Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Kemisk bindning: allmänna begrepp och
orbitaler
Kapitel 8 och 9
Kapitel 8
Innehåll
8.1 Olika typer av kemisk bindning8.2 Elektronegativitet8.3 Polära bindningar och dipolmoment8.4 Joner: elektronkonfiguration och storlekar8.5 Energiomsättning vid bildning av binära jonföreningar8.6 Partiell jonkaraktär hos kovalenta bindningar8.7 Den kovalenta bindningen: en modell (teori)8.8 Kovalenta bindningsenergier och kemiska reaktioner8.9 Valensbindningsteorin (VB)8.10 Lewisstrukturer8.11 Undantag från oktettregeln8.12 Resonansstrukturer8.13 Molekylgeometri: Repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Kapitel 9
Innehåll
3
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved
9.1 Hybridisering och Valensbindningsteorin (VB)9.2 Molekylorbitalsteori (MO)9.3 Bindning i diatomära homonukleära molekyler9.4 Bindning i diatomära heteronukleära molekyler9.5 Valensbindnings- (VB) och molekylorbitalteorin (MO)
Kapitel 8
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 4
Kemisk bindning
• Krafter som håller grupper av atomer samman och får dem att fungera som en enhet.
Avsnitt 8.1
Olika typer av kemisk bindning
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 5
En kemisk bindning
• Det finns ännu inget enkelt och precist sätt att definiera detta.
• Krafter som håller grupper av atomer samman och som får dem att agera som en helhet.
• En bindning bildas om energin för molekylen är lägre än för de separata atomerna.
Avsnitt 8.1
Olika typer av kemisk bindning
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 6
Växelverkan mellan två väteatomer
Avsnitt 8.1
Olika typer av kemisk bindning
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 7
Växelverkan mellan två väteatomer ur energiaspekten
Avsnitt 8.1
Olika typer av kemisk bindning
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 8
Nyckelbegrepp i kemisk bindning
• Jonbindning – elektroner överförs• Kovalent bindning – elektroner delas jämt• Polär kovalent bindning – elektroner delas ojämt
– kan ge upphov till polära molekyler
Avsnitt 8.1
Olika typer av kemisk bindning
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 9
Polära molekyler i ett elektriskt fält
Avsnitt 8.1
Olika typer av kemisk bindning
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 10
Konceptkoll
Vad menas med “kemisk bindning?”
Varför binds atomer till varandra och bildar molekyler?
Hur binds atmer till varandra och bildar molekyler?
Avsnitt 8.2
Elektronegativitet
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 11
• Förmåga hos en atom att attrahera delade elektroner till sig själv.
• För en molekyl HX, bestäms den relativa skillnaden i elektronegativitet mellan atomerna H och X genom att jämföra den uppmätta med den förväntade bindningsenergin i HX molekylen.
• Värdena för elektronegativitet varierar från 4.0 för fluor (den mest elektronegativa) till 0.7 för cesium och frankium (de minst elektronegativa).
Elektronegativitet
Avsnitt 8.2
Elektronegativitet
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 12
Paulings relativa elektronegativiteter
Avsnitt 8.3
Polära bindningar och dipolmoment
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 13
Bindingspoler och dipolmoment
• En molekyl, som exempelvis HF, har en del som är positivt laddad och en del som är negativt laddad sägs vara polär, eller ha ett dipolmoment.
δ+ δ−
FH
Avsnitt 8.3
Polära bindningar och dipolmoment
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 14
Dipolmomentet hos vattenmolekylen
Avsnitt 8.3
Polära bindningar och dipolmoment
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 15
Dipolmomentet uteblir i koldioxidmolekylen
Avsnitt 8.3
Polära bindningar och dipolmoment
Return to TOC
De tre möjliga bindningstyperna
a) en kovalent bindning mellan identiska atomer
b) en polär kovalentbindning mellan två olika atomer
c) jonbindning utan delande av elektroner.
Avsnitt 8.4
Joner: elektronkonfiguration och storlekar
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 17
Jonföreningar
• Består av elektrostatisk attraktion mellan tätt packade, motsatt laddade joner.
• Bildas då en atom som lätt donerar elektroner reagerar med som har hög elektronaffinitet.
