background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

WIĄZANIA CHEMICZNE

Elektrostatyczny  charakter  wiązań  chemicznych.  Rodzaje 
wiązań: 

jonowe, 

kowalencyjne, 

metaliczne 

międzycząsteczkowe.  Zarys  Teorii  Orbitali  Molekularnych 
(LCAO)  –  orbitale  σ  i  π  wiążące,  antywiążące,  ich  względne 
energie  i  kształty  (wyprowadzenie  graficzne).  Struktura 
elektronowa cząsteczek dwuatomowych, rząd wiązania. 

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Wiązanie chemiczne:

 Co to jest WIĄZANIE CHEMICZNE?

– połączenie pomiędzy atomami w cząsteczce

– mechanizm dzięki któremu atomy mogą łączyć się w cząsteczki

– zjawisko fizyczne odpowiedzialne za 

przyciągające oddziaływanie pomiędzy 
atomami, zapewniające stabilność związków 
chemicznych 

– wiązanie chemiczne występuje wtedy, gdy siły 

działające pomiędzy atomami prowadzą do 
utworzenia skupiska atomów o stabilności 
wystarczającej do uznania go za odrębną formę 
materii

– połączenie atomów w wyniku wymiany lub 

uwspólnienia elektronów

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

WIĄZANIE CHEMICZNE MA CHARAKTER ELEKTROSTATYCZNY

MECHANIZM 

wiązania chemicznego

Siłą wiążącą atomy jest przyciąganie się różnoimiennych ładunków elektrycznych

r

Siła Coulomba

2

2

1

r

Q

Q

C

F

Istnieje kilka rodzajów wiązań chemicznych, różniących się 
przestrzennym rozkładem ładunków odpowiedzialnych za 
powstanie siły wiążącej.

Q

2

+

Q

1

F

background image

   

2

C

r

e

Z

C

F

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

WIĄZANIE JONOWE – przyciąganie się różnoimiennych 

jonów, powstałych w wyniku 
wymiany elektronów pomiędzy 
atomami

RODZAJE WIĄZAŃ CHEMICZNYCH

9+

3+

Li

F

Bilans 
ładunków:

0

0

–1

+1

JONY:

Li

+

F

Powstanie jonów

F

1

F

2

Wniosek

Jądro fluoru (9+) mocniej 

przyciąga elektron niż jądro litu 

(3+); mniejsza odległość, 

większy ładunek dodatni

Li

F

Porównanie sił F

1

 i F

2

:

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

WIĄZANIE 

J
O
N
O
W
E

+

Schemat wiązania jonowego

Utworzenie wiązania

9+

3+

Li

+

F

KATION

ANION

background image

NaCl 

– związek jonowy

F

Cl

1

2

3

E

J

[kJ/mol]

liczba atomowa

O K R E S Y

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Jakie pierwiastki tworzą przeważnie wiązania jonowe?

9+

3+

Li

F

+

Li

 - łatwe oddanie

elektronu

mała energia

jonizacji

F

 – silne 

przyciąganie

elektronu

duża energia

jonizacji

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

9+

3+

Problem: Przeniesienie elektronu nie jest możliwe w 
przypadku pary jednakowych atomów, a mimo to cząsteczki 

H

2

, O

2

,

 

N

2

,

 

Cl

2

 

istnieją!  

Rozwiązanie: Inny sposób elektrostatycznego związania 
atomów

+

+

Schemat wiązania kowalencyjnego

+

Schemat wiązania jonowego

WIĄZANIE 

KOW
ALE
NCYJ
NE

!

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Skąd pochodzi centralny ładunek ujemny?

+

+

Cząsteczka 

H

2

+

+

Rozwiązanie - np:

Problem:

Model Bohra

Model falowy

!

Podwyższon

a gęstość 

prawdopo-

dobieństwa 

znalezienia 

elektronu

W tym 

obszarze 

elektrony 

pojawiają się 

częściej niż w 

pozostałych 

rejonach 

cząsteczki

background image

– przyciąganie jąder atomowych przez 

lokalny ładunek ujemny , powstały w wyniku 
częściowego uwspólnienia elektronów wiążących 
się atomów.

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Kwantowy opis elektronów w cząsteczce – 

Teoria Orbitali Molekularnych

H

A

Ψ

A

Ψ

B

H

B

Orbital cząsteczkowy

 

Ψ

AB

– jaka to funkcja?

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Poszukiwanie funkcji falowej opisującej elektron w 

cząsteczce. 

H

2

Ψ

A

Ψ

B

Ψ

AB

Funkcja (orbital) 

Ψ

AB

 jako odpowiednie złożenie funkcji 

Ψ

A

 

 

Ψ

B

fragment 
podobny do

 

Ψ

A

Pomysł:

fragment 
podobny do

 

Ψ

B

background image

Linowa Kombinacja orbitali 

Ψ

A

 

 

Ψ

B

Ψ

AB

 = c

Ψ

 + c

Ψ

Zasada matematyczna:

Ψ

AB

 = Ψ

 + λ

 

Ψ

lub

gdzie 

λ = c

A

/ c

B

– trzeba znaleźć dwie wartości 

λ

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

– ang. Linear Combination of Atomic Orbitals

 pol.  Linowa Kombinacja Orbitali Atomowych 

Metoda 

LCAO

H

2

Z 2 orbitali

 

Ψ

A

 

 

Ψ

B

 

muszą powstać

 

2 orbitale

 

Ψ

AB

 

Z łączenia n elementów musi powstać n różnych kombinacji

background image

Gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu na orbitalu 

Ψ

AB

ρ = |Ψ

AB

|

2

 = |Ψ

A

+

 

λΨ

B

|

2

 = |Ψ

A

|

2

 + 2λ|Ψ

A

|·|Ψ

| + λ

2

|

2

 

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Metoda LCAO – poszukiwanie dwóch wartości 

λ

2

1

Ψ

B

 = 0

~

Ψ

A

 = 0

~

( a    +    b  )

2   

 =     a

2

      +       2ab              +        b

2

AB

(1)|

2

 = |

Ψ

A

|

2

AB

(2)|

2

 = λ

2

|

Ψ

|

2

 

  |Ψ

AB

(1)|

2

 = |

Ψ

AB

(2)|

2

Cząsteczka jest symetryczna

czyli 

λ

= 1 

a stąd 

λ 

 

= ±1 

Dwa orbitale cząsteczkowe:

Ψ

AB

+

 = Ψ

A

+

 

Ψ

B

 

Ψ

AB

 = Ψ

A

 

Ψ

B

 

A

|

2

 = λ

2

|

2

 = 

λ

2

|

2

 

background image

σ

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Kształt orbitali (rozkład gęstości elektronowej)

Ψ

AB

+

 = Ψ

A

+

 

Ψ

B

 

Ψ

AB

 = Ψ

A

 

Ψ

B

 

+

+

+

+

ZWIĘKSZONA

gęstość elektronowa

ZMNIEJSZONA

gęstość elektronowa

Ψ

A

B

Ψ

A

B

*

Orbital WIĄŻĄCY

Orbital ANTYWIĄŻĄCY

σ*

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

ENERGIE orbitali cząsteczkowych

H

AB

 Ψ

AB

 = E

AB

 

Ψ

AB

 

Konkretną funkcję 

Ψ

 

można wstawić do 

równania Schrödingera 

Ĥ Ψ = E Ψ

 i 

obliczyć energię 

E

,

 

jaką będzie miał elektron opisany tą funkcją

Przypomnienie

Dla orbitali cząsteczkowych 

H

2

H

AB

 Ψ

AB

 = E

AB

 

Ψ

AB

 

*

*

*

WIĄŻĄCY

ANTYWIĄŻĄCY

H

AB

 σ

 

= E

AB

 

σ

*

H

AB

 σ

   

= E

AB

 σ

*

*

Wynik:

E

AB

 < E

A

= E

B

Wynik:

E

AB

 > E

A

= E

B

*

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

DIAGRAM ENERGETYCZNY cząsteczki H

2

E

AB

 < E

A

= E

B

E

AB

 > E

A

= E

B

*

E

H

H

1s

1s

E

AB

E

AB

*

σ

1s

*

σ

1s

H

2

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

DIAGRAM ENERGETYCZNY cząsteczki H

2

Obsadzenie orbitali elektronami

E

H

2

H

H

1s

1s

E

AB

E

AB

*

σ

1s

*

σ

1s

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

DIAGRAM ENERGETYCZNY cząsteczki H

2

Obsadzenie orbitali elektronami

2ΔE 

obniżenie

energii

układu.

 Układ

H

2

jest

bardziej

trwały

od 2H

ΔE

E

1s

H

2

H

H

1s

E

AB

E

AB

*

σ

1s

*

σ

1s

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Przewidywanie trwałości, istnienia cząsteczek dwuatomowych

He

2

He

He

E

1s

1s

σ

1

s

*

σ

1

s

Bilans energii elektronów

+ΔE

*

−2ΔE

+2ΔE

*

> 0

Układ He

jest mniej 

trwały od 2He ; 

cząsteczka He

nie istnieje!

Czy może istnieć cząsteczka He

2

?

Czy może istnieć jon He

?

+

Bilans energii elektronów

−2ΔE

+ΔE

*

≈ −ΔE

E

He

2

He

He

1s

1s

σ

1

s

*

σ

1

s

−ΔE

+ΔE

*

+

Układ He

jest bardziej 

trwały od 2He ; 

jon He

istnieje!

+

+

|

+ΔE

| > |

 −ΔE 

| 

−ΔE

background image

R

W

 = ½(Σ

el. wiąż.

 – Σ

el. 

antywiąż.

)

 

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Względna moc wiązania chemicznego

Wiązanie H─H jest mocniejsze od wiązania He─He

+

E

H

2

H

H

1s

1s

σ

1

s

*

σ

1

s

Bilans energii elektronów

−ΔE

+ΔE

*

−2ΔE

E

He

2

He

He

1s

1s

σ

1

s

*

σ

1

s

−ΔE

+ΔE

*

Bilans energii elektronów

−2ΔE

+ΔE

≈ −ΔE

+

RZĄD WIĄZANIA

R

W

 = ½(2–0)=1

H

2

He

2

R

W

 = ½(2–1)=½

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Orbitale cząsteczkowe z udziałem orbitali 

s

 

p

Orbitale CZĄSTECZKOWE

Orbitale ATOMOWE

NAKŁADANIE

+

+

s

+

+

σ

s

s

+

+

σ

s

s

*

+

s

+

s

s

+

+

+

+

s

.

.

+

+

σ

s

p

.

+

p

+

s

.

.

+

+

.

+

p

+

.

.

.

+

+

σ

s

p

*

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Orbitale cząsteczkowe z udziałem orbitali 

p

Orbitale CZĄSTECZKOWE

Orbitale ATOMOWE

NAKŁADANIE

σ

p

p

σ

p

p

*

+

p

.

+

.

+

p

+ +

+

p

.

+

.

+

p

+

+

+

+

+

p

.

+

.

+

p

p

.

+

.

+

p

+ +

– –

+

+ –

– +

+

+

π

p

p

π

p

p

*

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Wiązania typu 

σ

 

lub

 

π

σ

 

– orbitale 

nakładają się NA 
osi wiązania

π

 

– orbitale 

nakładają się 
POZA osią 
wiązania

.

.

Kryterium: Położenie obszaru nakładania się 

orbitali atomowych względem osi 
wiązania.

oś wiązania – linia łącząca jądra 

związanych 

atomów

DWA 

obszary 

nakładania

, ale JEDNO 

wiązanie

σ

p

p

π

p

p

σ

s

s

σ

s

p

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

SCHEMAT POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH cząsteczki O

2

E

O

2

O

Orbitale atomowe O:

 1s

2s

2p

4

Diagram energetyczny 
dla orbitali 2s i 2p

Elektrony zewnętrzne – 
biorą udział w wiązaniu

p

x

p

y

p

z

s

p

x

p

y

p

z

s

O

π

x

π

y

σ

σ

*

σ

*

σ

z

p

x

p

y

p

z

p

x

p

y

p

z

π

y

*

π

x

*

S

=1 Paramagnetyzm tlenu

Ciekły tlen pomiędzy
biegunami magnesu

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

SCHEMATY POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH cząsteczek O

2

 i F

2

 

E

O

2

O

O

Orbitale atomowe: 

p

x

p

y

p

z

s

p

x

p

y

p

z

s

π

x

π

y

π

x

π

y

σ

σ

*

σ

*

σ

O - 1s

2

 2s

2

 2p

4

RZĄD WIĄZANIA

R(O

2

) = 1/2(8-4) = 2 

F - 1s

2

 2s

2

 2p

5

F

F

F

2

RZĄD WIĄZANIA

R(F

2

) = 1/2(8-6) = 1 

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

SCHEMATY POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH cząsteczek O

2

 i N

2

 

E

O

2

O

O

Orbitale atomowe: 

p

x

p

y

p

z

s

p

x

p

y

p

z

s

π

x

π

y

σ

σ

*

σ

*

σ

O - 1s

2

 2s

2

 2p

4

π

x

π

y

N - 1s

2

 2s

2

 2p

3

N

N

N

2

RZĄD WIĄZANIA

R(N

2

) = 1/2(8-2) = 3 

UWAGA !!!

Zmiana kolejności orbitali 

background image

N - 1s

2

 2s

2

 2p

3

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

Konfiguracje elektronowe cząsteczek N

2

 O

i F

2

N - 1s

2

 2s

2

 2p

3

Elektrony na orbitalach 

zewnętrznych

N

2

     

1s

2

 1s

2

 (σ2s)

2

 (σ

*

2s)

2

 (π2p

x

)

2

 (π2p

y

)

2

 

(σ2p

z

)

2

 

O - 1s

2

 2s

2

 2p

4

O - 1s

2

 2s

2

 2p

4

Elektrony na orbitalach 

cząsteczkowych

O

2

  

1s

2

 1s

2

 (σ2s)

2

 (σ

*

2s)

2

 (σ2p

z

)

2

 (π2p

x

)

2

 (π2p

y

)

(π

*

2p

x

)

1

 

(π

*

 2p

y

)

1

F - 1s

2

 2s

2

 2p

5

F - 1s

2

 2s

2

 2p

5

Elektrony na orbitalach 

cząsteczkowych

F

2

  

1s

2

 1s

2

 (σ2s)

2

 (σ

*

2s)

2

 (σ2p

z

)

2

 (π2p

x

)

2

 (π2p

y

)

(π

*

2p

x

)

2

 

(π

*

 2p

y

)

2

Elektrony na orbitalach 

cząsteczkowych

Zmiana kolejności

energetycznej orbitali

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

SCHEMAT POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH 

cząsteczki heteroatomowej – HF

1

s

2

s

2
p

E

F

H

1

s

HF

Problem: Który orbital fluoru
utworzy orbital cząsteczkowy
z orbitalem 1s wodoru?

KRYTERIA TWORZENIA

ORBITALI 

CZĄSTECZKOWYCH

1. Zbliżone energie orbitali 

atomowych

2. Jak największe nakładanie 

się fragmentów orbitali 
atomowych

3. Jednakowa symetria 

orbitali atomowych 
względem osi wiązania

σ

σ

*

p

z

p

y

p

x

ORBITALE

wiążący

antywiążący

niewiążące

niewiążący

niewiążący

background image

N

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

INNE TEORIE WIĄZAŃ CHEMICZNYCH

I. Reguła oktetu (Lewis – 1902)

Gilbert Newton Lewis

(1875-1946)

„Podczas tworzenia wiązania 

kowalencyjnego atomy dążą do 

skompletowania oktetów (ośmiu 

elektronów) przez uwspólnienie  par 

elektronowych” 

Symbole Lewisa

el. sparowane

el. 

niesparowane

2s

2p

np: N

2

 – 1s

2

 2s

2

2p

3

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

INNE TEORIE WIĄZAŃ CHEMICZNYCH

I. Reguła oktetu (Lewis – 1902)

Tworzenie wiązań – budowanie oktetów

F F

O

2

N

2

F

2

F F

8 el.

8 el.

F F

1 para wspólnych 

elektronów

O O

O O

8 el.

8 el.

2 pary el.

O O

8 el.

8 el.

3 pary el.

N N

N N

N N

background image

Wykład 8 – WIĄZANIA CHEMICZNE

II. Teoria Wiązań Walencyjnych 

(Heitler, London–1927, Pauling–1939)

 

             VB – ang. Valence Bond  „valens” – łac. być silnym, zdrowym 

INNE TEORIE WIĄZAŃ CHEMICZNYCH

Walter Heitler

Linus Pauling

Fritz London

„Wiązanie powstaje w wyniku 

nałożenia się orbitali atomowych 

obsadzonych pojedynczymi 

elektronami i utworzenia pary 

elektronowej” 

Orbitale obsadzone pojedynczymi elektronami

Para elektronowa pozostaje pomiędzy jądrami atomów

Problem

Czy atom berylu o konfiguracji  1s

2

2s

2

  

nie może utworzyć żadnych wiązań ???

Rozwiązanie –

... na następnym wykładzie


Document Outline