Molekulska geometrija i hibridizacija atomskih orbitalaDr. sc. Palma Orlovi-Leko Geometrijska struktura molekulaTeoarija valentne vezeHibridizacija atomskih orbitalaTeorija molekulskih orbitala

Geometrijska struktura molekula Elektronska graa molekule odreuje kemijska i fizika svojstva tvari. ELEKTRONSKI PAR VALENTNE LJUSKETeorija odbijanja elektronskog para: elektronski par smjeten je u molekuli na nain da je elektonsko odbijanje najmanje tj. elektronski parovi zauzimaju meusobno najudaljenije poloaje Prema broju elektronskih parova moemo predpostaviti nekoliko geometrijskih konfiguracija

Geometrija molekule i iona bez slobodnog elektronskog para VSEPR-model (prema eng. Valence shell electron pair repulsion, tj. Odbijanje elektronskogih parova valentne ljuske)

Geometrija molekule i iona bez slobodnog elektronskog para

Linearna molekulaTrokutasta simetrija u ravnini

CH4PCl5Trigonska bipiramidaTetraedarOktaedarSF6

Geometrijska struktura molekula C atom ima 4 valentna elektron, a H atom daje po jedan elektron.4 elektronska paraTetraedarska konfiguracija Metan primjer tetraedarske molekuleCH4Najvie simetrinu strukturu imaju molekule kojima su oko sredinjeg atoma ekvivalentni elektronski parovi.

Geometrijska struktura molekula NH33 vezujua elektronska para + 1 slobodan elektronski parN atom ima 5 valentnih elektrona, a H atom po jedan elektron.Tetraedarska konfiguracija

Geometrijska struktura molekula H2OO atom ima 6 valentna elektron, a H atom po jedan elektron.4 elektronska para2 vezujua + 2 slobodna Tetraedarska konfiguracija Elektronska geometrija vode je tetraedar

Molekule u kojima centralni atom sadri slobodni elektronski para NH3H2OHNH kut u amonijaku je manji od kuta u tetraedru od 109,50.HOH kut je 104,50.Trigonska bipiramida

Razliito meusobno odbojno djelovanje orbitala sa slobodnim ili vezujuim elektronskim parom utjee na simetriju strukture molekula. Geometrija jednostavnih molekula i iona u kojima centralni atom ima jedan ili vie slobodnih elektronskih parova

Geometrijska struktura molekula Pravilo za predvianje molekulske strukture.Odredi se ukupan broj elektrona u valentnoj ljusci centralnog atoma.Izabere se odgovarajui geometrijski poredak.Nacrta se struktura i povee s centralnim atomomU predvianju kuteva veze, potebno je uoiti da slobodni par elektrona odbija jae drugi slobodni par elektrona/ drugi vezujui elektronski. Napomena: u sluaju neparnog broja elektrona, neparni elektron se promatra kao par elektrona.

PRIMJENOM KVANTNE MEHANIKE NA TEORIJU KEMIJSKE VEZE RAZVILE SU SE DVIJE TEORIJE ILI METODE:

Teorija valentne vezeTeorija molekulskih orbitala

Kovalentna veza izmeu dvaju atoma nastaje preklapanjem valne funkcije dvaju elektrona sa suprotnim spinovima.

Teorija valentne veze uzima u poetno razmatranje meusobno djelovanje valentnih elektrona dvaju atomskih sustava.Predpostavka: prilikom nastajanja veze ostaju netaknute one atomske orbitale svakog od spojenih atoma koje se ne preklapaju. Svoju osobnost jedino gubi po jedan elektron od svakog atoma koji se nalazi u orbitalama to su se preklapile, jer se sada nalaze u vanjskim atomskim orbitalama oba spojena atoma. Teorija valentne vezeTeorija molekulskih orbitala uzima u obzir sve prisutne elektrone oko jezgre spojenih atoma tj. uzima u poetno razmatranje konstrukciju molekulskih orbitala iz svih atomskih orbitala spojenih atoma. Elektroni u molekuli posjeduju kvantizirane molekulske orbitale razliitih energetskih nivoa, koje pripadaju objema jezgrama spojenih atoma. Teorija molekulskih orbitala

Shematski prikaz privlanih i odbojnih sila u molekuliPribliavanjem atoma djeluju meusobno jezgre i elektroni Coulombovim privlanim i dbojnim silama.

Stvaranje H2 molekule iz dva H atoma Teorija valentne vezeKovalentna veza H -H nastaje preklapanjem dvaju 1s orbitala u atomima vodika. Slino, stvaranje HF molekule se moe objasniti preklapanjem 1s i 2p orbitale.

Potencijalna energija u molekuliMolekula H2 je u najstabilnijem stanju kada je potencijalna energija minimalna (duljina veze 74 pm).Lewisovo tretitanje svih kovalentnih veza na isti nain ne objanjava razliitost kovalentnih veza ( energija veze i duljina veze).

