Materialy pochodza z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl

1
Materialy pochodza z Platformy Edukacyjnej
Portalu www.szkolnictwo.pl
Wszelkie tresci i zasoby edukacyjne publikowane
na lamach Portalu www.szkolnictwo.pl moga byc
wykorzystywane przez jego Uzytkowników wylacznie
w zakresie wlasnego uzytku osobistego oraz do
uzytku w szkolach podczas zajec dydaktycznych.
Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesylanie,
publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie
tych tresci do celów komercyjnych jest
niedozwolone. Plik mozna dowolnie modernizowac na
potrzeby wlasne oraz do wykorzystania w szkolach
podczas zajec dydaktycznych.
2
Wiazania chemiczne w swietle mechaniki
kwantowej
3
ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ W UJECIU
JAKOSCIOWYM. Dualizm korpuskularno-falowy Zasada
nieoznaczonosci Heisenberga Orbital atomowy Stany
kwantowe KONFIGURACJA ELEKTRONOWA
ATOMÓW. ORBITALE MOLEKULARNE Budowa
czasteczki Teoria orbitali molekularnych Kryteria
doboru orbitali atomowych Typy orbitali
molekularnych Podobienstwa i róznice pomiedzy
orbitalami atomowymi OA i molekularnymi
OM Czasteczki dwuatomowe homojadrowe. Czasteczki
dwuatomowe heterojadrowe. BUDOWA CZASTECZEK
WIELOATOMOWYCH Hybrydyzacja orbitali
atomowych Rodzaje hybrydyzacji Teoria VSEPR
4
ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ W UJECIU JAKOSCIOWYM
Dualizm korpuskularno-falowy
Wspólczesna nauka opiera opis atomu na dualizmie
korpuskularno falowym elementarnych czastek
materii. Wedlug hipotezy de Brogliea ruch
elementarnych czastek materii nalezy rozwazac
jako ruch korpuskul (czastek) ujawniajacych cechy
falowe.Kazdej czastce mozna przypisac fale o
dlugosci
Zasada nieoznaczonosci Heisenberga
Nie mozna jednoczesnie ustalic dokladnie
predkosci i polozenia elektronu.Im mniejszy jest
blad okreslenia polozenia elektronu ?x tym
wiekszy jest blad okreslenia predkosci ?v i
odwrotnie
Mechanika kwantowa nie jest w stanie okreslic
dokladnie ani polozenia ani predkosci elektronu w
atomie badz czasteczce.Z tego powodu operuje sie
prawdopodobienstwem znalezienia elektronu w danym
obszarze.
5
Orbital atomowy OA

• Zgodnie z teoria Schrödingera
• stan elektronu w atomie opisuje funkcja falowa
  Y, nazwana orbitalem,
• kwadrat tej funkcji daje prawdopodobienstwo
  znalezienia elektronu w danym obszarze wokól
  jadra,
• energia elektronów jest kwantowana a geometryczne
  ksztalty orbitali wskazuja na przestrzenny
  rozklad prawdopodobienstwa znalezienia elektronu
  opisanego danym orbitalem.
• Znane orbitale to orbital s, p, d i f,
• kazdy stan kwantowy elektronu jest opisany za
  pomoca czterech liczb kwantowych, tj. glówna
  liczba kwantowa - n, poboczna liczba kwantowa -
  l, magnetyczna liczba kwantowa - m i magnetyczna
  spinowa liczba kwantowa - ms

Funkcja falowa Y jest amplituda
prawdopodobienstwa w punkcie przestrzeni
okreslonym wspólrzednymi x, y, z. W przypadku
elektronu funkcja falowa Y okresla zatem
prawdopodobienstwo znalezienia tej czastki w
okreslonym miejscu przestrzeni wokól atomu, a
takze okresla najbardziej prawdopodobne wartosci
jego energii.
6
Graficzny zapis orbitalu
Obrazem graficznym orbitalu jest fragment
przestrzeni, w której prawdopodobienstwo
znalezienia elektronu jest duze. Kazdy orbital
ma inny ksztalt i orientacje przestrzenna, a
zajmujacy go elektron charakteryzuje sie inna
energia. Orbitale zdegenerowane, to takie, które
róznia sie od siebie tylko polozeniem w
przestrzeni ( orbitale p orbitale d orbitale f)
7
Stany kwantowe
Ruch elektronu w atomie charakteryzuje sie
podajac- orbitalny moment pedu ML /ruch
postepowy/ - wlasny moment pedu zwany spinem MS /
ruch wirowy/ Momenty pedów elektronów moga
przyjmowac tylko okreslone wartosci, sa
wielkosciami skwantowanymi.Skladowe wektorów
momentów pedu w stosunku do kierunku
wyróznionego w przestrzeni sa wiec wielkosciami
skwantowanymi. Na calkowita energie elektronu w
atomie sklada sie jego energia kinetyczna i
potencjalna. Wartosci energii sa wielkosciami
skwantowanymi, czyli moga przyjmowac tylko
okreslone wartosci. Wartosci tych wielkosci
fizycznych okresla sie za pomoca parametrów
zwanych liczbami kwantowymi.
8
Wyróznia sie piec liczb kwantowych, które odnosza
sie do atomu
9
(No Transcript)
10
KONFIGURACJA ELEKTRONOWA ATOMÓW

