Wiązania chemiczne
Hybrydyzacja sp, sp², sp³
Model kwantowy atomu i konfiguracje elektronowe
Orbital jest funkcją opisującą stan elektronu i obszar wysokiego prawdopodobieństwa jego znalezienia, a nie klasyczną orbitą. Liczba główna n określa poziom energetyczny, poboczna l typ orbitalu, magnetyczna mₗ jego orientację, a spinowa mₛ spin.
Na jednym orbitalu mogą znajdować się najwyżej dwa elektrony o przeciwnych spinach. Zgodnie z regułą Hunda orbitale równocenne są najpierw obsadzane pojedynczo elektronami o równoległych spinach.
Konfiguracje zapisuje się zgodnie z rosnącą energią orbitali, pamiętając o wyjątkach dla części metali przejściowych i o usuwaniu elektronów z orbitalu o najwyższym n przy tworzeniu kationów.
- s: 1 orbital, maks. 2 e⁻; p: 3 orbitale, 6 e⁻; d: 5 orbitali, 10 e⁻.
- Zakaz Pauliego: brak dwóch elektronów w atomie o identycznych czterech liczbach kwantowych.
- Konfiguracja walencyjna wyjaśnia położenie w grupie i typowe jony.
- Kation Fe²⁺ powstaje przez usunięcie elektronów 4s przed 3d.
Podstawa programowa: III.3
Hybrydyzacja, VSEPR i geometria cząsteczek
Metoda VSEPR przewiduje geometrię na podstawie odpychania obszarów elektronowych wokół atomu centralnego. Wiązanie pojedyncze, podwójne i potrójne liczy się jako jeden obszar, a wolne pary odpychają silniej niż wiążące.
Hybrydyzacja sp odpowiada geometrii liniowej, sp² trygonalnej płaskiej, a sp³ tetraedrycznej dla układu czterech obszarów. Obecność wolnych par zmienia kształt cząsteczki, ale nie podstawową geometrię obszarów elektronowych.
Wiązanie σ powstaje przez nakładanie czołowe i umożliwia obrót wokół wiązania pojedynczego. Wiązanie π wynika z bocznego nakładania orbitali i ogranicza swobodny obrót.
- CO₂: AX₂, liniowy, sp.
- BF₃: AX₃, trygonalny płaski, sp².
- CH₄: AX₄, tetraedr, sp³.
- NH₃: AX₃E, piramida trygonalna; H₂O: AX₂E₂, kątowa.
Schemat: Hybrydyzacja, VSEPR i geometria cząsteczek
Budowa cząsteczki połączona z jej właściwościami.
Podstawa programowa: III.5
Najczęstsze błędy
„Elektron porusza się po dokładnej orbicie”
Poprawnie: Model kwantowy opisuje rozkład prawdopodobieństwa na orbitalu, nie klasyczną trajektorię.
„Elektrony 4s są zawsze usuwane po 3d”
Poprawnie: Przy tworzeniu kationów metali przejściowych elektrony 4s są zwykle usuwane jako pierwsze.
„Wiązanie podwójne liczy się w VSEPR jako dwa obszary”
Poprawnie: Każde połączenie między atomem centralnym i sąsiednim to jeden obszar elektronowy.
„Hybrydyzacja i kształt cząsteczki są zawsze identyczne”
Poprawnie: Hybrydyzacja opisuje geometrię obszarów, a wolne pary mogą zmienić nazwę kształtu cząsteczki.
Zadania z odpowiedziami
1. Konfiguracja jonu
Zapisz skróconą konfigurację Fe²⁺, Z=26.
- 1.Zapisz atom Fe: [Ar]3d⁶4s².
- 2.Usuń dwa elektrony z powłoki o najwyższym n.
- 3.Zapisz wynik.
Odpowiedź
Fe²⁺: [Ar]3d⁶.
2. Kształt NH₃
Wyznacz geometrię i hybrydyzację atomu N w NH₃.
- 1.Policz trzy wiązania i jedną wolną parę.
- 2.Rozpoznaj cztery obszary elektronowe.
- 3.Podaj sp³ i kształt piramidy trygonalnej.
Odpowiedź
Atom N ma hybrydyzację sp³, geometria obszarów jest tetraedryczna, a kształt cząsteczki — piramida trygonalna.
Podsumowanie
- s: 1 orbital, maks. 2 e⁻; p: 3 orbitale, 6 e⁻; d: 5 orbitali, 10 e⁻.
- Zakaz Pauliego: brak dwóch elektronów w atomie o identycznych czterech liczbach kwantowych.
- Orbital jest funkcją opisującą stan elektronu i obszar wysokiego prawdopodobieństwa jego znalezienia, a nie klasyczną orbitą. Liczba główna n określa poziom energetyczny, poboczna l typ orbitalu, magnetyczna mₗ jego orientację, a spinowa mₛ spin.
- BF₃: AX₃, trygonalny płaski, sp².
- Metoda VSEPR przewiduje geometrię na podstawie odpychania obszarów elektronowych wokół atomu centralnego. Wiązanie pojedyncze, podwójne i potrójne liczy się jako jeden obszar, a wolne pary odpychają silniej niż wiążące.
- s: 1 orbital, maks.
- CO₂: AX₂, liniowy, sp.
Słownik pojęć
- Orbital
- Stan przestrzenny elektronu opisany funkcją falową.
- Elektrony walencyjne
- Elektrony uczestniczące w tworzeniu wiązań i reaktywności.
- Reguła Hunda
- Maksymalizacja liczby niesparowanych elektronów na orbitalach równocennych.
- VSEPR
- Model odpychania par elektronowych powłoki walencyjnej.
- Hybrydyzacja
- Model mieszania orbitali atomowych w równocenne orbitale hybrydowe.
- Wiązanie π
- Wiązanie powstałe przez boczne nakładanie orbitali.