Szalai István. ELTE Kémiai Intézet 1/74

Elsőrendű kötések Szalai István ELTE Kémiai Intézet 1/74

Az előadás vázlata ˆ Ismétlés ˆ Ionos vegyületek képződése ˆ Ionok típusai ˆ Kovalens kötés ˆ Fémes kötés ˆ VSEPR elmélet ˆ VB elmélet 2/74

Periodikus tulajdonságok (ismétlés) ˆ A periódusos rendszer (Mengyelejev, Moseley) ˆ Periodikus tulajdonságok: ˆ Atomsugár ˆ Ionizációs energia ˆ Elektronaffinitás ˆ Elektronegativitás EN A EN B = 0.102 ˆ kémiai tulajdonságok 3/74

Ionos vegyületek képződése 2 Na(s) + Cl 2 (g) 2 NaCl(s) 4/74

Ionos vegyületek képződése 2 Na(s) + Cl 2 (g) 2 NaCl(s) Na [Ne] Na + [Ne] 3s Cl [Ne] Cl [Ne] 3s 3p 3s 3p 4/74

Ionos vegyületek képződése 2 Na(s) + Cl 2 (g) 2 NaCl(s) Na [Ne] Na + [Ne] 3s Cl [Ne] Cl [Ne] 3s 3p 3s 3p E B = Q2 α 4πɛ 0 r Elektrosztatikus kölcsönhatás (Coulomb erő) α(nacl) = 1.7475 4/74

Ionos vegyületek képződése 5/74

Ionok típusai ˆ Nemesgáz konfiguráció s 2 : H, Li +, Be 2+ s 2 p 6 : pl. Na +, Ca 2+, Sc 3+, Cl, O 2... 6/74

Ionok típusai ˆ Nemesgáz konfiguráció s 2 : H, Li +, Be 2+ s 2 p 6 : pl. Na +, Ca 2+, Sc 3+, Cl, O 2... ˆ d 10 konfiguráció Zn ([Ar]3d 10 4s 2 ) Zn 2+ ([Ar]3d 10 ) + 2e Cu +, Ag +, Cd 2+, Tl 3+,... 6/74

Ionok típusai ˆ Nemesgáz konfiguráció s 2 : H, Li +, Be 2+ s 2 p 6 : pl. Na +, Ca 2+, Sc 3+, Cl, O 2... ˆ d 10 konfiguráció Zn ([Ar]3d 10 4s 2 ) Zn 2+ ([Ar]3d 10 ) + 2e Cu +, Ag +, Cd 2+, Tl 3+,... ˆ d 10 s 2 Sn ([Kr]4d 10 5s 2 5p 2 ) Sn 2+ ([Kr]4d 10 5s 2 ) + 2e Tl +,Pb 2+, Bi 3+,... 6/74

Ionok típusai Átmenetifémek ionjai ˆ Ti ([Ar]3d 2 4s 2 ) Ti 3+ ([Ar]3d 1 ) + 3e ˆ V ([Ar]3d 3 4s 2 ) V 3+ ([Ar]3d 2 ) + 3e ˆ Cr ([Ar]3d 5 4s 1 ) Cr 3+ ([Ar]3d 3 ) + 3e ˆ Mn ([Ar]3d 5 4s 2 ) Mn 3+ ([Ar]3d 4 ) + 3e ˆ Mn ([Ar]3d 5 4s 2 ) Mn 2+ ([Ar]3d 5 ) + 2e ˆ Fe ([Ar]3d 6 4s 2 ) Fe 2+ ([Ar]3d 6 ) + 2e ˆ Co ([Ar]3d 7 4s 2 ) Co 2+ ([Ar]3d 7 ) + 2e ˆ Ni ([Ar]3d 8 4s 2 ) Ni 2+ ([Ar]3d 8 ) + 2e ˆ Cu ([Ar]3d 10 4s 1 ) Cu 2+ ([Ar]3d 9 ) + 2e 7/74

