði V, EFN301G



Ferhyrntur píramíði

Ferhyrntur einflötungur

T-Laga

Linulegt

XeF4

BrF5

IF3

I3



Lögun sameinda Valkvætt efni (ekki til prófs)

Spáð fyrir um uppbyggingu sameindanna

1.  Teiknið Lewis mynd (structure) af sameindinni.

2.  Teljið fjölda stakra -rafeindapara á miðjufrumeindinni og fjölda frumeinda tengdum miðjufrumeindinni .

3.  Notið VSEPR til að spá fyrir um uppbyggingu sameindanna.

Hver er uppbygging SO2 og SF4?

S O O

AB2E

bogið S

F

F

F F

AB4E

skekktur fjórflötungur




19

●  Lewis myndir gefa ákveðna mynd af efnatengjum í sameindum, en segja ekkert til um það hvernig tengin er mynduð

–  Rafeindir má hugsa sem bylgjur –  Þegar tvær bylgjur mætast verður samliðun á milli þeirra

●  Styrkjandi (constructive) og eyðandi (destructive) víxlverkanir eru mögulegar

Skörun svigrúma og tengi Almenn efnafræði V, EFN301G



●  Bylgjuvíxlverkun sýnd með tveimur sínus-bylgjum

–  Ef bylgjurnar tvær eru í fasa verður styrkjandi víxlverkun og útslagið tvöfaldast

–  Ef bylgjurnar eru úr fasa verður eyðandi víxlverkun og bylgjurnar þurrka hvor aðra út




●  Efnatengi myndast vegna styrkjandi víxlverkunar rafeindabylgjufalla

–  Til að víxlverkun eigi sér stað þurfa rafeindabylgjuföllin að skarast (í rúmi)

●  Gildisrafeindahvolf eins atóms þurfa að vera rétt staðsett m.v. gildisrafeindahvolf annars atóms til að víxlverkun geti átt sér stað.




Skörun svigrúma og tengi

●  Gildistengjakenningin (valence bond orbitals)- öll efnatengi eru tilkomin vegna skörunar atómsvigrúma.

●  Í H2, hefur hvort H atóm eina gildisrafeind í 1s svigrúmi.

–  1s svigrúmin skarast og mynda samgilt tengi. –  s svigrúm eru kúlulaga og því skiptir rúmfræðileg afstaða

ekki máli.




20

●  Skörun 1s svigrúma hjá tveimur vetnisfrumeindum

–  Efri mynd: Skörun sýnd með því að teikna bylgjufall tveggja 1s svigrúma

–  Neðri mynd: Blái liturinn táknar rafeindaþéttleika



Skörun svigrúma og tengi Valkvætt efni (ekki til prófs)

Gildistengjakenningin (Valence bond theory) og NH3

N – 1s22s22p3

3 H – 1s1

Ef tengin í NH3 myndast við skörun þriggja 3 2p svigrúma köfnunarefnisins við 1s svigrúm hverrar vetnisfrumeindar Hver væri þá formgerð NH3 ?

Notkun þriggja 2p svigrúma leiðir til 900 horns milli vetnisfrumeindanna

Hornið H-N-H Mælist 107,30




Blöndun tveggja eða fleiri frumeindasvigrúma myndar nýtt sett blandaðra svigrúma (hybridization)

1.  Minnst tveimur ójafngildum frumeindasvigrúmum er blandað saman (t.d. s og p). Blönduðu svigrúmin hafa aðra lögun en upprunalegu svigrúmin.

2.  Tala blandaðra svigrúma er sú sama og tala þeirra svigrúma er blandað var saman.

3. Samgild tengi eru mynduð við skörun svigrúma:

a.  Skörun blandaðra svigrúma og upprunalegra frumeindasvigrúma.

b.  Skörun tveggja blandaðra frumeindasvigrúma

Blöndun svigrúma Almenn efnafræði V, EFN301G



sp3 blöndun (sp3 hybridization)




21

Myndun samgildra tengja Almenn efnafræði V, EFN301G



hvað er hornið gleitt

sp3 blöndun köfnunarefnis svigrúmanna í NH3




sp blöndun svigrúmanna (sp hybridization) Almenn efnafræði V, EFN301G



sp2 blöndun svigrúmanna (sp2 hybridization) Almenn efnafræði V, EFN301G



22

# stök rafeindapör + # tengdra frumeinda Blöndun Dæmi

2 3

4

5

6

sp sp2

sp3

sp3d

sp3d2

BeCl2 BF3

CH4, NH3, H2O

PCl5

SF6

Hver er blöndun svigrúma miðjufrumeindarinnar í efnatengjum ? Fjöldi stakra rafeindapara og tengja miðjufrumeindarinnar seigir til um blöndunina

Línulegt

Fjórflötungur


Áttflötungur




Valkvætt efni (ekki til prófs) sp2 blöndun kolefnis svigrúmanna (C).

Rafeindaskipan sp2 blöndunar

Rafeindaskipan örvaðs ástands kolefnis

Rafeindaskipan grunn ástands kolefnis




2pz svigrúmið er hornrétt á þríhyrnda einflötunginn sem myndast við sp2 blöndunina




Sigmatengi (σ) – rafeinda þéttleikinn er mestur milli atómanna Pí tengi (π) – rafeinda þéttleikinn er mestur yfir og undir þeim fleti sem kjarnarnar tengisins eru í.

Tvítengi (Etýlen) Almenn efnafræði V, EFN301G



23

Tvítengi (Etýlen) Almenn efnafræði V, EFN301G



sp blöndun köfnunarefnis svigrúmanna (C).

Rafeindaskipan sp blöndunar

Rafeindaskipan örvaðs ástands kolefnis

Rafeindaskipan grunn ástands kolefnis




þrítengi (Asetýlen) Almenn efnafræði V, EFN301G



Sigma (σ) og Pí (π) tengi

Einföld tengi 1 sigma tengi Tvítengi 1 sigma tengi 1 pí tengi

þrítengi 1 sigma tengi og 2 pí tengi

Hve mörg σ og π tengi eru í ediksýru sameindinni CH3COOH?

C

H

H

C H

O

O H σ tengi = 6 + 1 = 7 π tengi = 1




24

Sameindasvigrúms kenningin

(Molecular orbital theory)

Tengi eru mynduð þar sem samspil (skörun) frumeindasvigrúma myndar Sameindasvigrúms.

Sameindasvigrúms kenningin (Molecular orbital theory) Almenn efnafræði V, EFN301G



Tengjandi og andtengjandi sameindasvigrúma vetnis (H2).

Tengjandi sameindasvigrúm hefur lægri orku (er stöðugra) en frumeindasvigrúmin sem það var myndað úr.

Andtengjandi sameindasvigrúm hefur hærri orku (er óstöðugra) en frumeindasvigrúmin sem það var myndað úr.

Ork

a

Sameind

Frumeind Frumeind

Styrkjandi víxl

Eyðandi víxl

Andtengjandi (σ) sameindar svigrúm

Tengjandi (σ) sameindar svigrúm




Ork

a

Sameind

Frumeind Frumeind

Tengjandi sameindasvigrúm

Tengjandi sameindasvigrúm

Andtengjandi sameindasvigrúm

Andtengjandi sameindasvigrúm

Frumeindasvigrúm

Frumeindasvigrúm



Valkvætt efni (ekki til prófs) Mismunandi víxlverkan tveggja p svigrúma og sameinda-svigrúmin sem myndast.

Ork

a

Sameind

Frumeind Frumeind

Ork

a Sameind

Frumeind Frumeind

Styrkjandi víxl

Eyðandi víxl Andtengjandi (σ*) sameindar svigrúm

Tengjandi (σ) sameindar svigrúm

Eyðandi víxl

Styrkjandi víxl

Andtengjandi (π*) sameindar svigrúm

Tengjandi (π) sameindar svigrúm




25

1.  Fjöldi sameindasvigrúma (MOs) sem myndast er alltaf sá sami og fjöldi þeirra frumeindasvigrúma sem tengjast.

2.  Því stöðugri sem tengjandi sameindasvigrúmin eru sem myndast við samspil tveggja frumeindasvigrúma, því óstöðugri eru andtengjandi sameindasvigrúmin sem myndast.

3.  Rafeindir raðast fyrst í orkulægstu sameindasvigrúmin.

4.  Hvert sameindasvigrúmin rúmar tvær rafeindir.

5.  Hund’s reglan gildir þegar rafeindum er raðað í sameindasvigrúm sem hafa sömu orku.

6.  Fjöldi rafeinda í sameindasvigrúmunum er sá sami og samanlagður fjöldi allra rafeinda frumeindanna sem tengjast.

Afstaða sameindasvigrúma, MO (molecular orbital) Almenn efnafræði V, EFN301G






Dreifð sameindasvigrúm (delocalized molecular orbitals) eru ekki föst milli tveggja nágranna frumeinda. Þau eru þrjú eða fleiri samanliggjandi frumeindir.

Bensen




Rafeindaþéttleiki bensens fyrir ofan og neðan flötinn sem sameindin liggur í.




26

Tengi karbónat jónarinnar




Buckminster fulleren Almenn efnafræði V, EFN301G



Lögun sameinda

●  Fyrir vínylalkóhól hefur hvort kolefni sp2

svigrúmablöndun

–  Hvort um sig hefur því þríhyrnda flata lögun

–  Myndun pí tengja (tvítengja) gerir lögunina flata.




Documents

2 Efnatengi og uppbygging sameindanna Stuðningefniodduring/2_Efnatengi og...2 Almenn efnafræði V, EFN301G Háskóli Íslands, Dr. Oddur Ingólfsson Jónatengi • Jónatengjum (ionic