• Konfiguracja elektronowa to sposób opisu
  elektronów danego atomu przez orbitale.
• Aby poprawnie zapisac konfiguracje danego atomu
  nalezy
• Opisywac elektrony na orbitalach zgodnie ze
  wzrostem ich energii orbitalnej
• Przestrzegac reguly Hunda

Liczba niesparowanych elektronów w podpowloce
powinna byc jak najwieksza. Niesparowane
elektrony maja jednakowy spin. Regula Hunda
dotyczy orbitali zdegenerowanych, czyli takich,
które róznia sie od siebie tylko polozeniem w
przestrzeni ( orbitale p orbitale d)

• Przestrzegac zakazu Pauliego

Atom nie moze miec dwóch elektronów o takich
samych wartosciach wszystkich czterech liczb
kwantowych. Musza sie róznic przynajmniej jedna (
najczesciej ms).
11
TEORIA KWANTOWA dopuszcza mozliwosc
interpretowania struktury czasteczki róznymi
metodami, z których kazda ma charakter
przyblizony a wszystkie prowadza do wniosków
niemal takich samych, zgodnych w wiekszosci
przypadków z danymi eksperymentalnymi. Stosunkowo
najprostsza do przedstawienia jest metoda, która
zaklada, ze wiazania kowalencyjne i kowalencyjne
spolaryzowane powstaja na skutek nakladania sie
orbitali atomowych obsadzonych niesparowanymi
elektronami i nalezacych do dwóch róznych
atomów. Nakladanie sie orbitali, rozumianych jako
obszary przestrzenne, prowadzi do nowego obszaru
orbitalu molekularnego- obejmujacego swym
zasiegiem oba jadra symetrycznie wiazanie
kowalencyjne- lub niesymetrycznie wiazanie
kowalencyjne spolaryzowane
12
BUDOWA CZASTECZKI

• Czasteczka sklada sie z dwóch lub wiecej jader
  oraz elektronów bedacych w sferze ich
  oddzialywania.
• Zachowanie sie elektronów w czasteczce opisuje
  sie za pomoca funkcji falowych ? zwanych
  orbitalami molekularnymi ( czasteczkowymi) OM
• Znajomosc tych funkcji pozwala na wyznaczenie
  prawdopodobienstwa przebywania elektronu w
  okreslonym obszarze czasteczki.
• Powstajace pomiedzy atomami wiazania moga byc
• Zlokalizowane wiazaca para elektronów jest
  wspólna wylacznie dla dwóch jader atomów
• Zdelokalizowane elektrony biorace udzial w
  wytworzeniu wiazania pozostaja w zasiegu
  oddzialywania kilku jader atomowych

13
TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH
Orbitalowi molekularnemu wiazacemu odpowiada
energia nizsza od energii elektronów izolowanych
atomów, orbitalowi antywiazacemu energia wyzsza.
14
Dla czasteczki zlozonej z dwóch atomów A i B,
powstaja dwa orbitale molekularne czasteczkowe
wiazacy
W równaniu stale cA i cB dobrane sa tak, by
energia orbitalu czasteczkowego osiagala minimum.
oraz orbital antywiazacy
Róznica pomiedzy orbitalem wiazacym i
antywiazacym polega na zwiekszonym
prawdopodobienstwie napotkania elektronu pomiedzy
jadrami w przypadku orbitalu wiazacego, oraz w
najblizszym otoczeniu poza jadrami w przypadku
orbitalu antywiazacego.
15
Kryteria doboru orbitali atomowych

• Do wyznaczania orbitalu molekularnego nadaja sie
  wylacznie, te orbitale atomowe, które opisujac
  elektrony walencyjne atomów wchodzacych w sklad
  czasteczki, spelniaja nastepujace warunki
• Maja porównywalne energie
• Wzajemnie sie nakladaja
• Wykazuja jednakowa symetrie w stosunku do prostej
  laczacej jadra atomów.

