Föreläsning 5
Molekylers rymdgeometri,
Dipolmoment,
VSEPR-teori
och hybridisering
Fleratomiga molekylers geometri. (Kap. 8.1 - 4)
Molekyler eller joner av typ XYn, där X = centralatom, Y = ligand
Alla Y binder till X. Symmetriska molekyler.
Större molekyler byggs upp genom att koppla ihop fragment.
Geometrier för olika koordinationstal. n = 2, 3, 4, 5, och 6
Bindningslängder
Diskussionen gäller kovalent bundna avgränsade molekyler.
(Jongitter, salter, antar den rymdstruktur jonradier och stökiometri
kräver enligt tidigare.)
Viktiga parametrar
• Kovalenta radier hos inblandade atomer (se fig. 8.2 och 8.3)
• Bindningstal. Enkelb. > dubbelb. > trippelb. mellan samma par
atomer.
Arbetsgång vid bestämning av rymdstruktur.
• Rita upp atomerna med valens- e-.
• Skapa Lewis-strukturer med alla ickebindande e--par utsatta
enligt oktettregeln.
• Tag med ev. mesomera (alternativa, ”resonans-”) strukturer vid
behov. (Ex. SO2 längre fram.)
• Tillämpa VSEPR-metoden (se nedan).
Valens-skal-elektron-par-repulsions-modellen (VSEPR).
Tar hänsyn till icke-bindande elektronpar (lp = lone pair) på centralatomen.
Repulsion: (lp – lp) > (lp – bp) > (bp – bp) (bp = bindande par)
Exempel CH4, NH3 och H2O.
Obs. att bindningsvinkeln
minskar med större andel
icke-bindande elektronpar.
Ex: Svaveldioxid, linjär eller
vinklad?
Antal valens-e−: 3 ⋅ 6 = 18 st. Linjär skulle varit 2 icke-bind. e−-par per
syreatom + dubbelbindningar O=S=O engagerar endast 16 e− (jmf. CO2). Ett
extra par på S-atomen gör att molekylen vinklas. Ritas:
S
O
O
+
+
S
O
S
O
O
O
-
Lewis-strukturer
Bilden visar tre st. mesomerer = resonansstrukturer. Den första följer inte
oktettregeln för S, de övriga ger polära bindningar. Ingen ger linjär molekyl.
Formell laddning (FC) hos atom: Alla bind. e--par delas.
FC = Z – (antal e- inkl. lp.) En O får -1 och S får +1 i två av alt. ovan.
Dipolmoment.
Uppstår när centrum för positiva laddningar för molekylen inte
sammanfaller med centrum för negativa laddningar.
µ = r ⋅δ ⋅ e
µ = dipolmomentet
(SI-enh. m⋅⋅As,
1 Debye = 3,336⋅⋅10−30 m⋅⋅As)
e = elementarladdn.
r = avstånd mellan laddningscentra
Bindning i polyatomära molekyler. (Kap. 8.4)
Diskuteras i termer av VB-teori (valensbindning). Lokaliserade e− .
Oktettregeln vägledande.
Koordinationstal för en atom = det antal extra e− som behövs för full oktett.
Räknas ut från plats i periodiska systemet (s- och p-grupper, 1+2 och 13 – 17)
Formell laddning kan behövas (jmf. SO2 tidigare).
Expansion av oktetten, hypervalenta föreningar.
Tyngre atomer: Även d-orbitaler kan ingå i bindningar.
Ex. SF6, 6 bindn. S-F.
S har ox. talet VI.
Resonansstrukt. avvikande från oktettregeln eller med fria joner.
VB-teori och hybridisering. Förklarar rymdgeometri.
Hybridisering = omvandling av centralatomens AO:s genom linjärkomb. av
valens-AO:s.
Ex. H2O. O har elektronkonfigurationen (1s)2(2s)2(2p)2. Två halvfyllda 2p.
Bindningsvinkeln borde bli 90o. Stämmer ej med VSEPR och experiment.
Lösning på problemet: Hybridisera O-AO:s, så att orbitaler utsträckta i
bindningsriktn. erhålls. Kombinera sedan med 2 st. (1s)H.
Hybridorbitaler (HO:s) är fiktiva AO:s som används för att rationalisera
bindningsvinklar m.m.
• sp-hybrider.
2 st. AO:s ger 2 st. HO:s
Linjär konfiguration.
•
•
sp2-hybrider
3 st AO:s ger 3 st HO:s
Plant, 120o bindningsvinkel
•
sp3-hybrider
Tetraedrisk
konfiguration
4 st AO:s – 4 st HO:s
(Se äv. fig. 8.12+13.)
•
sp3d2-hybrider
Oktaedrisk
konfiguration
6 st AO:s – 6 st HO:s
(Jmf. SF6 ovan)
Exempel på hybridisering i molekyler.
I ammoniak (NH3) är N-atomen sp3-hybridiserad. 3 HO:s binder till var sin
H-atom och den fjärde fylls av det icke-bindande elektronparet.
I koldioxid är kolet sp-hybridiserat (en σ-bindning/syreatom) och de två
övriga p-orbitalerna bildar varsin π-bindning med resp. syre. Syrena är
sp2-hybridiserade, och här fylls de återstående sp2-HO:erna med varsitt ickebindande elektronpar (ett/syreatom).
Kolatomer i organiska molekyler.
•
I metan är kolatomen sp3-hybridiserad. Fyra st. σ-bindningar till vätena.
•
I eten (C2H4) är kolatomerna sp2-hybridiserade. Molekylen är plan. De tre
sp2-hybriderna bildar σ-bindningar med vardera två väten och med det
andra kolet. Bindningsvinklarna blir ca. 120 o. En återstående p-orbital på
vardera kolet bildar tillsammans en π-bindning mellan kolatomerna. Se
nästa sida.
I acetylen (etyn, C2H2) är kolatomerna sp-hybridiserade. De två
återstående p-orbitalerna på vardera kolet bildar tillsammans två πbindningar mellan kolatomerna med nodplan vinkelrätt mot varandra.
Molekylen är linjär.
•
