Prečo je čpavok pyramidálna molekula RomanPetráš Osnova }Základný popis }Pojmy }Jednoduchý model čpavku }Teória hybridizácie }Teória vsepr } Základný popis }Amoniak alebo azan (triviálny názov čpavok) je bezfarebný veľmi štipľavý plyn }Binárna zlúčenina dusíka a vodíka so vzorcom NH3. }trojuholníková pyramída } Pojmy }Kovalentná väzba - typ chemickej väzby, ktorá vzniká medzi dvoma atómami, ktoré majú jeden alebo viac nespárených elektrónov a malý rozdiel elektronegativít }Z hľadiska rozloženia elektronovej hustoty rozlišujeme dvojicu väzieb: sigma, pi. }Ak sú atómy v molekule viazané jednoduchou väzbou jedná sa o väzbu sigma. Ak sú atómy viazané násobnou väzbou napríklad dvojitou, jedna z väzieb je sigma a druhá pí väzba. } Pojmy } väzba - elektrónová hustota je koncentrovaná medzi atómami a je rozložená rovnomerne okolo spojnice jadier. Pojmy } π väzba - elektronová hustota sa koncentruje do dvoch oblakov nad a pod spojnicou jader Jednoduchý model čpavku }Vlnová funkcia elektrónu v atóme H je sféricky symetrická a neovplyvňuje smerové vlastnosti väzby v molekule. }Elektrónová konfigurácia atómu dusíka je daná podľa nasledujúcej tabuľky } } } }Atómy vodíka sa priviažu na tri 2p orbitaly dusíka. Tieto tri 2px, 2py, 2pz orbitaly majú smer osí x, y, z Jednoduchý model čpavku } } } } } } } Uhly medzi smermi jednotlivých väzieb sú takto 90°. V skutočnosti sú uhly väčšie, sú rovné 107,5°. Odchýlku možno kvalitatívne vysvetliť elektrostatickým odpudzovaním sa jadier atómov vodíka. Motivácia }Vysvetlenie tvaru molekuly CH4 }Identita všetkých štyroch C-H väzieb v molekule } } } }Odpoveď sformuloval Linus Pauling v roku 1931 pomocou hybridizácie atómových orbitálov. Teória hybridizácie }Základom hybridizácie je predstava, že vo valenčnej vrstve atómu vznikajú lineárnou kombináciou energeticky rozdielnych atómových orbitálov energeticky rovnocenné hybridné orbitály. Pri tvorbe hybridných orbitálov platia určité pravidlá: }Počet vytvorených hybridných orbitálov sa rovná počtu pôvodných atómových orbitálov, z ktorých vznikli. }Hybridné orbitály môžu vzniknúť lineárnou kombináciou len energeticky blízkych atómových orbitálov (2s – 2p) }Hybridné orbitály majú iné tvary ako orbitály, z ktorých pôvodne vznikli. Hybridné atómové orbitály sú nesymetricky rozložené vzhľadom na jadro atómu. Teória hybridizácie }V závislosti od toho, ktoré orbitály boli použité pri lineárnej kombinácii, hovoríme o } hybridizácii. } }Sp1 hybridizácia – jeden 2s a jeden 2p orbitál }Sp2 hybridizácia – dva 2p a jeden 2s orbitál }Sp3 hybridizácia – tri 2p a jeden 2s orbitál } } } Prípad amoniaku } }Experimentálne zistené väzbové uhly v molekule NH3 ukazujú, že i väzby v týchto molekulách môžeme vysvetliť pomocí sp3 hybridizácie atómových orbitálov dusíka, s tým, že niektoré HAO sú zaplnené dvojicou elektrónov, ktorá sa neúčastní väzby (voľným elektrónovým párom). Taká hybridizácia sa nazyvá neekvivalentní. Voľné elektrónové páry sú príčinou nepravidelného priestorového tvaru. } } }Orbitály sú modelom reprezentácie správanie elektrónov vo vnútri molekúl. V prípade jednoduchého hybridizácie je založená na priblížení atómových orbitálov, podobné tým, ktoré získal pre atóm vodíka, jediný atóm, pre ktoré je známe presné analytické riešenie Schrödinger rovnice. V ťažších atómov, ako je uhlík, dusík a kyslík, atómové orbitály sú použité 2s a 2p orbitály, podobné excitovaným stavom orbitálov vodíku. Hybridizáciou nie