Im pelniejsze jest wzajemne przenikanie sie
orbitali, tym wieksza jest trwalosc tworzonego
wiazania. Jezeli przejsciu elektronów z orbitali
atomowych na orbitale czasteczkowe towarzyszy
wydzielanie energii, to czasteczka oczywiscie
stanowi uklad bardziej trwaly od atomów, co
równoznaczne jest z wytworzeniem wiazania.
16
Typy orbitali molekularnych
Nakladanie czolowe orbitali atomowych (wzdluz
prostej laczacej jadra) powoduje powstawanie
orbitali molekularnych typu s (sigma)
Orbitale typu s moga powstac z orbitali atomowych
tego samego typu(s - s py - py) lub róznego
typu (s p). Orbital wiazacy s charakteryzuje
sie zwiekszona gestoscia elektronów w przestrzeni
miedzy jadrami. Para elektronów zajmujaca ten
orbital nosi nazwe wiazacej i tworzy trwale
wiazanie. Orbital antywiazacy s charakteryzuje
sie mniejsza gestoscia elektronów w przestrzeni
miedzy jadrami, co powoduje, ze jadra atomów
odpychaja sie.
17
Nakladanie boczne orbitali atomowych powoduje
powstawanie orbitali molekularnych typu p (pi)
Osie symetrii orbitali sa prostopadle do prostej
laczacej jadra atomów. Orbitale typu p moga
powstawac z orbitali tego samego typu (px px
pz pz) lub róznego typu (p d). Wiazania
pojedyncze zawsze sa wiazaniami sigma, natomiast
wiazania wielokrotne (podwójne, potrójne),
posiadaja jedno wiazanie sigma i pozostale
wiazania typu pi. Wiazania pi sa slabsze od
wiazan sigma i latwiej ulegaja rozerwaniu.
18
Podobienstwa i róznice pomiedzy orbitalami
atomowymi OA i molekularnymi OM
19
Czasteczki dwuatomowe homojadrowe.
Czasteczka wodoru
Czasteczka H2 powstaje w wyniku utworzenia
orbitalu czasteczkowego z orbitali 1s atomów
wodoru. Przez nalozenie sie dwu orbitali
atomowych powstaja dwa orbitale czasteczkowe s i
s. W czasteczce wodoru obydwa elektrony
obsadzaja orbital o nizszej energii, a orbital s
pozostaje nie zajety. W czasie tworzenia wiazania
wydziela sie energia (energia wiazania), a uklad
jest trwaly ze wzgledu na uzyskanie
uprzywilejowanego stanu energetycznego
charakteryzujacego sie minimum energii.
20
Czasteczka azotu
U pierwiastków wieloelektronowych przenikanie
orbitali glebiej polozonych nie odgrywa
roli. Czasteczka N2 powstaje z dwóch atomów
azotu, które w stanie podstawowym maja
konfiguracje
Dziesiec elektronów walencyjnych obu atomów N po
sparowaniu rozmieszcza sie w czasteczce, w
kolejnosci wzrastajacej energii, na pieciu
najnizszych energetycznie orbitalach
molekularnych. W czasteczce azotu powstaja trzy
pary elektronów wiazacych wytwarzajace jedno
wiazanie typu s i dwa wiazania typu
p Konfiguracja elektronowa czasteczki N2
21
Czasteczki dwuatomowe heterojadrowe
Budowa czasteczki LiH
Konfiguracja atomu litu i wodoru w stanie
podstawowym
Wartosci energii jonizacji H 13,6 eV Li 5,4
eVponiewaz energie orbitali sa jeszcze
porównywalne z orbitalu 2s atomu Li i orbitalu 1s
atomu H mozna utworzyc orbital wiazacy s2s,1s i
orbital antywiazacy s2s,1s
Konfiguracja elektronowa czasteczki
Poziom energetyczny orbitalu 1s at. H znajduje
sie blizej poziomu orbitalu molekularnego
wiazacego niz poziom 2s at. Li. Wiekszy jest
zatem udzial orbitalu wodoru w orbitalu
molekularnym wiazacym czasteczki, natomiast w
orbitalu molekularnym antywiazacym wiekszy udzial
stanowi orbital litu.Wynika stad, ze para
elektronów wiazaca (opisywana orbitalem s2s,1s)
przesunieta jest w kierunku atomu wodoru, nadajac
mu charakter bardziej elektroujemny.
22
HYBRYDYZACJA ORBITALI WALENCYJNYCH CENTRALNYCH
ATOMÓW CZASTECZEK
Orbitale czasteczkowe opisujace zachowanie
elektronów w czasteczkach wieloatomowych,
utworzone przez proste kombinacje liniowe
orbitali atomowych, czesto nie pozwalaja na
uzyskanie w obliczeniach zgodnych z
doswiadczeniem wartosci katów miedzy wiazaniami.
W przypadku czasteczek wieloatomowych uzyskuje
sie wyniki bardziej zgodne z doswiadczeniem jesli
do wyliczenia funkcji czasteczkowych nie
posluguje sie prostymi orbitalami atomowymi lecz
orbitalami mieszanymi zhybrydyzowanymi. HYBRYDYZ
ACJA polega na tworzeniu nowych funkcji falowych
dla ATOMU CENTRALNEGO CZASTECZKI. Funkcje te
tworzy sie jako kombinacje liniowe jego orbitali
atomowych.
Uwaga Hybrydyzacja jest zabiegiem matematycznym,
a nie procesem fizycznym.Ulatwia przedstawienie
rozkladu przestrzennego.
23

• Atom centralny znajduje sie w stanie wzbudzonym.
• Wytworzone orbitale zhybrydyzowane sa równocenne
  energetycznie.
• Orbitale zhybrydyzowane maja taki sam ksztalt
  konturu i okreslone rozmieszczenie w przestrzeni,
  które decyduje o ksztalcie czasteczki.
• Kazdy z hybrydów zlozony jest z dwóch czesci,
  rozciagajacych sie po obu stronach jadra- czesc
  dodatnia ( wieksze prawdopodobienstwo napotkania
  elektronu)- czesc ujemna wartosci funkcji
• Liczba powstajacych hybryd jest równa liczbie
  orbitali bioracych udzial w hybrydyzacji

24
Typy hybrydyzacji
25
Hybrydyzacja typu sp
Hybrydyzacja sp polega na wymieszaniu sie
orbitalu s z jednym orbitalem p z wytworzeniem
struktury liniowej. Wszystkie wiazania wytworzone
z udzialem zhybrydyzowanych orbitali sp leza
wzdluz jednej prostej .
Czasteczka CH2
W czasteczce etynu C2H2 (acetylenu), atomy wegla
wytwarzaja za pomoca zhybrydyzowanych orbitali sp
wiazanie s wiazac dwa atomy wodoru i tworzac
wiazanie miedzy soba, a niezhybrydyzowane dwa
orbitale p tworza dwa wiazania p.
26
Hybrydyzacja typu sp2
Hybrydyzacja sp2 polega na wymieszaniu sie
orbitalu s z dwoma orbitalami p z wytworzeniem
struktury plaskiej Wiazania wytworzone z udzialem
zhybrydyzowanych orbitali sp2 leza na jednej
plaszczyznie, a kat miedzy nimi wynosi 120 .
Czasteczka C2H4
W czasteczce etenu C2H4 (etylenu), atomy wegla
wytwarzaja za pomoca zhybrydyzowanych orbitali
sp2 wiazanie s, wiazac po dwa atomy wodoru i
tworzac wiazanie miedzy soba, a niezhybrydyzowane
orbitale p tworza wiazanie p. Wszystkie atomy
leza na tej samej plaszczyznie, a wiazanie p
usztywnia czasteczke uniemozliwiajac swobodny
obrót wokól wiazania C-C.
27
Hybrydyzacja typu sp3
Obsadzone pojedynczymi elektronami orbital s i
trzy orbitale p we wzbudzonym atomie wegla
ulegaja hybrydyzacji dajac cztery równocenne
zhybrydyzowane orbitale typu sp3.Odpychanie
miedzy czterema równocennymi chmurami
elektronowymi jest najmniejsze, gdy ich osie
skierowane sa od srodka czworoscianu foremnego ku
jego narozom i tworza katy 109o28'
Czasteczka CH4
Tworzy cztery wiazania s z czterema atomami
wodoru
28
METODA VSEPR
Metoda ta zaklada, ze budowa przestrzenna
czasteczki zalezy od lacznej liczby elektronów
wokól atomu centralnego, a orientacja
przestrzenna zapewnia minimum energii odpychania
elektronów w atomie centralnym
W przypadku np..metanu CH4 cztery zhybrydyzowane
orbitale atomu wegla(sp3) nakladaja sie z
czterema orbitalami typu s atomów wodoru. Atom
centralny nie ma wolnych par elektronowych. Katy
pomiedzy wiazaniami wynosza 109o28
29
W przypadku amoniaku NH3 ( hybrydyzacja atomu
azotu sp3). Trzy hybrydy uczestnicza w tworzeniu
wiazan z atomami wodoru, natomiast czwarta
opisuje wolna pare elektronowa. Ksztalt
czasteczki to piramida o podstawie trójkata. Katy
pomiedzy wiazaniami N-H wynosi10645'
W przypadku czasteczki wody H2O elektrony
ostatniej powloki atomu tlenu ulegaja
hybrydyzacji typu sp3. wystepuja dwie hybrydy z
wolnymi parami elektronowymi. Katy pomiedzy
wiazaniami O-H 104o45
30
Bibliografia Budowa materii w swietle mechaniki
kwantowej Maria Klys Lodzinska Chemia od A
do Z Marzenna Klimaszewska Szkolny slownik
chemiczny Dobrowolska, Pazdro http//pl.wikipedia
.org/wiki/ http//oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydakty
ka/chemia/a_e_chemia/index.htm