cząsteczka - Wydział Chemii

CZĄSTECZKA
cząstki - elementy mikroświata, termin obejmujący zarówno
cząstki elementarne, jak i atomy, jony proste i złożone,
cząsteczki, rodniki, cząstki koloidowe;
cząsteczka - molekuła, drobina; najmniejsza cząstka substancji
prostej (pierwiastka) lub złożonej (zw. chem.) zdolna do samodzielnego istnienia, zachowująca jej chemiczne i pewne fizyczne
właściwości oraz biorąca udział w reakcjach chemicznych;
Stanislao Cannizzaro
(1826-1910)
Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej
jedną z dwóch metod (teorii):
metoda wiązań walencyjnych (VB)
♦
przyjmuje się, że atomy w cząsteczce są bardzo podobne do izolowanych atomów;
♦
stosuje się bezpośrednio orbitale atomowe, tzw. orbitale walencyjne;
♦
wiązania chemiczne tworzone są przez elektrony walencyjne;
♦
do opisu wiązań chemicznych w cząsteczkach stosuje się tzw. orbitale zhybrydyzowane.
metoda orbitali molekularnych (MO)
♦
cząsteczka traktowana jest jako molekuła, w której elektrony
poruszają się pod wpływem jąder i pozostałych elektronów
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Reakcja sodu z wodą
Reakcja potasu z wodą
Spalanie siarki w tlenie
Reakcja sodu z chlorem
Filmy pochodzą ze strony www.seilnacht.com
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
WIĄZANIA CHEMICZNE
wiązanie jonowe
wiązanie kowalencyjne (atomowe)
wiązanie kowalencyjne spolaryzowane (atomowe spol.)
wiązanie koordynacyjne
wiązanie wodorowe
wiązanie metaliczne
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
wiązanie jonowe
np. NaCl
Na 1s22s22p63s1
↓
Na+ 1s22s22p63s0
Cl 1s22s22p63s23p5
↓
Cl– 1s22s22p63s23p6
.. .
.Cl
.. .
Na . +
+
Na
.. . ..Cl
.. .
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
np. CaF2
Ca 1s22s22p63s23p64s2
↓
Ca++ 1s22s22p63s23p64s0
.
Ca
.
+
...F....
...F....
Ca
F 1s22s22p5
↓
F– 1s22s22p6
++
.. F.. .. ..
..
.. F.. .. -
• wartościowość elektrochemiczna (elektrowartościowość)
to: liczba elektronów oddanych lub pobranych
przez atom danego pierwiastka
• różnica elektroujemności (Δχ): Δχ = χCl − χNa = 3,2 − 0,9 = 2,3
Δχ = χF − χCa = 4,0 − 1,0 = 3,0
wiązanie jonowe, jeżeli:
Δχ ≥ 1,7
• KF, CsBr, CaCl2, Na2S, BaO, SrO, CsCl, NaI, KBr
• wodorotlenki, np. NaOH, KOH itp. (jony Na+, K+, OH-)
• sole, np. K2SO4 (jony K+ i SO42-), NaNO3
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
wiązanie kowalencyjne (atomowe)
np. H2, N2, O2, F2, Cl2
⇒ cząsteczki homojądrowe
różnica elektroujemności Δχ = 0
dwa atomy
lub
dwa atomy
.. .
..Cl
..
..N. .
.
+
+
Cl 1s22s22p63s23p5
↑↓
N
↑↓
1s22s22p3
.. .
.Cl
.. .
.N.. ..
.. . .. .
..Cl
.. . Cl
.. .
..N ......N..
↑
↑
↑
↑
Cl Cl
lub
N N
długość wiązania (l)
i energia (Ew)
→ wartościowość pierwiastka
→ wspólna para elektronowa
→ wolna para elektronowa
→ wiązanie wielokrotne
↑↓ ↑↓
l [Å]
Ew [kJ/mol]
F2
O2
N2
1,43
1,21
1,09
159
495
945
H3C–CH3
H2C=CH2
H–C≡C–H
1,54
1,33
1,20
347
611
836
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
(atomowe spolaryzowane)
cząsteczki heterojądrowe
0 < Δχ < 1,7
różnica elektroujemności
δ+
δ−
H
Cl
2δ−
H
O
δ+
H
δ−
2δ+
δ−
O
C
O
δ+
cząsteczka HCl χCl = 3,2
χH = 2,1
Δχ = 1,1
cząsteczka CO2 χO = 3,5
χC = 2,5
Δχ = 1,0
cząsteczka H2O χO = 3,5
χH = 2,1
Δχ = 1,4
Δχ
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,7 1,8
2,0
2,2
2,4
2,8
3,0
3,2
% char.
j. wiaz.
