Struktura cząsteczek

• Pojęcie cząsteczki
• Wymiary i kształt cząsteczek
• Przybliżenie Borna-

Oppenheimera

• Teoria wiązań walencyjnych
• Wiązania  i 
• Hybrydyzacja

Cząsteczki

Dwuatomowe

Homojądrow

e
H

2

, O

2

, N

2

Heterojądro

we
HCl, NaJ,

NO

Wieloatomowe

H

2

O, CH

4

, H

2

SO

4

benzen, naftalen,

antracen
aminokwasy

Polimery,
Makromolekuły

Polietylen,
DNA

Struktury
supramolekularne

Jednostka

fotosyntetyczna

Rozmiary cząsteczek

W gazie: 6.02x10

23

/(22.4x10

-3

m

3

)

Po kondensacji: około 1000
razy mniejsza objętość

=>promień rzędu 10

-10

m (0.1

nm, 1 Ǻ)

Równanie gazu rzeczywistego:

(p+a/V

2

)(V-b) = RT

b (l/mol)

d (Ǻ)

H

2

0.0266

2.76

O

2

0.0318

2.93

CO

2

0.0427

3.24

C

6

H

6

0.155

4.50

Rozmiary cząsteczek

Z pomiarów własności
transportowych (dyfuzja,
przewodnictwo cieplne) można
otrzymać średnią drogę
swobodną l cząsteczek w gazie

Np. Lepkość:

v

3

1

2







l





3





p

l 

 -

gęstość,
p -

ciśnienie

Znając l, liczymy przekrój
czynny na oddziaływanie
cząsteczek:

2

2

1

Nd

l





Średnice cząsteczek wyliczone z

przekroju czynnego na

oddziaływanie:

d (Ǻ)

H

2

2.3

O

2

3.0

CO

2

3.4

C

6

H

6

3.8

Rozmiary cząsteczek

Rozmiary cząsteczek

Wyznaczanie odległości
międzyatomowych: metody
dyfrakcyjne

Dyfrakcja promieni X
(rentgenografia)

Dyfrakcja elektronów

Dyfrakcja neutronów

Wyznaczanie odległości
międzyatomowych: metody
spektroskopowe

Spektroskopia rotacyjna
(mikrofalowa)

Rozmiary i kształt

molekuł

Czy można zobaczyć
cząsteczkę?

Mapy gęstości elektronowej

Mikroskopia:

HREM (high resolution
electron microscopy)

STM (scanning tunneling
microscopy)

AFM (atomic force
microscopy)

Stopnie swobody

Translacji

Rotacji

Oscylacji

Rotacja: 2 stopnie swobody w
cząteczkach liniowych, 3 w
nieliniowych

Liczba drgań w cząsteczkach:

3N-5

- liniowe

3N-6

- nieliniowe

Przybliżenie Borna-

Oppenheimera

Krzywa energii
potencjalnej

Energia
dysocjacji
wiązania

)

;

,

(

)

;

,

(

ˆ

R

E

R

H

j

j

j

B

A

B

A

r

r

r

r







R

e

r

e

r

e

r

e

r

e

r

e

m

H

B

A

B

A

e

0

2

12

0

2

2

0

2

2

0

2

1

0

2

1

0

2

2
2

2

1

2

4

4

4

4

4

4

)

(

2

ˆ





































Cząsteczka H

2

Teoria wiązań

walencyjnych

Cząsteczka H

2

)

2

(

)

1

(

)

(

)

(

2

1

1

1

B

A

r

r

sB

H

sA

H











Dla odległych od siebie
atomów:

Gdy atomy są blisko siebie:

)

1

(

)

2

(

)

2

(

)

1

(

B

A

B

A







Niższa energia dla funkcji:

)

1

(

)

2

(

)

2

(

)

1

(

B

A

B

A







Pełna funkcja:

)}

1

(

)

2

(

)

2

(

)

1

(

)]{

1

(

)

2

(

)

2

(

)

1

(

[

2

1

















B

A

B

A

Wiązania  i 





Teoria wiązań

walencyjnych

Przewidywanie kształtu
cząsteczki

Eksperymen
t:

H

2

O - 104.5

0

NH

3

- 107

0

C: 2s

2

2p

x

1

2p

y

1

- jak opisać

czterowartościowość?

Promocja 2s

2

2p

x

1

2p

y

1



2s

1

2p

x

1

2p

y

1

2p

z

1

Nie daje to jeszcze równocennych
orbitali

Wyjście:

hybrydyzacja

Hybrydyzacja

Tworzymy kombinacje liniowe:

h

1

= s

+ p

x

+ p

y

+ p

z

h

2

= s

- p

x

- p

y

+ p

z

h

3

= s

- p

x

+ p

y

- p

z

h

4

= s

+ p

x

- p

y

- p

z

Hybrydyzacja

sp

3

Inne typy hybrydyzacji

Liczba

koordynacyj
na

Rozmieszczeni
e

przestrzenne

Skład

2

liniowe

sp, pd,

sd

kątowe

sd

3

płaski trójkąt sp

2

, p

2

d

4

tetraedr

sp

3

, sd

3

kwadrat

p

2

d

2

,

sp

2

d

6

oktaedr

sp

3

d

2