Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

Átírás

1 Kémiai kötés 4-1 Lewis-elmélet 4-2 Kovalens kötés: bevezetés 4-3 Poláros kovalens kötés 4-4 Lewis szerkezetek 4-5 A molekulák alakja 4-6 Kötésrend, kötéstávolság 4-7 Kötésenergiák Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

2 4-1 Lewis-elmélet Vegyértékelektron: a vegyértékhéjon található elektronok. Alapvető szerepük van a kémiai kötés kialakításában (v.ö. Kis ionizációs energia). Kötés típusok Elektron átvitel ionos kötés. Elektronok megosztása: kovalens v. datív kötés. Lewis szerint e - átvitel során az atomok nemesgáz konfigurációra törekszenek. Ez az oktett szabály. Általános Kémia, szerkezet Dia 2 /39

3 Lewis szimbólumok A vegyjel jelenti az atomot és a törzselektronokat. A vegyjel körüli pontok a vegyértékelektronok. Az első 4 elektron párosítatlan, 4-től 8 elektronig párok keletkeznek a modell szerint: Si N P As Sb Bi Al Se I Ar Általános Kémia, szerkezet Slide 3 /39

4 Lewis szerkezetek: ionos vegyületek BaO O Ba Ba O MgCl 2 Mg Cl Cl Mg Cl Általános Kémia, szerkezet Dia 4 /39

5 4-2 Kovalens kötés: bevezetés Kötő pár Magános párok Általános Kémia, szerkezet Dia 5 /39

6 Koordinációs kovalens kötés H H N H H Cl H H N H H + Cl - Általános Kémia, szerkezet Dia 6 /39

7 Többszörös kovalens kötés O C O O C O O C O O C O Általános Kémia, szerkezet Dia 7 /39

8 Többszörös kovalens kötés N N N N N N N N Általános Kémia, szerkezet Dia 8 /39

9 4-3 Poláros kovalens kötés A negatív és a pozitív töltések súlypontja elválik δ+ δ- H Cl Általános Kémia, szerkezet Dia 9 /39

10 Elektronegativitás (EN) Az elektronegativitás az atom elektronvonzó képessége, amellyel a kötésben levő elektronokat vonzza. Egy elem, amelynek nagy az elektronaffinitása és nagy az ionizációs energiája, nagy elektronegativitással rendelkezik. Mulliken: EN = (I 1 + A 1 )/2 (csak 57 elemre ismert) Pauling (1932): empírikus, Allred-Rochow (1958): Z* eff Általános Kémia, szerkezet Dia 10 /39

11 Elektronegativitás Pauling (1932): empírikus, a kötés energiákon alapszik Általános Kémia, szerkezet Dia 11 /39

12 Egy kovalens kötés ionos karaktere Pauling javaslata: a kovalens kötésben résztvevő két atom elektronegativitásának különbsége és a kötés ionos karaktere között az alábbi összefüggés van: EN 1 -EN 2 = x Ionos karakter = (1-e (x/2)2 ) 100 % Általános Kémia, szerkezet Dia 12 /39

13 Egy kötés ionos karakter százaléka Ionos karakter = (1-e (x/2)2 ) 100 % Általános Kémia, szerkezet Dia 13 /39

14 Az atomok elektronegativitása Allred-Rochow F Cl Br H I Li Na K Cs Z 60 Általános Kémia, szerkezet Dia 14 /39

15 EN1-EN2 A vegyületek osztályozása, háromszög fémes Allred-Rochow H 2 KF ionos kovalens O 2 F EN1+EN2 Általános Kémia, szerkezet Dia 15 /39

16 4-4 Lewis: Szerkezeti képlet - váz központi és terminális atomok. H H H C C O H H H Általános Kémia, szerkezet Dia 16 /39

17 Lewis-szerkezetek felírása 1. Vegyértékelektronok összeszámlálása (N) (vegyértékhéj elektronjai [Z törzs e-] + töltés) 2. Váz felrajzolása egyszeres kötésekkel. 3. Magános elektronpárok felrajzolása a terminális atomokra, az oktett szabály felhasználásával. 4. Felrajzolt elektronok összeszámlálása (Egy kötés, illetve egy magános elektronpár 2-2 elektron.) 5. Ha az oktett szabály nem áll fenn a központi atomra, akkor a ligandumok magános elektronpárjaiból kötést kell formálni. 6. Formális töltések atomokhoz rendelése.

18 4-5 A molekulák alakja H O H Általános Kémia, szerkezet Dia 18 /39

19 Terminológia Molekulageometria a magok térbeli helyzete Kötéstávolság: r ij 2 atom - egyensúlyi távolsága. Kötésszög 3 atom - szomszédos kötések szöge. Torziós szög 4 atom - 2 sík szöge Általános Kémia, szerkezet Dia 19 /39

20 Terminológia VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) elmélet A kötő (bond) és a magános (lone) elektronpárok taszítják egymást. Az elektronpárok olyan helyzetet vesznek fel, hogy a taszítást minimalizálják, igyekeznek maximális távolságra lenni egymástól. Elektrongeometria az elektronpárok eloszlása (a magok helyzetével szemben a röntgendiffrakció ezt nem méri). Általános Kémia, szerkezet Dia 20 /39

21 Lufi analógia Általános Kémia, szerkezet Dia 21 /39

22 Metán, ammónia és víz Általános Kémia, szerkezet Dia 22 /39

23 Kötésszögek CH 4 NH 3 H 2 O H-A-H 109,5 107,3 104,5 SiH 4 PH 3 H 2 S H-A-H 109,5 93,3 92,1 Általános Kémia, szerkezet Dia 23 /39

