1.15 Ο δεσμός στο μεθάνιο και ο υβριδισμός τροχιακού ·...

115 Ο δεσμός στο μεθάνιο και ο υβριδισμός τροχιακού

τετραεδρική

γωνίες δεσμού = 1095deg

Μήκη δεσμού = 110 pm

αλλά η δομή εμφανίζεται ασυνεπής μετην ηλεκτρονική διάταξη του άνθρακα

Η δομή του Μεθανίου

Η ηλεκτρονική διάταξη του άνθρακα

22ss

22pp Μόνο τα δυο ασύζευκτα ηλεκτρόνια

θα πρέπει να σχηματίσουν

σ δεσμούς με μόνο δυο άτομα υδρογόνου

Οι δεσμοί θα πρέπει να ευρίσκονται σε ορθές γωνίες μεταξύ τους

22ss

22pp

Προωθεί ένα ηλεκτρόνιο από το 2s στο 2p τροχιακό

υβριδισμός τροχιακού sp3

2s

2p 22pp

22ss

υβριδισμός τροχιακού sp3

Αρχικά Τελικά

22pp

22ss

υβριδισμός τροχιακού sp3

Αναμιγύονται μαζί (υβριδοποιούνται) το 2s τροχιακό και τα τρία 2p τροχιακά

2p

2s

υβριδισμός τροχιακού sp3

2 2 spsp33

4 ισοδύναμα ημιπληρωμένα τροχιακά είναι σύμφωνα με τους τέσσερεις δεσμούς και την τετραεδρική γεωμετρία

Σχήματα των τροχιακών

ss

pp

Κομβικές ιδιότητες των τροχιακών

ss

pp ++ ndashndash

++

Το επίπεδο που διέρχεται μεταξύ των δυο λοβών ενός τροχιακού p βρίσκεται σε μια περιοχή μηδενικής πυκνότητας ηλεκτρονίων Μια τέτοια περιοχή μηδενικής ηλεκτρονικής πυκνότητας καλείται κόμβος και το επίπεδο ονομάζεται κομβικό επίπεδο

Σχήμα των υβριδικών τροχιακών sp3

ss

pp ++ ndashndash

++

λάβετε το s τροχιακό και τοποθετείστέ το στο πάνω μέρος του p τροχιακού

s + ps + p ++ ndashndash++

ενισχυτική συμβολή του ηλεκτρονιακού κύματος σε περιοχές όπου το πρόσημο είναι το ίδιο καταστροφική συμβολή σε περιοχές αντιθέτου προσήμου

Σχήμα των υβριδικών τροχιακών sp3

Το υβρίδιο sp

Το εμφανιζόμενο τροχιακό είναι το υβρίδιο spΜε ανάλογη διαδικασία χρησιμοποιώντας τρία p τροχιακά και ένα s τροχιακό λαμβάνεται υβρίδιο sp3Το σχήμα του υβριδίου sp3 είναι παρόμοιο με του υβριδίου sp

++ ndashndash

Σχήμα των υβριδικών τροχιακών sp3

Υβρίδιο sp

Το υβριδικό τροχιακό δεν είναι συμμετρικόΗ μεγαλύτερη πιθανότητα εύρεσης ενός ηλεκτρονίου

στο ένα άκρο του πυρήνα παρά στο άλλο οδηγεί σε ισχυρότερους δεσμούς

++ ndashndash

Σχήμα των υβριδικών τροχιακών sp3

ndashndash

++ ndashndash

Ο σ δεσμός CmdashH στο μεθάνιο

sp3s CH

HmdashC σ CH

δίνει ένα σ δεσμό

Η αλληλεπικάλυψη σε φάση ενός ημιπληρωμένου 1s τροχιακού του υδρογόνου με ένα ημιπληρωμένο υβριδικό τροχιακό sp3 του άνθρακα

++

++

Η δικαιολόγηση του υβριδισμού τροχιακού

bullΣυνεπής με τη δομή του μεθανίου

bullΕπιτρέπει τον σχηματισμό 4 δεσμών αντί 2bullΟι δεσμοί που περιλαμβάνουν υβριδικά τροχιακά sp3 είναι ισχυρότεροι από εκείνους που περιλαμβάνουνbullαλληλεπικάλυψη s-s ή p-p