je nutné popisovať molekuly, ale pre molekuly zložené z uhlíka, dusíka a kyslíka (a v menšej miere, síry a fosforu) je popis oveľa jednoduchšií. Teorie VSEPR - Valence Shell Electron Pair Repulsion = Teorie odpuzování elektronových párů ve valenční vrstvě } } }Teória VSEPR vychádza z jednoduchej predstavy o vzájomnom odpudzovaní elektrónových párov vo valenční vrstve viazaných atómov - elektrónové páry v najjednoduchších molekulách musia byť rozmiestnené okolo centrálneho atómu naproste symetricky. } }"AXE metóda" počítania elektrónov sa bežne používa pri aplikácii teórie VSEPR. A predstavuje centrálny . X predstavuje počet sigma väzieb medzi centrálnymi atómami a ligandami. E predstavuje počet osamotené páry elektrónov obklopujúcich centrálnu atóm. Súčet X a E je známy ako stérické číslo. } } Čo rozhoduje o tvare molekuly •O základnom tvare molekuly rozhoduje číslo udávajúce súčet počtu väzbových elektrónových párov sigma a počtu neväzbových elektrónových párov, umiestených na centrálnom atómu molekuly. •Väzbové elektrónové páry sigma a neväzbové elektrónové páry (n) sa rozmiestňujú do priestoru tak, aby mali čo najnižšiu energiu. •Neväzbový elektrónový pár odpudzuje ostatné elektróny viac než väzbový. •U násobných väzieb je odpudzovanie opäť väčšie, dôsledkom prítomnosti ďalších elektrónov, než u jednoduchej väzby. •Odpudzovanie zdieľaných elektrónov závisí na rozdiele elektronegativít partnerov. } Určenie tvaru }Postup pri určovaní tvaru molekúl }a) Napíšeme si vzorec molekuly }b) vypočítame si a = počet sigma väzieb }c) vypočítame si b = počet voľných el. párov }d) vypočítame si z = a+b Určenie tvaru } } } } }Určíme si centrálny atóm - N - V.A skupina (5 valenčných elektrónov) } }Podľa rozkresleného vzorca vidíme, že N uplatnil 3 sigma väzby (a=3) } }N má celkom 5 valenčných el., z ktorých 3 sú vo väzbách (b=1 elektrónový pár) } }Spočítajme z=a+b=3+1=4 } } Obecne }Dusík v molekule amoniaku a odvodených amínov nesie tri substituenty pútané jednoduchou s väzbou a jeden neväzbový elektrónový pár. Všetky elektrónové páry smerujú do vrcholu tetraedra, pretože sú však pre tvar molekuly určujúce iba atómy, hovoríme, že molekula amoniaku ma tvar trojbokej pyramídy s atómom dusíka na vrchole. Neväzbový elektrónový pár atómu dusíku môže prispieť ku vzniku novej väzby po kombinácii s prázdnym orbitálom. Koordinácia atómu dusíku vo vzniknutom amóniovom katióne bude tetraedrická, pokiaľ budú skupiny viazané na atóm dusíku rôzne, dôjde tiež k menšej nebo väčšej deformácii tvaru tetraedru. Literatúra }Prostorové uspořádání molekul organických sloučenin - Jaromír Literák }http://physics.mff.cuni.cz/kchfo/burda/OCh/Part03.pdf }http://inorgchem.muni.cz/cho/podzim2003/vsepr.pdf }http://heylottka.blog.cz/0801/tvary-molekul-aneb-vsepr-1,2-cast }http://en.wikipedia.org/wiki/VSEPR_theory }http://www.scribd.com/doc/68624881/Hybridizacia-a-štruktura-molekul-v-priestore }http://volejnik.tym.cz/03a_principy_metody_vsepr.htm }Teória hybridizácie - Mgr. Zuzana Szocsová }O atómoch a kvantovaní - JÁN PIŠÚT, RUDOLF ZAJAC }http://fst2010sst.gosys.sk/download/chemia/Prvky_kovovych_a_polokovovych_vlastosti.pdf }http://www.fns.uniba.sk/fileadmin/user_upload/editors/chem/kor/organika/Org-2_Vazby_acidobaz.pdf } Organická chémia , 1.diel – } 8. VSEPR, hybridizace a ligandové pole. VB-metody. Kvantově chemické výpočty. Funkcionál hustoty. - prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph.D. }