Avsnitt 8.4
Joner: elektronkonfiguration och storlekar
Return to TOC
Saltsmälta
• NaCl i smält form leder elektrisk ström, vilket indikerar närvaron av rörliga Na+- och Cl¯-joner.
Avsnitt 8.4
Joner: elektronkonfiguration och storlekar
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 19
Det periodiska systemet och atomära egenskaper
• Trender för:Atomstorlekar, jonstorlekar, joniseringsenergi,elektronegativitet
• Elektronkonfigurationer• Förutsägelse av binära jonföreningars formler• Kovalent bindningspolaritet
Avsnitt 8.5
Energiomsättning vid bildning av binära jonföreningar
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 20
• Vilka faktorer påverkar stabiliteten och strukturen hos binära jonföreningar?
• Hur starkt jonerna attraherar varandra i det fasta tillståndet indikeras av gitterenergin.
Jonföreningar
Avsnitt 8.5
Energiomsättning vid bildning av binära jonföreningar
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 21
Gitterenergi
• Energin som frigörs då gasformiga joner kondenserar i ett fast kristallgitter.
• Q1 och Q2 = jonladdning (+1,+2,-1,-2 osv.)
• r = avståndet mellan jonerna (i nm)
E = 2.31 10 J nm (19× − Q Q r1 2 / )
Avsnitt 8.5
Energiomsättning vid bildning av binära jonföreningar
Return to TOC
Standardbildningsentalpier för binära jonföreningar
1. Förångningsenergi för Li(s)
2. Joniseringsenergi för Li
3. Dissociationsenergi för F2
4. Elektronaffinitet för F
5. Gitterenergi för LiF
Avsnitt 8.6
Partiell jonkaraktär hos kovalenta bindningar
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 23
• Inga bindningar har 100% jonkaraktär även för föreningar med stor skillnad i elektronegativitet (när de mäts i gasformigt tillstånd).
+measured dipole moment of X Y% ionic character of a bond = 100%calculated dipole moment of X Y−
⎛ ⎞−×⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
Avsnitt 8.6
Partiell jonkaraktär hos kovalenta bindningar
Return to TOC
Procent jonkaraktär
Avsnitt 8.6
Partiell jonkaraktär hos kovalenta bindningar
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 25
Jonförening
• Defineras som ett ämne som leder ström i smält tillstånd.
Avsnitt 8.7
Den kovalenta bindningen: en modell (teori)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 26
Modeller (eller teorier)
• är försök att förklara hur naturen fungerar påmikroskåpisk nivå som konstrueras på basen av observationer på makroskåpisk nivå.
• motsvarar inte verkligheten.• är alltid förenklingar, och är därför ofta felaktiga.• tenderar att bli mer komplicerade ju äldre de blir.• Vi måste förstå de underliggande antagande i en
modell för att undvika felaktig användning.
Avsnitt 8.9
Valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 27
Den kovalenta bindningen
1. Beskrivning av valenselektron-arrangemang (Lewisstrukturen)
2. Beskrivning av geometrin (VSEPR modellen).
3. Beskrivning av vilka atomorbitaler som används för att dela elektroner
C HH
HH
Avsnitt 8.10
Lewisstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 28
Steg för skrivandet av Lewisstrukturer
1. Summera valenselektronerna från alla atomer i molekylen
2. Använd ett elektronpar var för att binda samman varje par av bundna atomer
3. Arrangera de övriga elektronerna för att uppnåduettregeln för väte och oktettregeln för de övriga grundämnena
Avsnitt 8.10
Lewisstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 29
Rita Lewisstrukturer
• Rita Lewisstrukturer för följande molekyler:a) HFb) N2
c) NH3
d) CH4
e) CF4
f) NO+
Avsnitt 8.11
Undantag från oktettregeln
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 30
Sammanfattning
• C, N, O, och F borde alltid uppfylla oktettregeln.• B och Be får ofta färre än 8 elektroner kring sig i
sina föreningar• Grundämnen i andra perioden överskrider aldrig
oktettregeln.• Grundämnen i tredje perioden följer ofta
oktettregelnmen kan överskrida dengenom att använda tomma d orbitaler.
Avsnitt 8.11
Undantag från oktettregeln
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 31
Konceptkoll
Rita Lewisstrukturer för följande molekyler:
BF3
PCl5SF6
Avsnitt 8.12
Resonansstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 32
• Då mer än en likvärdig Lewisstruktur kan ritas.