24 VSEPR Valence Shell Electron Pair Repulsion Általános Kémia, szerkezet Dia 24 /39

25 VSEPR n + m = 2 AX 2 : BeH 2, MgCl 2, CO 2, lineáris n + m = 3 AX 3 : BH 3, AlCl 3, CO 3 2, AX 2 E : O 3, SO 2, háromszög hajlott (V- alakú)

26 VSEPR n + m = 4 AX 4 : CH 4, SiF 4, tetraéderes AX 3 E : NH 3, PCl 3,... trigonális piramis AX 2 E 2 : H 2 O, SCl 2,... hajlott (V-alakú)

27 VSEPR n + m = 5 AX 5 : PCl 5, AX 4 E : SF 4, AX 3 E 2 : ClF 3, Trigonális bipiramis pillangó T-alakú AX 2 E 3 : IF 2, I 3, XeF 2... lineáris

28 VSEPR n + m = 6 AX 6 : SF 6, AX 5 E : BrF 5,... Oktaéderes Piramisos AX 4 E 2 : XeF 4,... négyzet

29 VSEPR elmélet alkalmazása Lewis szerkezeti képletből induljunk ki. Határozzuk meg a magános és kötő elektronpárok számát. Határozzuk meg az elektronpárok geometriáját. Határozzuk meg a molekula geometriáját. A többszörös kötések egyszer számítandók (nagyobb térkitöltéssel). Egynél több központi atom: egyenként kell kezelni őket. Általános Kémia, szerkezet Dia 29 /39

30 Dipólus momentum Általános Kémia, szerkezet Dia 30 /39

31 Dipólus momentum Általános Kémia, szerkezet Dia 31 /39

32 4-6 Kötésrend, kötéstávolság Magasabb kötésrend eredménye: rövidebb és erősebb kötés Általános Kémia, szerkezet Dia 32 /39

33 Egyensúlyi kötéstávolságok Általános Kémia, szerkezet Dia 33 /39

34 4-7 Kötésenergiák Általános Kémia, szerkezet Dia 34 /39

35 Kötésenergiák Általános Kémia, szerkezet Dia 35 /39

36 Kötésenergiák és elektronegativitás Egy A és B atomból álló poláros kötés E(AB) energiája mindig nagyobb mint a E(AA) E(BB) kovalens energia. Pauling javaslata: E AB E(AA) E(BB) x 2, ahol az energia kj mol 1 és x =EN A -EN B. A poláros kötési energia többlet arányos az elektronegativitás különbség négyzetével. Általános Kémia, szerkezet Dia 36 /39

37 Kötésenergia közelítése Számítsuk ki a C H kötés közelítő energiáját a H H és a C C kötések energiája és a C és a H atomok elektronegativitásának különbsége alapján: E C H ,48 0,4 2, ahol 0,4 =2,5-2,1. E C H = 404 kj mol -1, ami 10 kj mol -1 eltérést mutat a táblázatban található értéktől. Általános Kémia, szerkezet Dia 37 /39

38 Elektronegativitás különbség közelítése Számítsuk ki a C H kötésben a C és a H atomok elektronegativitásának különbségének értékét az előző táblázat alapján: E C H E H H E C C = x = ebből x=0.509 Látható, hogy ez csak közelítő érték, mert a valódi érték 0.4 Általános Kémia, szerkezet Dia 38 /39

39 Mit kell tudnia a kötéselméletnek? A távoli atomokat hozza közel. e - a mag vonzza. e - egymást taszítják. A magok taszítják egymást. Rajzoljuk fel a potenciális energiát a távolság függvényében. -ve stabil a vonzás dominál. +ve nem stabil a taszítás dominál. Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 39 /47

40 Potenciális energia diagram (H 2 molekula) Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 40 /47

41 Molekulapálya elmélet Az atompályák (AO) az atommagon centráltak. A molekulapályák (MO) több atomot köthetnek össze. LCAO -MO Linear combination of atomic orbitals. Két atompálya két lineáris kombinációja: Ψ 1 = φ 1 + φ 2 Ψ 2 = φ 1 - φ 2 MO AO-k Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 41 /47

42 AO-k kombinálása Összeadás Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 42 /47

43 A H 2 molekulapályái Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 43 /47

44 MO-kkal kapcsolatos alapvető dolgok MO-k száma = AO-k száma. Kötő és lazító MO-k keletkeznek az AOkból. e - a legalacsonyabb energiájú MO-kat tölti be először. Pauli kizárási elv érvényes. Hund szabály érvényes. Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 44 /47

45 Kötésrend (Bond Order, BO) Stabil molekulákban több elektron van a kötőpályákon, mint a lazító pályákon. Kötésrend = N e - kötő MO-kon - N e- lazító MO-kon 2 Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 45 /47

46 Az első periódus kétatomos molekulái BO = (Ne - kötő - Ne - lazító)/2 BO H 2 + = (1-0)/2 = ½ BO = (2-0)/2 = 1 H 2 BO He 2 + = (2-1)/2 = ½ BO = (2-2)/2 = 0 He 2 Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 46 /47

47 Kötésrend - kötéstávolság H 2 -típusú molekulák: Molekula e-konfiguráció kötésrend kötéstávolság H + 2 1s 1 ½ 106 pm H 2, He s , ~75 H 2, He + 2 1s 2 1s* 1 ½ ~106, 108 H 2 2, He 2 1s 2 1s* 2 0 nem kovalens Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 47 /47

48 A második periódus kétatomos molekulái Első periódus:1s pálya. Második periódus 2s és 2p pálya. p pálya átfedés: Szemből, a legerősebb szigma kötés (σ). Oldalról, ez gyengébb pi kötés (π). Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 48 /47

49 A második periódus molekulapályái Általános Kémia, Kötés szerkezet Dia 49 /47