Intermoleculaire Binding

Transcriptie

1 Zumdahl, Hfst. 9 Hybridisatie (9.1) Molecular orbital theorie ( ) bindingsvolgorde binding diatomic molecules binding heteronucleaire moleculen Combinatie LE en MO theorie (9.5)

2 Intermoleculaire Binding p. 351: A bond will form if the energy of the aggregate is lower than that of the separate atoms NB: voor het verklaren van het bestaan van moleculen, die dus een lage energietoestand vertegenwoordigen, zijn steeds uitgebreidere modellen nodig.

3 Intermoleculaire Binding (overzicht modellen) Quantumchemie is overkoepelend model Oplossing vaak onmogelijk (complexe moleculen) Benadering nu mogelijk met computermodellen Echter, onderstaande modellen gebaseerde op quantumchemie stellen ons in staat >90 of zelfs 99% van alle moleculen te begrijpen. Gelokaliseerde electronmodellen (Hoofdstuk 8) - Van Ionbinding tot Covalente Binding - Valence Bond model: valentie-electronen spelen hoofdrol bij chemische binding Covalent: Lewis model voor Electronenverdeling in moleculen i Resonantie VSEPR

4 Intermoleculaire Binding (overzicht modellen 2) Niet alleen electronen-verdeling, maar ook verklaring waarom chemische binding in organische moleculen stabiel zijn waarom ze een bepaalde ruimtelijke structuur hebben Hybridisatie (Hfk. 9.1) Verklaring van het bestaan van een aantal bijzonder moleculen en molecuuleigenschappen die niet te verklaren zijn met de voorgaande modellen Gedelokaliseerde electronmodellen (hfk ) - MO theorie

5 Localized Electron Model (8-9.1) Underlying assumption: A molecule is composed of atoms that are bound together by sharing pairs of electrons using the atomic of the bound atoms. Hfst. 8: ionbinding covalent; Lewis Hfst 9: gehybridiseerde atomic

6 Hybridization of atomic Definition Model Most important types; examples sp 3 methaan sp 2 etheen sp ethyn Additional types that explain exceptions to Octet-rule sp 2 d / sp 3 d 2 / sp 3 d 2

7 Hybridization - Definition The mixing of atomic to form special for bonding Quantumchemie: het is mogelijk oplossingen te vinden van de Schrodinger vergelijking die aangeven dat in plaats van s en p atomic er gemixte bestaan rond een atoom die onderling gelijkwaardig zijn Voorbeelden: sp 3, sp 2, sp

8 Hybridization -Model 1. Per atoom kunnen atomic s, p (en evt. d) samen verschillende gehybridiseerde orbitalen vormen 2. Deze kunnen vervolgens een binding aangaan met een ander atoom 1. Met een s of p orbitaal 2. Met eveneens een gehybridiseerd orbitaal 3. Dit leidt tot eenσ- of π-binding 3. Elk individueel atoom reageert zo, dat de laagste energietoestand voor het molecuul kan worden bereikt

9 Hybridized - uitwerking sp 3 hybridisatie whenever a set of 4 equivalent tetrahedral atomic is required by an atom in a molecule, this model assumes that the atom adopts a set of sp 3 sp 2 analogous: whenever 3 equivalent, triagonale bindingshoeken 120 o sp analogous: whenever 2 equivalent,.. Straight, bindingshoeken 180 o NOTABENE: als de Lewisstructuur een vrij electronenpaar aangeeft bij een atoom, dan telt dat als een binding.

