Wykład 12 -13(wiazania chemiczne)

WIĄZANIA
Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są
stabilne?
• PRZYCIĄGANIE
• ODPYCHANIE
1
Przyciąganie
• Wynika z elektrostatycznego oddziaływania między
elektronami a dodatnimi jądrami atomowymi. Może
to być klasyczne przyciąganie kulombowskie
(wiązanie jonowe) ale może też mieć zupełnie inną
naturę. Ze względu na rodzaj sił przyciągających
wiązania można podzielić na:
– Jonowe
– Kowalencyjne
– Metaliczne
– Molekularne
– Wodorowe.
Odpychanie
• Gdy atomy zbliżą się do siebie tak blisko, że chmury
elektronowe zaczynają się na siebie nakładać, to
wskutek zakazu Pauliego pojawia się bardzo silne
odpychanie:
−r
U (r ) = be
U(r ) =
ρ
A
, n = 10 − 12
n
r
2
STABILNA CZĄSTECZKA: ENERGIA
MINIMALNA
odpychanie: ~r-10
Energia = 0 → atomy ze sobą
nie oddziałują
Energia < 0 → atomy się
przyciągają i utworzyły stabilny
układ (zysk energetyczny)
Energia > 0 → atomy się
odpychają
ENERGIA
0
przyciąganie: np. ~ r-1
0
STABILNA CZĄSTECZKA: SIŁA = 0
odpychanie: ~r-11
0
Siła < 0 → atomy się
przyciągają
Siła > 0 → atomy się odpychają
przyciąganie: np. ~ r-2
SIŁA
Siła = 0 → atomy są w
położeniach równowagowych
(albo związane ze sobą, albo
daleko od siebie)
0
3
O tym, czy i jakie wiązanie utworzą dane
atomy decyduje konfiguracja
elektronowa atomów
Bardziej praktyczne wielkości, które
decydują o powstaniu wiązania to:
ENERGIA JONIZACJI
POWINOWACTWO ELEKTRONOWE
ELEKTROUJEMNOSĆ
Energia jonizacji atomu
Energia potrzebna aby oddalić elektron od atomu
lub cząsteczki (Ej ). Zawsze dodatnia.
+
-
4
Powinowactwo elektronowe
• Energia, która się wydzieli wskutek dołączenia
elektronu do atomu lub molekuły. (EA )
• Może być dodatnia lub ujemna.
-
+
+
Elektroujemność
• Elektroujemność jest miarą zdolności atomu do
przyciągania elektronów. Istnieje wiele definicji. Np.
(Ej + EA )/2
5
6
Podstawowe cechy charakteryzujące
wiązania w ciele stałym:
•
•
•
•
Długość wiązania.
Kąty między wiązaniami.
Energia. Precyzyjniej: energia spójności kryształu.
Kierunkowośc wiązań.
WIĄZANIE JONOWE
• Przeniesienie elektronów z jednego atomu na drugi
(jonizacja);
• Powstają JONY o zamkniętych powłokach;
• JONY mając przeciwne znaki przyciągają się.
• WIĄZANIE POWSTANIE JEŚLI ZYSK
ENERGETYCZNY Z PRZYCIĄGANIA
COULOMBA PRZEWYŻSZY ENERGIĘ
POTRZEBNĄ DO JONIZACJI ATOMÓW
7
KF
Krok 1: Jonizacja atomów K i F.
K+(g) + e- ∆E = IE1 = +419 kJ mol-1
F-(g)
∆E = -EA = -328 kJ mol-1
Razem:
K(g)
F(g) + eK(g) + F(g)
kJ
K+(g) + F-(g)
∆E = 419 + (-328) = +91
mol-1
K+
Siła Coulomba:
F-
- przyciąganie
Z Z e2
∆Ecoul = 1 2
4 πε 0 R
Zysk energii wynikający z przyciągania jonów :
∆Ecoul = -640 kJ mol-1
Wiedząc, że Re = 217nm, jest odległością między jonami
w cząsteczce KF.