Ionok típusai 8/74

Kovalens kötés 9/74

Oktett szabály Az s és p mező elemei vegyületeikben a nemesgáz konfiguráció (8 elektronos) elérésére törekednek. 10/74

Rezonancia szerkezetek, delokalizált kötések 11/74

Datív kötés 12/74

Kötésrend ˆ egyszeres kötés (σ kötés [s s, s p, p p]) ˆ kettős kötés (1 σ kötés + 1 π kötés [p p]) ˆ hármas kötés (1 σ kötés + 2 π kötés) 13/74

Kötéstávolság, kötési energia kötéstávolság (pm) kötési energia (kj/mol) H H 74 436 C C 154 347 N N 140 159 O O 132 138 F F 128 159 Si Si 234 176 C=C 134 611 O=O 121 498 C C 121 837 N N 110 946 14/74

Eltérések az oktettszabálytól Elektronhiányos vegyületek 15/74

Eltérések az oktettszabálytól A központi elem körül 8-nál több elektront tartalmazó vegyületek 16/74

Eltérések az oktettszabálytól Páratlan számú elektront tartalmazó vegyületek 17/74

Dipólusmomentum µ = Q d φ( r) = 1 µ r 4πɛ 0 r 3 18/74

Kötéspolaritás µ = Q d 19/74

Molekulapolaritás µ = Q d 20/74

Fémes kötés A rácspontokban lévő pozitív töltésű fémionokat közös, delokalizált elektronrendszer tartja össze. 21/74

Átmenet a kötéstípusok között EN = 0 apoláros kovalens vagy fémes kötés 0 < EN < 2 poláros kovalens vagy fémes kötés 2 < EN ionos kötés 22/74

Mágneses tulajdonságok ˆ Diamágnesesség: olyan elemeknél figyelhető meg, amelyeknek minden elektronja párosított (µ r < 1). Külső mágneses térbe helyezve a diamágneses anyagokon belül gyengül a mágneses tér. Pl.: Cu, Bi, Au, Ag, H 2 ˆ Paramágnesesség: olyan elemeknél figyelhető meg, amelyek párosítatlan elektronnal rendelkeznek (µ r > 1). Külső mágneses térbe helyezve a paramágneses anyagokon belül a rendezetlenül álló atomi mágneses momentumok a külső tér irányába rendeződnek. Pl.: Al, O 2, W, Pt, Sn, Cu 2+, Cr 3+, Fe 3+ ˆ Ferromágnesesség: az ilyen anyagok kristályaiban rendezett atomi mágneses momentumokkal bíró régiók találhatóak (10µm 1mm) amelyek a külső tér hatására annak irányába rendeződnek (µ r 1). Pl.: Fe, Co, Ni 23/74

Elektronpártaszítási-elmélet (VSEPR) A központi atom külső elektronhéján lévő (kötő és nemkötő) elektronpárok taszítják egymást. Ez olyan geometriai elrendeződéshez vezet amelyben ezek az elektronpárok a lehető legtávolabb kerülnek egymástól. A: központi atom, X: kötő elektronpárok, E: nemkötő elektronpárok AX n E m 24/74

VSEPR elmélet AX 2 BeCl 2, CdI 2, HgBr 2 lineáris 25/74

VSEPR elmélet AX 2 BeCl 2, CdI 2, HgBr 2 lineáris AX 3 BF 3, BCl 3, NO 3 síkháromszög 25/74

VSEPR elmélet AX 2 BeCl 2, CdI 2, HgBr 2 lineáris AX 3 BF 3, BCl 3, NO 3 síkháromszög AX 2 E SO 2, NO 2 V-alak 25/74

VSEPR elmélet AX 4 CH 4, CCl 4, NH + 4 tetraéderes 26/74

VSEPR elmélet AX 4 CH 4, CCl 4, NH + 4 tetraéderes AX 3 E NH 3, SO 2 3 trigonális piramis 26/74

VSEPR elmélet AX 4 CH 4, CCl 4, NH + 4 tetraéderes AX 3 E NH 3, SO 2 3 trigonális piramis AX 2 E 2 H 2 O V-alak 26/74

VSEPR elmélet AX 5 PF 5, SbCl 5 trigonális bipiramis 27/74

VSEPR elmélet AX 5 PF 5, SbCl 5 trigonális bipiramis AX 4 E SF 4 libikóka 27/74

VSEPR elmélet AX 5 PF 5, SbCl 5 trigonális bipiramis AX 4 E SF 4 libikóka AX 3 E 2 ClF 3 T-alak 27/74

VSEPR elmélet AX 5 PF 5, SbCl 5 trigonális bipiramis AX 4 E SF 4 libikóka AX 3 E 2 ClF 3 T-alak AX 2 E 3 XeF 2, I 3 lineáris 27/74

VSEPR elmélet AX 6 SF 6, SeF 6 oktaéder 28/74

VSEPR elmélet AX 6 SF 6, SeF 6 oktaéder AX 5 E BrF 5 négyzetes piramis 28/74

VSEPR elmélet AX 6 SF 6, SeF 6 oktaéder AX 5 E BrF 5 négyzetes piramis AX 4 E 2 XeF 4 négyzetes planáris 28/74

VSEPR elmélet 29/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) A vegyértékkötés-elmélet szerint kovalens kötés két atom között a két atom félig betöltött, egy párosítatlan elektront tartalmazó vegyértékpályáinak átfedésével jön létre. Az átfedés következtében az elektronok a legnagyobb valószínűséggel a kötés körüli térrészben tartózkodnak. Az atomok közötti kötés jellemzőinek (pl geometria) leírására gyakran az atompályák összekombinálásával új hibridpályákat hozunk létre. 30/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Lineáris geometria BeCl 2 Be [He] 2s 2 Cl [Ne] 3s 2 3p 5 31/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Lineáris geometria BeCl 2 Be [He] 2s 2 Cl [Ne] 3s 2 3p 5 Be 2s 2 hibridizáció sp 31/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Síkháromszög alakú molekulák BF 3 B [He] 2s 2 2p 1 F [He] 2s 2 2p 5 32/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Síkháromszög alakú molekulák BF 3 B [He] 2s 2 2p 1 F [He] 2s 2 2p 5 B 2s 2 2p 1 hibridizáció sp2 32/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Tetraéder alakú molekulák CH 4 C [He] 2s 2 2p 2 H 1s 1 33/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Tetraéder alakú molekulák CH 4 C [He] 2s 2 2p 2 H 1s 1 C 2s 2 2p 2 hibridizáció sp3 33/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Trigonális piramis alakú molekulák NH 3 N [He] 2s 2 2p 3 H 1s 1 N 2s 2 2p 3 hibridizáció sp3 34/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) V-alakú molekulák (AX 2 E 2 ) H 2 O O [He] 2s 2 2p 4 H 1s 1 O 2s 2 2p 4 hibridizáció sp3 35/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Trigonális bipiramis alakú molekulák PF 5 P [Ne] 3s 2 3p 3 F [He] 2s 2 2p 5 P 3s 2 3p 3 hibridizáció sp3 d 36/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Oktaéder alakú molekulák SF 6 S [Ne] 3s 2 3p 4 F [He] 2s 2 2p 5 S 3s 2 3p 4 hibridizáció sp3 d 2 37/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Kettős kötés C 2 H 4 A kettős kötés egy szigma és egy pi kötésből áll. A szigma kötés az atompályák,,fej-fej, a pi pályák pedig oldalsó átfedéséből jönnek létre. C 2s 2 2p 2 hibridizáció sp2 38/74

Vegyértékkötés-elmélet (VB) Hármas kötés C 2 H 2 C 2s 2 2p 2 hibridizáció sp 39/74

Molekulapálya-elmélet (MO) A molekulapálya elmélet szerint az atompályákból olyan molekulapályák jönnek létre amelyeken lévő elektronok a molekula egészéhez tartoznak. 40/74

Molekulapálya-elmélet (MO) A molekulapálya elmélet szerint az atompályákból olyan molekulapályák jönnek létre amelyeken lévő elektronok a molekula egészéhez tartoznak. ˆ Kötőpályák: az ilyen pályák energiája kisebb mint azon eredeti atompályáké amelyek kombinációjából kialakultak. 40/74

Molekulapálya-elmélet (MO) A molekulapálya elmélet szerint az atompályákból olyan molekulapályák jönnek létre amelyeken lévő elektronok a molekula egészéhez tartoznak. ˆ Kötőpályák: az ilyen pályák energiája kisebb mint azon eredeti atompályáké amelyek kombinációjából kialakultak. ˆ Lazítópályák: az ilyen pályák energiája nagyobb mint azon eredeti atompályáké amelyek kombinációjából kialakultak. 40/74

Molekulapálya-elmélet (MO) A molekulapálya elmélet szerint az atompályákból olyan molekulapályák jönnek létre amelyeken lévő elektronok a molekula egészéhez tartoznak. ˆ Kötőpályák: az ilyen pályák energiája kisebb mint azon eredeti atompályáké amelyek kombinációjából kialakultak. ˆ Lazítópályák: az ilyen pályák energiája nagyobb mint azon eredeti atompályáké amelyek kombinációjából kialakultak. ˆ Kötésrend: (kötőpályán lévő elektronok száma) (lazítópályán lévő elektronok száma) 2 A nagyobb kötésrend rövidebb és erősebb kötés kialakulását jelzi. 40/74

Molekulapálya-elmélet (MO) 41/74

Molekulapálya-elmélet (MO): H 2 Stabilitás Stabil Kötésrend 1 Mágneses tulajdonság Diamágneses 44/74

Molekulapálya-elmélet (MO): He 2 Stabilitás Instabil Kötésrend 0 Mágneses tulajdonság Diamágneses 45/74

Molekulapálya-elmélet (MO): Li 2 Stabilitás Stabil (csak gázfázisban létezik) Kötésrend 1 Mágneses tulajdonság Diamágneses 46/74

Molekulapálya-elmélet (MO): Be 2 Stabilitás Instabil Kötésrend 0 Mágneses tulajdonság Diamágneses 47/74

Molekulapálya-elmélet (MO): B 2 48/74

Molekulapálya-elmélet (MO): B 2 Stabilitás Stabil (csak gázfázisban létezik) Kötésrend 1 Mágneses tulajdonság Paramágneses 49/74

Molekulapálya-elmélet (MO): C 2 50/74

Molekulapálya-elmélet (MO): C 2 Stabilitás Stabil (csak gázfázisban létezik) Kötésrend 2 Mágneses tulajdonság Diamágneses 51/74

Molekulapálya-elmélet (MO): N 2 52/74

Molekulapálya-elmélet (MO): N 2 Stabilitás Stabil Kötésrend 3 Mágneses tulajdonság Diamágneses 53/74

Molekulapálya-elmélet (MO): O 2 54/74

Molekulapálya-elmélet (MO): O 2 Stabilitás Stabil Kötésrend 2 Mágneses tulajdonság Paramágneses 55/74

Molekulapálya-elmélet (MO): F 2 56/74

Molekulapálya-elmélet (MO): F 2 Stabilitás Stabil Kötésrend 1 Mágneses tulajdonság Diamágneses 57/74

Molekulapálya-elmélet (MO): Ne 2 58/74

Molekulapálya-elmélet (MO): Ne 2 Stabilitás Stabil Kötésrend 0 Mágneses tulajdonság Diamágneses 59/74

Molekulapálya-elmélet (MO): HF 60/74

Többcentrumú kötés Diborán Elektronpárok száma: 6 Kötések száma:8 W. N. Lipscomb kémiai Nobel díj, 1976. 61/74

Többcentrumú kötés Diborán 62/74

Kötések 63/74

Intermolekuláris kötések ˆ Molekulák közötti kölcsönhatások. ˆ Az anyag makroszkópikus tulajdonságaiért felelősek. ˆ Gyengébbek az elsőrendű kötéseknél. H 2 O 2H(g) + O(g) (+927 kj/mol) H 2 O(l) H 2 O(g) (+40.7 kj/mol 100 C-on) 64/74

Dipólus-dipólus és ion-dipólus kölcsönhatás Dipólus-dipóluskölcsönhatás: ˆ Poláris molekulák közötti elektrosztatikus kölcsönhatás, ahol az egyik molekula pozitív polaritású része a másik molekula negatív polaritású részére gyakorol vonzást. ˆ Az átlagos kötési energia 4 kj/mol E dipol dipol µ A 2 µ B 2 (kt )r 6 A B ˆ A dipólus-dipólus kölcsönhatások jelentősége csökken a hőmérséklet növelésével. 65/74

Dipólus-dipólus és ion-dipólus kölcsönhatás Ion-dipólus kölcsönhatás: Poláris molekulák és ionok közötti vonzó kölcsönhatás. Az átlagos kötési energia: E ion dipol Q2 A µ B 2 (kt )r 4 A B Hidratáció: 66/74

van der Waals-féle erők A van der Waals-féle erőket (diszperziós kölcsönhatás) a molekulák pillanatnyi polarizációja hozza létre. Minél nagyobb egy atom vagy molekula körül az elektronfelhő mérete annál könyebben polarizálható. µ = α E 67/74

van der Waals-féle erők Dipólusmomentummal nem rendelkező molekulák közötti kölcsönhatás. A van der Waals-féle erőket (diszperziós kölcsönhatás) a molekulák pillanatnyi polarizációja hozza létre. Minél nagyobb egy atom vagy molekula körül az elektronfelhő mérete annál könyebben polarizálható. ˆ ion-indukált dipólus ˆ dipólus-indukált dipólus (Xe H 2 O) E disp 2α Aµ 2 B R 6 A B ˆ indukált dipólus-indukált dipólus (nemesgázok kondenzációja) E disp α Aα B EI A EI B RA B 6 (EI A + EI B ) 68/74

Hidrogénkötés A hidrogénkötés a egy speciális erős dipólus-dipólus kölcsönhatás. Kialakulásának feltétele hogy a molekulákban legyen olyan hidrogén ami egy nagy elektronegativitású de kis méretű atomhoz (F, O, N) kapcsolódik (a kötés rendkívül poláris) amelynek van nemkötő elektronpárja is. δ F δ+ H δ F δ+ H kötés energia (kj/mol) ionos 100 3800 kovalens 100 900 hidrogénkötés 10 40 diszperziós erők 0, 1 10 69/74

Hidrogénkötés A hidrogénkötések kialakulásának bizonyítéka: Várt viselkedés: a forráspont növekszik a moláris tömeg növekedésével. Tapasztalat: a hidrogénkötésre képes vegyületek forráspontja 70/74

Hidrogénkötés ˆ Intermolekuláris hidrogénkötés ˆ Intramolekuláris hidrogénkötés 71/74

Hidrogénkötés ˆ A víz szerkezetében és tulajdonságaiban jelentős szerepet játszik. 72/74

Hidrogénkötés ˆ A víz szerkezetében és tulajdonságaiban jelentős szerepet játszik. 73/74

Hidrogénkötés ˆ Rendkívül fontos a szerepe a biológia rendszerekben:fehérjék, DNS... 74/74