10 Hybridized uitwerking 2 sp 2 : in dit geval onstaan er 3 gelijkwaardige orbitalen voor bindingen of vrije electronenparen in die richtingen 1 vrij p-orbital, (oorspronkelijk atomic orbital) in vlak loodrecht op de driehoek sp: - 2 gelijkwaardige orbitalen 2 vrije p-orbitalen loodrecht op de as van de sp orbitalen en loodrecht op elkaar (p y en p z

11 Hybridisation vorming van binding Twee typen bindings-orbitaal: er worden σ-bond orbital en/of π-bond orbitalen gevormd Altijd één sigma (σ) binding welke langs de internucleaire as ligt. Combinatie van (1s, sp, sp2, sp3) met (1s, sp, sp2, sp3); Combinatie van (2p met 2p) 0, 1 of 2 pi (π ) bond orbital Deze ligt in de ruimte boven en onder de internucleaire as Bestaat altijd uit een combinatie van twee niet-gehybridiseerde atomic p orbitalen (p y en p z )

12 Hybridized - Voorbeelden Bonding around C-atom: all four sp 3 maybe used for σ-bonding (CH 4 ) or combination of sp 2 and π-bonding of 2p (double bond) (C 2 H 4 ) or combination of sp and 2 π-bonds of 2p (triple bond) (C 2 H 2,CO 2 )

13 Hybridized - voorbeelden Bonding around O-atom: sp 3 : two for σ-bonding, 2 free electron pairs example: CH 3 OH one for σ-bonding, 3 free electron pairs, example: H 3 CO - ; sp 2 : one double bond (σ- ) and π-bonding of 2p orbital; 2 free electron pairs; example: CO 2 (double bond), formaldehyde H 2 CO sp: one for σ-bonding and 2 π-bonds of 2p (triple bond); example: CO

14 The Localized Electron Model Procedure to draw the Loc. Electron Model 1. Draw the Lewis structure(s) ( ) 2. Determine the arrangement of electron pairs (VSEPR model;) VSEPR: valence shell electron-pair repulsion model, Specify the necessary hybrid (9.1)

15 Hybridization Name Example Orbitals for σ-bonding Free p- π-bonding sp 3 methaan 4 0 sp 2 etheen 3 1 sp ethyn 2 2 sp 2 d / sp 3 d / sp 3 d 2??

16 Hybridization hybr. type hybr. type CO for C: for O: BF - 4 for B: for F: XeF 2 for Xe: for F: SO 2 for S: for O: 1. Draw Lewis-structure 2. Determine electron pair arrangement (VSEPR) 3. Determine hybridisation required per atom

17 Hybridization - procedure 1. Draw Lewis-structure: (p. 377 Zumdahl) sum all valence electrons; divide them so that all atoms to achieve NGEC (Noble Gas Electronic Configuration; I.e. 8 electron pairs (Octet rule) all atoms net zero formal charge or charge as low as possible; net sum of electrons (lone pairs + half bonding pairs) = valence of atom 2. Determine electron pair arrangement (VSEPR) spatial arrangement to minimize electron pair repulsions (8.13; p. 390 Zumdahl)

18 Hybridization - procedure (2) 3. Determine hybridisation required per atom From step 1: locations of double/triple bonds From step 2: spatial arrangement (NB step can be skipped first, and checked later on) Per atom: derive from step 1 the number N of free p- to accommodate all double/triple bonds; sp x ; and x = 3-N; N>2: d orbital involved! Per atom: check whether spatial arrangement of hybrid fits with result step 2.

19 Hybridization - result CO for C: sp for O: sp BF - 4 for B: sp 3 for F: sp 3 XeF 2 for Xe: dsp 3 for F: sp 3 SO 2 for S: sp 2 for O: sp 2

20 Hybridization Prediction of shape of molecule Consider the allene molecule H 2 C=C=CH 2 A) Are all four hydrogen atoms in the same plane? B) If not, what is their spatial relationship; Explain

21 Intermoleculaire Binding Gelokaliseerde electronmodellen Ionbinding Lewisstructuren VSEPR Valence Bond model Hybridisatie Gedelokaliseerde electronmodellen MO theorie

22 Molecular orbital theorie Molecular orbital theorie ( ) bindingsvolgorde binding diatomic molecules binding heteronucleaire moleculen Combinatie LE en MO theorie (9.5)

23 MO theory: Molecular Orbitals Yet another model? Basic assumptions MO energy diagram - H 2 - He 2 - Li 2 - B 2 - Overview Combination MO-VB

24 MO theory Model: Electrons shared between two atoms can be thought to be in a Molecular Orbital that is predicted by the Schrodinger Equation. Assumption: Analogous to atomic, molecules will strive to reach minimum energy configuration Consequence: existing MO s will be filled from lowest energy onwards.

25 MO theory - assumptions (cont d) In order to participate in MO s, atomic must overlap in space. Therefore, only valence of atoms contribute significantly to MOs.

26 MO - Another model MO offers quantum-chemically correct explanation of structure of molecules that were previously described as exhibiting resonance structures MO is new theory that explains and supports the model simplification of the resonance structure theory In addition, offers explanation why complex reaction mechanisms occur Example: atmospheric OZONE chemistry!

27 MO - Again, natural systems evolve to state of minimum energy MO theory predicts that atomic (AO) recombine to yield: MO s with lower energy than AO s: Bonding Orbitals MO s with higher energy than AO s: Anti-Bonding Orbitals

28 MO - (1) H 2 molecuul Molecular Toenemende energie Atomic 1s σ 1s * Atomic 1s σ 1s H H 2 H

29 MO - (2) He 2 molecuul Molecular Toenemende energie Atomic 1s σ 1s * Atomic 1s σ 1s He He 2 He

30 Bond Order (BO) MO helps to predict which molecules are stable, and which are not; indicator: BO Difference between the number of electrons in bonding MO s and number of electrons in anti-bonding MO s divided by two. BO is indication of relative stability of a molecular bond, and hence of a molecule

31 MO - (3) Li 2 molecuul Be 2 molecuul Molecular Molecular Toenemende energie Atomic 2s σ 2s * Atomic 2s Toenemende energie Atomic 2s σ 2s * Atomic 2s σ 2s σ 2s Li Li 2 Li Be Be 2 Be What is BO of both these molecules Which one is likely to be stable?

32 MO energy levels: B 2 molecuul Molecular s-p orbital mixing Overzicht: p.436 Toenemende energie Atomic 2p σ 2px * π 2py * π 2pz * σ 2px π 2py π 2pz Atomic 2p σ 2s * 2s 2s B σ 2s B 2 B

33 MO - energy levels N 2 molecuul Molecular σ 2px * Shift for Atomic π 2py * π 2pz * Atomic B 2 C 2 N 2 Toenemende energie 2p σ 2px π 2py π 2pz 2p σ 2s * 2s 2s N σ 2s N 2 N

34 MO - energy levels O 2 molecuul Molecular σ 2px * No shift for Atomic π 2py * π 2pz * Atomic O 2 F 2 Toenemende energie 2p π 2py π 2pz σ 2px 2p σ 2s * 2s 2s O σ 2s O 2 O

35 MO - energy levels NO molecuul Molecular σ 2px * Use for diatomic molecules adjacent in Per. Syst. NO CN etc. Toenemende energie Atomic 2p 2s O π 2py * π 2pz * σ 2px π 2py π 2pz σ 2s * σ 2s O 2 Atomic 2s O 2p

36 Magnetism Paramagnetism unpaired electrons attracted to induced magnetic field Diamagnetism paired electrons repelled from induced magnetic field

37 Outcomes of MO Model 1 As bond order increases, bond energy increases and bond length decreases. 2 N 2 has a triple bond, and a correspondingly high bond energy. 3 O 2 is paramagnetic. This is predicted by the MO model, not by the Lewis model, which predicts diamagnetism.

38 MO theorie MO energiediagram H 2 - He 2 Li 2 B 2 Overzicht Combinatie MO-VB

39 Combining LE and MO Models σ bonds can be described as being localized. π bonding must be treated as being delocalized.