4
9
15
22
30
39
47
51
63
70
76
86
89
92
55
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
moment dipolowy
μ = q⋅l
jednostki: układ SI kulombometr [Cm]
układ CGS debaj [D]
1 D = 3,33 · 10–30 Cm
charakter kierunkowy wiązań kowalencyjnych
→
→
→
→
→
→
→
A2
AB
A2B, AB2
AB3
AB4
Wzór
HF
HCl
CO
NO
μ [D]
1,91
1,03
0,10
0,10
Wzór
H2 O
SO2
H2 S
NO2
μ=0
μ>0
μ=0
μ>0
μ=0
μ>0
μ=0
H2, N2, O2, Cl2, ...
HF, HBr, CO, NO, ...
CO2, CS2, BeCl2, ...
H2O, NO2, H2S, ...
BF3, SO3, ...
NH3, PCl3, ...
CH4, CCl4, ...
μ [D]
Wzór
μ [D]
1,84
1,60
0,93
0,29
NH3
PCl3
CH3Cl
CHCl3
1,44
1,16
1,56
1,15
μ [D]
Wzór
NaCl (gaz)
KBr (898oC)
8,50
9,24
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
wiązanie koordynacyjne (donorowo-akceptorowe, semipolarne)
Polega na utworzeniu wspólnej pary elektronowej z elektronów pochodzących
od jednego atomu, zwanego donorem. Atom drugiego pierwiastka, nazywany
akceptorem, uzupełnia własną powłokę walencyjną elektronami donora.
H
.. .
H .. N
.. . + H +
H
H
H
.. . +
.
H. N
.. . H lub
H
H N
+
H
H
H+ + H2O → H3O+
H
.. .
.
.
H N
.. . +
H
....F ..
.. . ...
B . F.
...F... ..
..
..
. .
H
.. ....F .....
.
H. N
.. ...B....F..
H . .F. .
H F
lub
H N B
F
H F
→ wartościowość pierwiastka
→ wiązalność
NH4+, H3O+, tlenki siarki i azotu, niektóre kwasy tlenowe, związki kompleksowe,
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
wartościowość, wiązalność
stan podstawowy a stan wzbudzony
2s
2p
stan podstawowy
E
↑↓
↑↓
↑
↑
stan wzbudzony
E*
↑↓
↑↓
↑
↑
gdzie E to: Be
fosfor
B
15P
C
P
stan wzbudzony
P*
O
1s22s22p63s23p3
3s
stan podstawowy
N
3p
3d
↑↓
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
siarka
16S
1s22s22p63s23p4
3s
3p
3d
stan podstawowy
S
↑↓
↑↓
↑
↑
stan wzbudzony
S*
↑↓
↑
↑
↑
↑
stan wzbudzony
S*
↑
↑
↑
↑
↑
wiązanie wodorowe
(będzie omówione przy właściwościach cieczy)
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
↑
wiązanie metaliczne
występowanie: metale i ich stopy
¾ elektrony walencyjne wszystkich atomów stanowią wspólną „chmurę elektronową” ładunku ujemnego,
otaczającą dodatnie „zręby atomowe”,
¾ elektrony walencyjne są więc „zdelokalizowane”, a chmura elektronowa, zwana „gazem elektronowym
Fermiego” przenika cały kryształ (w 1 cm3 metalu znajduje się około 1023 swobodnych elektronów)
¾ obecność „chmury elektronowej” zapewnia kryształom metalicznym przewodnictwo elektronowe,
¾ kationowa budowa sieci krystalicznej zapewnia metalom plastyczność, której nie mają kryształy jonowe,
metal
Wzajemne przemieszczenia kationów w sieci metalu
kryształ jonowy
wywołane zewnętrzną siłą w niewielkim stopniu wpływają na oddziaływania między zrębami atomowymi, a w przypadku kryształu jonowego przemieszczenie
jonów prowadzi do destrukcji sieci (kruchość), wskutek zamiany sił przyciągania na siły odpychania.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii