Allmän kemi. Läromålen. Molekylers geometri. Viktigt i kap VSEPR-modellen Molekylers geometri

Transkript

1 Läromålen Allmän kemi Kap 10 Kemisk bindning 2 Del 1 Molekylers geometri Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna: n redogöra för atomers och molekylers uppbyggnad och geometri på basal nivå samt beskriva hur dessa egenskaper påverkar molekylens polaritet och ämnets egenskaper med hjälp av elektronkonfiguration, valence shell electron-pair repulsion- (VSEPR-), valensbindnings- och molekylorbitalteorin; n - redogöra för kemisk bindning inom och mellan molekyler och joner ur ett grundläggande perspektiv; Viktigt i kap 10 n Kunna beskriva en molekyls geometri utifrån Lewisstrukturen med hjälp av VSEPR-teorin n Kunna avgöra om molekylen är polär eller opolär n Kunna förutsäga vilken hybridisering som krävs för olika molekyler (valensbindningsgteorin) Molekylers geometri n Molekylers geometri är väldigt viktig, både för molekylens funktion (se bild) och dess egenskaper: löslighet i vatten, reaktivitet, kokpunkt, flyktighet osv Protein binder till DNA 10.1 Molekylers geometri n Man kan enkelt förutsäga vilken geometri en molekyl har med hjälp av Lewisstrukturen. n Antalet elektronpar runt centralatomen avgör geometrin. n Bygger på teorin att (de negativt laddade) elektronparen repellerar varandra: n VSEPR: Valence Shell Electron Pair Repulsion 10.1 VSEPR-modellen n VSEPR: Valence Shell Electron Pair Repulsion n Uttalas vesper n En modell för att förutsäga vilken geometri molekyler får n Man utgår från Lewisstrukturerna n Dubbelbindning och trippelbindning behandlas som enkelbindning n Bindande och fria elektronpar behandlas lika n Molekylens geometri blir sådan att elektronparen kommer så långt ifrån varandra som möjligt 1

2 VSEPR: molekylers geometri VSEPR: molekylers geometri n Ex BeCl2, de båda bindande elektronparen runt n Ex BF3: de tre bindande elektronparen runt B VSEPR: molekylers geometri Tetraeder n Om centralatomen har fyra elektronpar runt sig, n Fyra uppblåsta Be strävar efter att vara så långt från varandra som möjligt n De lägger sig rakt ut med vinkeln 180 n (Be är ett undantag till oktettregeln) kommer de att lägga sig som en tetraeder, med vinkeln 109,5 strävar efter att vara så långt från varandra som möjligt n De lägger sig platt med vinkeln 120 till varandra n (B är också ett undantag till oktettregeln) ballonger som tar stor plats, lägger sig också som en tetraeder VSEPR: molekylers geometri Elektronparens och molekylens geometri n Ex metan, CH4 n Ammoniak, NH3, har ett fritt elektronpar och tre bindande. n De fyra elektronparen lägger sig i en tetraeder, men molekylens geometri blir trigonal pyramid. 2

3 Elektronparens och molekylens geometri n Syret i vatten har fyra elektronpar runt sig, två bindande och två fria n De fyra elektronparen lägger sig i en tetraeder, men molekylens geometri blir vinklad Molekylers geometri n Förklaringsmodell: de fria elektronparen tar större plats och tränger undan de bindande elektronparen Molekylers geometri Molekyler som innehåller fria elektronpar får mindre bindningsvinkel Molekylers geometri n 1. Rita upp Lewisstrukturen n 2. Räkna antalet elektronpar runt centralatomen, både bindande och fria. Dubbel- och trippelbindningar räknas som en bindning n Detta ger elektronparens geometri n 3. Bestäm hela molekylens geometri genom att se vilka elektronpar som binder till atomer och hur atomerna ligger i rymden. Fyra elektronpar n Alla tre molekylerna har fyra elektronpar som ligger som en tetraeder n Molekylernas geometri blir dock olika 3

4 Molekyler med flera centralatomer n Ex metanol, CH3OH n Ta en atom i taget! n Kol har fyra bindningar: tetraeder n Syre har fyra elektronpar varav två bindande: böjd Se Ex 10.1 abce 10.2 Dipolmoment 10.2 Dipolmoment n Om laddningen fördelar sig över molekylen så att den får en positiv och en negativ ände, blir molekylen en dipol (den blir polär) och får ett dipolmoment µ. (µ = Q r) n När två atomer binds samman med en polär kovalent bindning, som t ex i HF, kommer molekylen att rikta in sig då den är i ett elektriskt fält. Molekylen är polär. Polär molekyl Koldioxid, en opolär molekyl n HF är en polär molekyl n Röd färg: överskott på e-, negativ del-laddning n Blå färg: underskott på e-, positiv del-laddning n Koldioxid är en opolär molekyl, trots att den innehåller polära kovalenta bindningar n Den har ingen positiv och negativ ände, dipolmomenten tar ut varandra 4

5 Vatten, en polär molekyl Ammoniak, en polär molekyl n Vattenmolekylen är också en dipol n Syreatomen har ett överskott på e- och vätena ett n liksom ammoniak underskott Dikloreten Polära molekyler Opolära molekyler 10.3 Valensbindningsteorin n Kvantmekanisk teori, förklarar varför bindning sker n Utgår från att valenselektronerna i en bindning finns i de vanliga atomorbitalerna (till skillnad från molekylorbitalmodellen, där nya orbitaler bildas) 1. Lewisstrukturen anger hur valenselektronerna fördelar sig i molekylen 2. VSEPR-teorin anger hur molekylens geometri blir 3. slutligen: vilka slags atomorbitaler som behövs Se Ex

6 Valensbindningsteorin Valensbindningsteorin n Valensbindningsteorin: en stabil molekyl bildas när den potentiella energin har ett minimum. n F2 bildas när en 2p-orbital från varje F-atom överlappar varandra och kovalent bindning bildas n Förklarar varför olika molekyler har olika långa och olika starka bindningar: olika slags orbitaler bildar bindningen. H + H H2. 1s-orbitalerna överlappar varandra 10.4 Hybridisering Allmän kemi n Ex metan, CH4: n Vi vet att molekylen är en tetraeder, som på bilden (b) n Alla fyra bindningarna är identiska Kap 10 Kemisk bindning 2 Del 2 Hybridisering n Det stämmer inte med kols atomorbitaler: n Två olika slags orbitaler, ger olika slags bindningar n p-orbitalerna ligger i 90 vinkel till varandra 10.4 Hybridisering 10.4 Hybridisering n Slutsats: när atomer binds samman i molekyler, n De fyra orbitalerna i kolatomen: 2s, 2px, 2py och 2pz, görs ändrar de sina orbitaler n Det kallas hybridisering av atomorbitaler n De nya orbitalerna har lika stor energi om till fyra nya orbitaler n De kallas sp3 eftersom de kommer från en s- och tre p- orbitaler 6

7 Atomorbitaler Hybridorbitaler n De fyra ursprungliga atomorbitalerna för kolatomen sp3-hybridisering Hybridisering n Hybridisering är en modell för att förklara experimentella resultat n När en atom ska binda till andra atomer i en molekyl, bildar den nya orbitaler, anpassade för att binda till andra atomer n Atomorbitalerna görs om till hybridorbitaler n De nya orbitalerna ligger riktade mot hörnen i en tetraeder Metan Ammoniak Kol har fyra sp3-orbitaler som ligger som en tetraeder. De fyra väteatomerna har sina vanliga 1s-orbitaler. Fritt elektronpar n Kväve i ammoniak är också sp3-hybridiserad n Hur är det för syret i vatten? 7

8 sp2-hybridisering sp2-hybridisering n Eten, C2H4, innehåller en dubbelbindning n Den ena p-orbitalen behålls och de två andra p- orbitalerna samt s-orbitalen bildar tre nya hybridorbitaler: sp2 n Molekylen har geometrin plan triangel kring varje kolatom n Vinkeln är 120 i molekylen enligt VSEPR-teorin sp2-hybridisering sp2-hybridisering n De tre nya hybridorbitalerna ligger i 120 vinkel n Båda kolatomerna får då tre hybridiserade sp2- till varandra, precis som behövs till eten sp2-hybridisering i eten n Dubbelbindningen i eten bildas av en σ-bindning (sigma) där de båda sp2orbitalerna överlappar varandra, och en πbindning där de båda ursprungliga p-orbitalerna överlappar med varandra orbitaler samt den ursprungliga p-orbitalen sp2-hybridisering Bor-atomen i BF3 är också sp2hybridiserad 8

9 σ- och π-bindningar n σ-bindningar är enkelbindningar n När dubbel- och trippelbindningar ska bildas, läggs π-bindningar till n σ-bindningar är starkare (och mindre reaktiva) än π-bindningar n Det beror på att orbitalen ligger rakt mellan atomkärnorna n Mer om detta i organisk kemi sp-hybridisering n En atom som har två dubbelbindningar eller en trippelbindning, kommer att bilda en linjär molekyl n Atomen blir sp-hybridiserad n Ex koldioxid, etyn O C O sp-hybridisering n En s-orbital och en av p-orbitalerna kombineras till två nya hybridorbitaler, sp-orbitaler n De ligger i 180 vinkel till varandra Kolatomens orbitaler i CO 2 n Kolatomen i koldioxid har då två ursprungliga p- orbitaler och två nya sp-orbitaler Orbitalerna i koldioxid Hybridisering - sammanfattning 1. rita upp Lewisstrukturen 2. Använd VSEPR-teorin för att bestämma elektronparens geometri 3. Avgör vilken hybridiering som behövs (dsp 3 och d 2 sp 3 ingår inte i kursen) n Vilken hybridisering har syreatomen? n Se Ex 9.2 Se Ex 10.3 och

10 Hybridisering - sammanfattning Alltså: Viktigt i kap 10 n Kunna beskriva molekylens geometri utifrån Lewisstrukturen med hjälp av VSEPR-teorin n Kunna avgöra om molekylen är polär eller opolär n Kunna förutsäga vilken hybridisering som krävs för olika molekyler (valensbindningsgteorin) 10