Hibridizacija atomskih orbitalasp3 - hibridizacijaKod nastajanja molekule metana morao bi C atom raspolagati s 4 atomske orbitale sa po jednim nesparenim elektronom.1s2 2s2 2p1 2p1Elektronska konfiguracija C atoma u osnovnom stanju:

Teorija velentne veze sugerira: elektron iz polja 2s orbitale moe prijei u praznu 2p orbitalu (elektronska konfiguracija pobuenog stanja). Hibridizacija atomskih orbitalasp3 - hibridizacijaMeutim, ova konfiguracija ne objanjava postojanje etiri ekvivalntne veze ugljika i tetraedalnu geometriju molekule metana.Strukturna analiza je pokazala da su 4 H atoma u molekuli CH4 jednako jako vezana, tj. duljina veze je ista, a kut izmeu veza je 109.

Hibridizacija- mijeanje atomskih orbitala u atomu1931, Linus Pauling je predpostavio nastajanje hibridnih orbitala.Mijeanje jedne s orbitale sa tri p orbitale nastaju etiri ekvivalentne sp3 hibridne orbitale.

Stvaranje sp3 hibridnih orbitalaOblik i orijentacija sp3orbitala; usmjerene su prema etiri kuta tetraedra.

Stvaranje etiri sp3 hibridne orbitale kombinacijom jedne atomske s orbitale sa tri atomske p orbitale

Hibridizacija atomskih orbitalasp3 - hibridizacijaStvaranje etiri kovalentne veze izmeu ugljikovih sp3 hibridnih orbitala i vodikove 1s orbitale u CH4. HCH kut = 109,50.

CH4

sp3 hibridizacija N atoma u NH3N : 1s22s22p3 Tri od etiri hibridne orbitale stvaraju kovalentne N -H veze, a etvrta hibridna orbitala sadri slobodni elektronski par. Odbijanje izmeu slobodnog para elektrona i elektrona u vezujuim orbitalama smanjuje u vezi HNH kut od 109,50 na 107,30. Upotrebljavamo hibridizaciju za objanjenje sheme vezivanja samo onda kada je raspored elektronskih parova predpostavljen primjenom VSEPR-modela. Ako VSEPR-model predvia tetraedarski raspored elektronskih parova, tada predpostavljamo hibridizaciju jedne s i tri p orbitale i stvaranje etiri sp3 hibridizirane orbitale.

sp hibridizacijaBeCl2VSEPR-modelBeosnovno stanje Dvije veze BeCl ne bi nile jednake Hibridizavija

Stvaranje sp hibridnih orbitalaOblik i orijentacija sp orbitala; orbitale lee na x-osi a kut je 1800. Svaka od BeCl veza nastaje preklapanjem Be sp hibridnih orbitala s 3p orbitalom Cl to rezultira nastajanjem linearne molekule BeCl2 .

Nastajanje sp hibrida mijeanje atomskih orbitala s i p linearno simetrinePreostale nehibridizirane dvije p orbitale i sp-hibridne orbitale su meusobno okomite.

Sp2 hibridizacijaBOve tri sp2 orbitale lee u istoj ravnini, kut izmeu svake dvije je 1200. VSEPR-model

BF3 molekula je u ravnini sa jednakim kutevima od 1200 kako predvia VSEPR-model.

Stvaranje sp2 hibridnih orbitala kombinacijom jedne s orbitale i dvije p orbitale. 1/3 karaktera s-orbitale i 2/3 karaktera p-orbitaleJedna nehibridizirana p-orbitala i ostale sp2 hibridne orbitale su meusobno okomite.

HIBRIDIZACIJAKoncept hibridizacije se ne primjenjuje na izolirani atom. To je teoretski model koji se upotrebljava za objanjenje kovalentne veze.Hibridizacija je mijenje barem dvije neekvivalentne atomske orbitale (s i p), hibridna orbitala nije ista atomska orbitala; hibridna orbitala i ista atomska orbitala imaju razliite oblike.Broj nastalih hibridnih orbitala je jednak broju istih atomskih orbitala koje participiraju u procesu hibridizacije.Hibridizacija zahtijeva unos energije; meutim, sustav nadoknauje energiju za vrijeme stvaranja veze.Kovalentna veza u poliatomarnim molekula i ionima se stvara preklapanjem hibridnih orbitala, ili hibridnih orbitala sa nehibridiziranim orbitalama. Prema tome, shema vezivanja hibridizacijom je jo unutar okvira valentne teorije vezivanja; predpostavka je da su elektroni u molekuli smjeteni u hibridnim orbitalama pojedinih atoma.

Oblici nekih vanijih hibridnih orbitala

Oblici nekih vanijih hibridnih orbitala

Geometrijske strukturesp hibridne orbitale su linearno simetrinesp2 hibridne orbitalelee u ravnini pod kutem od 120.sp3 hibridne orbitalesu orijentirane prema vrhovima tetraedra

Teorija molekulskih orbitala uzima u obzir sve prisutne elektrone oko jezgre spojenih atoma tj. uzima u poetno razmatranje konstrukciju molekulskih orbitala iz svih atomskih orbitala spojenih atoma. Elektroni u molekuli posjeduju kvantizirane molekulske orbitale razliitih energetskih nivoa, koje pripadaju objema jezgrama spojenih atoma. Teorija molekulskih orbitala

Teorija molekulskih orbitalaMolekulske orbitale koje poveeveju elektronsku gustou izmeu atoma, doprinose vezivanju atoma (jer smanjuju elektrostatsko odbijanje jezgara), nazivaju se vezne (vezujue) orbitale, za razliku od protuveznih (razvezujuih) orbitala, koje smanjuju elektronsku gustou izmeu atoma.

Molekulske orbitale - podruje u molekuli u kojem je mogua vjerojatnost nalaenja elektrona.Preklapanjem dvije atomske orbitale nastaje par molekulskih orbitala: jedna vezna i jedna protuvezna. Ako vezna orbitala sadri vie elektrona od protuvezne, molekula e biti stabilna.

Teorija molekulskih orbitalaMetoda linearne kombinacije atomskih orbitalaPrincip odranja orbitalaValne funkcija dvaju atomskih orbitala mogu se kombinirati oduzimanjem ili zbrajanjem pri emu nastaju vezne ili razvezujue molekulske orbitale.

Konstruktivna (a) i destruktivna (b) interferencija dva vala iste valne duljine i iste amplitudeINTERFERENCIJA VALOVA

Teorija molekulskih orbitala Energetski nivoi vezujue i antivezujue molekulske orbitale u H2 molekuli.

Dva atoma su sparena u veznoj (vezujuoj) s MO, dok je protuvezna (razvezujua) s* MO prazna.Energija vezne molekulske orbitale nia je od energije atomskih orbitala, dok je energija protuvezne molekulske orbitale vea. ( 1 s) oznaka vezne orbitale nastale iz dviju 1s1atomskih orbitala (*1s) oznaka protuvezne orbitale nastale iz dviju 1s1atomskih orbitala Dijagram energijskih nivoa molekulskih orbitala (H2molekula ).Razlika u energiji atomskih orbitala i vezujui molekulskih orbitala ovisi o stupnju preklapanja dvaju atomskih orbitala. to je vee preklapanje vea je i razlika u energiji i stvorena veza je jaa.

Teorija molekulskih orbitala Vezujue i antivezujue molekulske orbitale.

Dvije mogue interakcije dvije jednake p orbitale i odgovarajue molekulske orbitale.

Tvari s kovalentnom vezom sastoje se od molekula koje imaju odreenu strukturu i geometrijski oblik zbog usmjerenosti i krutosti kovalentne veze. Radi toga atomi u molekuli ne mogu ni izai iz molekule ni promijeniti svoj poloaj u njoj, a da se pri tome ne razori molekula.

Atomi u molekulama povezani su vrstim kovalentnim vezama, no privlane sile meu molekulama su vrlo slabe. Zbog slabih meumolekulskih sila, dovoenjem energije molekule se mogu lako meusobno razdvojiti. Zato su takve tvari esto plinovi ili krutine (molekulska kristalna reetka) koje lako sublimiraju i imaju relativno nisko talite i vrelite. Veina tvari s kovalentnom vezom tali se na temperaturi manjoj od 300C a vrije ispod 500C.

Svojstva tvari s kovalentnom vezom

Postoje, meutim, tvari s kovalentnom vezom vrlo visokog talita i vrelita. (Primjer: dijamant se tali na 3500C a vrije na 4200C ; kremen se tali na 1700C a vrije na 2200C). Atomi tih tvari meusobno su povezani vrstim kovalentnim vezama i ine atomsku kristalnu reetku. Stvara se makromolekula, pa govorimo o makromolekulskim tvarima a to su trodimenzionalni skupovi kovalentno vezanih atoma. Radi vrstih kovalentnih veza imaju visoko talite i vrelite i veliku vrstou.

Tvari s kovalentnom vezom obino se slabo otapaju u vodi, ukoliko s vodom kemijski ne reagirajuSvojstva tvari s kovalentnom vezom

Strukturna reetka dijamanta i kremena

MolekuleDanas se o molekulama zna gotovo sve. Poznate su tisue struktura najrazliitijih molekula. Udaljenost izmeu atoma odreuje se velikom preciznou; zna se koju energiju imaju ili mogu imati, zna se kako se elektroni gibaju oko jezgara inei temelj svega ivog i neivog to postoji na Zemlji. Difrakcijom rentgenskog zraenja mogue je rijeiti kristalnu strukturu za nekoliko dana i vidjeti vrlo tono kako atomi lee u kristalnoj eliji.Zahvaljujui kompjutorskoj grafici sve te molekule mogu se zorno vidjeti u najrazliitijim prikazima, orijentacijama i konformacijama.