W sumie:
∆E = (+91) + (-640) = -549 kJ mol-1
8
• Związki jonowe tworzą się pomiędzy atomami o
małej energii jonizacji (grupa I) a atomami o dużym
powinowactwie elektronowym (grupa VII)
Energia spójności kryształu jonowego
Energia pary jonów o ładunkach +e i –e:
e2
A
U(r ) = −
+ nn
4πε0 r r
Przyciąganie Coulomba
Odpychanie
Energia kryształu o 2N jonach:
 αe 2 A n 
+ n 
U (r ) = N −
 4πε0 r r 
Gdzie α jest tzw. stalą Madelunga
9
Energia spójności kryształu jonowego
Po znalezieniu minimum energii w funkcji r
(minimum energii jest gdy odległość między
sąsiednimi jonami wynosi r0):
 Nαe 2  1 
1 − 
U (r ) =  −
 4πε0 r0  n 
Własności wiązania jonowego
1. Związki jonowe tworzą się pomiędzy atomami o
małej energii jonizacji (grupa I) a atomami o dużym
powinowactwie elektronowym (grupa VII);
2. Duża energia spójności (→temperatura topnienia);
3. Ładunek skupiony jest w centrum jonów, nie ma
ładunku między jonami;
10
3. Ładunek skupiony jest w centrum
jonów
Jony tego samego znaku odpychają się →muszą być
daleko od siebie;
Jony przeciwnego znaku przyciągają się → dużo
jonów dodatnich powinno otaczać jon ujemny ( i
odwrotnie);
11
Własności wiązania jonowego
4. Wiązanie bezkierunkowe;
5. Nie wszystkie struktury krystaliczne są możliwe.
Możliwe są:
Struktura
CsCl
12
Możliwe są:
Struktura
NaCl
Możliwe są:
Struktura
ZnS
13
O tym, która struktura powstanie decyduje
energia (a energia zależy od promieni
jonowych)
Promienie jonowe
14
Promienie jonowe, rk/ra
rkation
ranion
LK
< .155
2
.155-.225
3
.225-.414
4
.414-.732
6
.732-1.0
8
ZnS
NaCl
CsCl
4
15
Wiązanie kowalencyjne
wspólne
Raz na 1014 s
Raz na 1012 lat
Nie jest to zwykłe nałożenie chmur
elektronowych:
• Zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii:
16
Przykłady wiązań kowalencyjnych
• Mogą utworzyć się z takich samych orbitali (np. HH, Cl-Cl itp.
Przykłady wiązań kowalencyjnych
• Mogą utworzyć się z orbitali różnych, ale o tej samej
symetrii względem osi wiązania:
17
Przykłady wiązań kowalencyjnych- orbitale
zhybrydyzowane
• Węgiel: 1s2 2s2 2p2 nie jest metalem, ponieważ
korzystniejsza energetycznie jest hybrydyzacja
orbitali: wzbudzenie elektronu z zamkniętej powłoki
2s i jego hybrydyzacja albo:
• sp
• sp2
• sp3
18
Własnosci wiazania kowalencyjnego:
1. Wiązanie tworzą:
a) pierwiastki niemetaliczne z wyjątkiem gazów
szlachetnych (C, Si, Ge);
b) Cząsteczki chemiczne (Cl2, H2,..);
c) Cząsteczki złożone z różnych ale o podobnej
elektroujemności pierwiastków (HCl, AsGa,
związki organiczne);
2. Kryształy są twarde i kruche;
Własnosci wiazania kowalencyjnego:
3.
4.
5.
6.
Wiązanie jest silne;
Wysoka temperatura topnienia;
Wiązanie kierunkowe;
Najczęściej spotykane struktury krystaliczne:
struktura diamentu;
19
Własnosci wiazania kowalencyjnego:
7. Mała gęstość upakowania i liczba koordynacyjna;
8. W obszarze pomiędzy atomami jest duza
koncentracja ładunku. Ładunek jest zwiazany
(Izolatory lub półprzewodniki).
Wiązanie metaliczne
• Elektrony walencyjne poruszają się prawie
swobodnie pomiędzy dodatnimi jonami, ekranując w
ten sposób ładunek dodatnich rdzeni jonowych.
Wypadkowe przyciąganie między elektronami i
jonami stanowi wiązanie metaliczne. Im lepsze
ekranowanie, im więcej elektronów, tym lepiej –
silniejsze wiązanie.
20
Wiązanie metaliczne
Właściwości wiązania metalicznego
1. Wiązanie jest bezkierunkowe. Im więcej
elektronów uczestniczy w tworzeniu wiązania, tym
lepiej.
+ve ion cores
-ve electron sea
21
Właściwości wiązania metalicznego
2. Duża gęstość upakowania;
3. Metale krystalizują najczęściej w następujących
strukturach krystalicznych:
22
Właściwości wiązania metalicznego
4. niezbyt silne wiązanie (UWAGA: wolfram);
5. duże przewodnictwo elektryczne i cieplne;
6. łatwo można wytworzyć dyslokacje, co ma wpływ
na właściwości mechaniczne.
Wiązania pomiędzy cząsteczkami:
+
+
+
-
+
Przyciąganie między
dipolami (mogą to być
też tylko chwilowe
dipole),
23
Wiązanie wodorowe
W biologicznych makromolekułach:
α-spiral of the proteins
24
Zmniejszenie gęstości przy
zamarzaniu
25