116

Υβριδισμός sp3 και δεσμός στο Αιθάνιο

Δομή του αιθανίου

CH3CH3

C2H6

Τετραεδρική γεωμετρία σε κάθε άνθρακα

Μήκος δεσμού CmdashH = 110 pm

Μήκος δεσμού CmdashC = 153 pm

Αλληλεπικάλυψη σε φάση ενός ημιπληρωμένου sp3 υβριδικού τροχιακού του ενός άνθρακα με το ημιπληρωμένο sp3 υβριδικό τροχιακό του άλλουΗ αλληλεπικάλυψη γίνεται κατά μήκος του διαπυρηνικού άξονα για να δώσει ένα σ δεσμό

Ο σ δεσmicroός CmdashC στο Αιθάνιο

Αλληλεπικάλυψη σε φάση ενός ημιπληρωμένου sp3 υβριδικού τροχιακού του ενός άνθρακα με το ημιπληρωμένο sp3 υβριδικό τροχιακό του άλλουΗ αλληλεπικάλυψη γίνεται κατά μήκος του διαπυρηνικού άξονα για να δώσει έναν σ δεσμό

Ο σ δεσmicroός CmdashC στο Αιθάνιο

117

Υβριδισμός sp2 και δεσμός στο αιθυλένιο

C2H4

H2C=CH2

Επίπεδο μόριοΓωνίες δεσμών περίπου 120degΜήκη δεσμών CmdashH = 110 pm

C=C = 134 pm

Δομή του αιθυλενίου

22ss

22pp

Προωθεί ένα ηλεκτρόνιο από το 2s στο 2p τροχιακό

Υβριδισμός τροχιακού sp2

2s

2p 2p

2s

Υβριδισμός τροχιακού sp2

Αρχικά ΤελικάΑρχικά Τελικά

22pp

22ss

Υβριδισμός τροχιακού sp2

Αναμιγύονται μαζί (υβριδίζονται) το 2s τροχιακό και τα δυο από τα τρία 2p τροχιακά

2p

2s

Υβριδισμός τροχιακού sp2

2 2 spsp22

Προκύπτουν 3 ισοδύναμα ημιπληρωμένα sp2 υβριδικά τροχιακά και 1 p τροχιακό που απομένει μη υβριδισμένο

Υβριδισμός τροχιακού sp2

2 2 spsp22

Τα 2 από τα τρία sp2 τροχιακάσυμμετέχουν σε σ δεσμούςμε τα υδρογόναmiddot το άλλοσυμμετέχει σε ένα σ δεσμόμε τον άνθρακα Τα τρία τροχιακά sp2 ευρίσκονται σε ένα επίπεδο σχηματίζοντας γωνίες 120deg μεταξύ τους και τα απομένοντα τροχιακά p είναι κάθετα στο επίπεδο των sp2

pp

Υβριδισμός τροχιακού sp2

2 2 spsp22

pp

σσ

σσσσ

σσσσ

Σχηματισμός ενός σ δεσμού C-C από αλληλεπικάλυψη sp2-sp2

Σχηματισμός τεσσάρων σ δεσμών C-H από αλληλεπικάλυψη

ενός s ατομικού τροχιακού του κάθε H με ένα υβριδικό τροχιακό

sp2 του κάθε C δηλαδή τέσσερεις αλληλεπικαλύψεις τροχιακών

s-sp2

Ο π δεσμός στο Αιθυλένιο

2 2 spsp22

Τα μη υβριδισμένα p τροχιακά του κάθε άνθρακα πλησιάζουν μεταξύ τους διαθέτοντας τα απαραίτητα γεωμετρικά χαρακτηριστικά για μια πλευρική επικαλυψη οπότε σχηματίζεται ο δεσμός p

pp

Ο Ο π π δεσμός στοδεσμός στο Αιθυλένιο Αιθυλένιο

pp

bullΚάθε άνθρακας έχει ένα μη υβριδισμένο 2p τροχιακόbullΟ άξονας του τροχιακού είναι κάθετος προς το επίπεδο των σ δεσμών