NO3– = 24e–
NO
O
ON
O
O
ON
O
O
O↔ ↔
Avsnitt 8.12
Resonansstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 33
• Den verkliga strukturen sägs vara en kombination av resonansstrukturerna.
• Elektronerna är delokaliserade – de kan vandra mellan bindningarna i molekylen.
NO
O
ON
O
O
ON
O
O
O↔ ↔
Avsnitt 8.12
Resonansstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 34
Formell laddning
• Används för att utesluta möjliga Lewisstrukturer• För alla atomer i molekylen ska den formella
laddningen vara så nära noll som möjligt• Formell laddning = Antalet valenselektroner i
den fria atomen – antalet valenselektroner som tillskrivits atomen i molekylen
• FL = #VEatom - #VEmolekyl(#VE = antal valenselektroner)
• Negativ formell laddning skall tillfalla den mest elektronegativa atomen i molekylen
Avsnitt 8.12
Resonansstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 35
CO O(0) (0) (0)
CO O(-1) (0) (+1)
Formell laddning: exempel CO2
• Inte så bra
• Bättre
• C: 8 · ½ = 4 e¯ FL = 4 – 4 = 0• O: 6 + ½·2 = 7 e¯ FL = 6 – 7 = -1• O: 2 + ½·6 = 5 e¯ FL = 6 – 5 = +1
• C: 8 · ½ = 4 e¯ FL = 4 – 4 = 0• O: 4 + ½·4 = 6 e¯ FL = 6 – 6 = 0• O: 4 + ½·4 = 6 e¯ FL = 6 – 6 = 0
Avsnitt 8.12
Resonansstrukturer
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 36
Den kovalenta bindningen
1. Beskrivning av valenselektron-arrangemang (Lewisstrukturen)
2. Beskrivning av geometrin (VSEPR modellen).
3. Beskrivning av vilka atomorbitaler som används för att dela elektroner
C HH
HH
Avsnitt 8.13
Molekylgeometri: repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 37
Molekylgeometri
• VSEPR: Valence Shell Electron-Pair Repulsion.• Strukturen runt en given atom avgörs principiellt
genom att minimera repulsionen av elektronpar
Avsnitt 8.13
Molekylgeometri: repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 38
Valensskalelektronparsrepulsion (VSEPR)
Avsnitt 8.13
Molekylgeometri: repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 39
Bindningsvinklarna i CH4, NH3, och H2O
Avsnitt 8.13
Molekylgeometri: repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 40
VSEPR
Avsnitt 8.13
Molekylgeometri: repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 41
Konceptkoll
Bestäm molekylgeometri för följande molekyler och ange bindningsvinklarna:
O3
KrF4O3 – böjd, 120o
KrF4 – plan kvadratisk, 90o, 180o
Avsnitt 8.13
Molekylgeometri: repulsion mellan elektronpar (VSEPR)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 42
Konceptkoll
Sant eller falskt: En molekyl som innehar polära bindningar kommer alltid att vara polär. -Om sant, förklara varför. -Om falskt, ge ett motexempel.
Kapitel 9
Innehåll
43
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved
9.1 Hybridization and the Localized Electron Model9.2 The Molecular Orbital Model9.3 Bonding in Homonuclear Diatomic Molecules9.4 Bonding in Heteronuclear Diatomic Molecules9.5 Combining the Localized Electron and Molecular
Orbital Models
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 44
Hybridisering
• Förklaring hur atomorbitaler bildar speciella orbitaler för bindning.
• Atomerna svarar enligt behovet att minimera energin för molekylen.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 45
Lewisstrukturen för metanmolekylen.Den tetraediska molekylgeometrin (VSEPR).
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Den fria C-atomens valensorbitaler: 2s, 2px, 2py, och 2pz.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 47
Hybridisering av C-atomens 2s orbital och de tre 2porbitalerna till fyra sp3 orbitaler
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 48
Ett energinivådiagram för hybridiseringen av en 2s och tre 2p orbitaler till fyra sp3 orbitaler
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 49
Den tetraedriska formen på sp3 orbitalerna i kolatomen ger den kända strukturen för CH4-molekylen
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 50
Hybridisering av s, px, and py orbitalerna ger tre sp2
orbitaler i xy-planet med vinkeln 120°.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 51
Ett energinivådiagram för hybridiseringen av en 2s och två 2p orbitaler till tre sp2 orbitaler. Notera att en porbital förblir oförändrad.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 52
Då en s och två p orbitaler hybridiseras till tre sp2
orbitaler blir en p orbital oförändrad. Den befinner sig vinkelrät mot planet av hybridorbitaler.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 53
I etenmolekylen blidas σ-bindningar vid kolens sp2
orbitaler. För varje bindning finns elektronparet i området mellan atomerna.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 54
Dubbelbindningen i etenmolekylen består av en σ- och enπ-bindning. π-bindningen bildas av de ohybridiserade porbitalerna och finns ovanför och under σ-bindningen.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 55
(a) Orbitaler som används i bindningar i eten. (b) Lewisstrukturen för etenmolekylen.
Avsnitt 9.1
Hybridisering och valensbindningsteorin (VB)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 56
Valensbindningsteorin
1. Rita Lewisstrukturen
2. Bestäm arrangemangen med elektronpar (VSEPR-modellen).
3. Specificera nödvändiga hybridorbitaler.
C HH
HH
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 57
• Likt den kvantmekaniska atommodellen för atomorbitaler är MO den kvantmekaniska lösningen till organsiationen av valenselektroner i molekyler.
• Skiljer sig från valensbindningsteorin främst genom att elektronerna sägs vara delokaliserade snarare än att vara lokaliserade mellan ett givet par av atomer.
Molekylorbitalsteorin MO
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 58
Typer av MO
• bindande: har lägre energi än atomorbitalerna från vilka de bildas.
• antibindande: har högre energi än atomorbitalerna från vilka de bildas.
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 59
Kombination av vätets 1s atomorbitaler till MO
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Ett molekylorbital energinivå-diagram för H2 molekylen
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 61
Bindningsordning (BO)
• Skillnaden mellan antalet bindande och antalet antibindnade elektroner dividerat med två.
BO = # bonding electrons # antibonding electons2
−
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 62
Ett molekylorbital energinivå-diagram för He2 molekylen
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 63
Atomorbitaler i kemisk bindning
• För att delta i en molekylorbital måste tvåatomorbitaler överlappa varandra i rymden. (Därför ingår bara valenselektronorbitaler i molekylorbitaler.)
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 64
Molekylorbitaler för atomernas p-orbitaler
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 65
Molekylorbitaler för atomernas p-orbitaler
Avsnitt 9.2
Molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Det korrekta molekylorbitalenerginivå-diagrammet för B2
Avsnitt 9.3
Bindning i diatomära homonukleära molekyler
Return to TOC
Då flytande syre hälls över ett starkt magnetfält blir det kvar där tills det förgasas.
O2 är para-magnetiskt
Avsnitt 9.3
Bindning i diatomära homonukleära molekyler
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 68
Paramagnetism
• Förekomst av oparade elektroner• Attraheras av magnetiska fält• Mycket starkare än diamagnetism
Avsnitt 9.3
Bindning i diatomära homonukleära molekyler
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 69
MO sammanfattning för andra periodens grundämnen
Avsnitt 9.3
Bindning i diatomära homonukleära molekyler
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 70
MO beskriver bäst enkla diatomära föreningar
• Äldre betraktelse och tumregel: Alla atomer strävar efter att i kemiska föreningar få samma elektronkonfiguration som ädelgaserna har
Avsnitt 9.5
Valensbindnings- (VB) och molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 71
Delokaliserade elektroner
• Beskriver strukurer med resonans.• I molekyler med resonans är π bindningen
delokaliserad och σ bindningen lokaliserad.• p atomorbitaler som är vinkelräta mot sigma-
bindningsplanet bildar π molekylorbitaler.• Elektronerna i π molekylorbitaler är
delokaliserade ovanom och under planet för sigma-bindningen.
Avsnitt 9.5
Valensbindnings- (VB) och molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 72
Resonansstrukturen i Bensen
Avsnitt 9.5
Valensbindnings- (VB) och molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 73
Lokaliserade sigma-bindningar i Bensen
Avsnitt 9.5
Valensbindnings- (VB) och molekylorbitalteorin (MO)
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 74
Delokaliserade pi-bindningar i bensen