2 sp2

Ο π δεσμός στο Αιθυλένιο

Ημιπληρωμένο τροχιακό

Ο Ο π π δεσμός στοδεσμός στο ΑιθυλένιοΑιθυλένιο

Ο Ο π π δεσμός στοδεσμός στο ΑιθυλένιοΑιθυλένιο

pp

2 2 spsp22

Ο συνδυασμός ενός σ δεσμού sp2-sp2 και ενός π δεσμού 2p-2p έχει ως αποτέλεσμα τη συμμετοχή τεσσάρων ηλεκτρονίων και το σχηματισμό ενός διπλού δεσμού C=C

Πλευρική επικαλυψη του ημιπληρωμένου τροχιακού δίνει ένα π δεσμό

118

Ο υβριδισμός sp και ο δεσμός στο ακετυλένιο

CC22HH22

Γραμμική δομήΓωνίες δεσμού H C C = 180degΜήκη δεσμού C mdash H = 106 pm = 106 Aring

C mdash C = 120 pm = 120 Aring

Η δομή του ακετυλενίου

HCHC CHCH

22ss

22pp

Προωθεί ένα ηλεκτρόνιο από το 2s στο 2p τροχιακό

Ο υβριδισμός τροχιακού sp

2s

2p 22pp

22ss

Ο υβριδισμός τροχιακού sp

22pp

22ss

Ο υβριδισμός τροχιακού sp

Αναμιγνύονται μαζί (υβριδίζονται) το 2s τροχιακό και ένα από τα τρία 2p τροχιακά

2p

2s

Ο υβριδισμός τροχιακού sp

2 2 spsp2 ισοδύναμα ημιπληρωμένα sp υβριδικά τροχιακά συν 2 p ατομικά τροχιακά μη υβριδισμένα

2 2 pp

Ο υβριδισμός τροχιακού sp

Το ένα από αυτά συμμετέχει σε έναν σ δεσμό με το υδρογόνο το άλλοσυμμετέχει σε έναν σ δεσμό με τον άνθρακα2 2 spsp

2 2 pp

Επομένως κάθε ένας από τους δυο άνθρακες του Ακετυλενίου διαθέτει δυο υβριδικά τροχιακά sp

Ο υβριδισμός τροχιακού sp

σσσσ

σσσσ

σσσσ

2 2 spsp

2 2 pp

Ο σχηματισμός π δεσμού στο ακετυλένιο

Τα μη υβριδισμένα p τροχιακά του άνθρακα εμπλέκονται σεξεχωριστούς π δεσμούς με τον άλλο άνθρακα

2 2 spsp

2 2 pp

Ο σχηματισμός Ο σχηματισμός ππ δεσμού στο ακετυλένιοδεσμού στο ακετυλένιο

2 2 spsp

2 2 pp

Ένας π δεσμός περιλαμβάνει ένα από τα p τροχιακά του κάθε άνθρακα

Υπάρχει ένας δεύτερος π δεσμός κάθετος προς αυτόν εδώ

Ο σχηματισμός π δεσμού στο ακετυλένιο

Ο σχηματισμός Ο σχηματισμός ππ δεσμού στο ακετυλένιοδεσμού στο ακετυλένιο

2 2 spsp

2 2 pp

Ο σχηματισμός π δεσμού στο ακετυλένιο

Ο σχηματισμός Ο σχηματισμός pp δεσμού στο ακετυλένιο δεσμού στο ακετυλένιο

2 2 spsp

2 2 pp

Ο σχηματισμός π δεσμού στο ακετυλένιο

119

Ποιά θεωρία χημικού δεσμού είναι η άριστη

Τρία μοντέλα

LewisΤο πλέον οικείοmdashτο ευκολότερο να εφαρμοστείΔεσμού σθένους (Υβριδισμός τροχιακού)Παρέχει καλύτερη εικόνα από το μοντέλο του Lewis Η ικανότητα να συνδέει δομή και δραστικότητα με τον υβριδισμό εμφανίζεται στη πράξηΜοριακού τροχιακούΕνδεχομένως η πλέον ισχυρή μέθοδος αλλά η πλέον θεωρητικήΑπαιτεί μεγάλη εμπειρία για να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά