KEMA00 - Lunds universitet

KEMA00
Magnus Ullner
Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium
kan laddas ner från
http://www.kemi.lu.se/utbildning/grund/kema00/dold
Användarnamn: Kema00
Lösenord: DeltaH0
Repetition F2
•  Vågfunktion Ψ och sannolikhetstäthet Ψ2
•  Kvanttal: n, l, ml, ms
•  Aufbauprincipen: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, …
•  Atomnummer Z och effektiv kärnladdning Zeff
•  Joniseringsenergi och elektronaffinitet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
F3 – Kemisk bindning
•  Valenselektroner förs över eller delas
–  Jonbindning: elektronerna lokaliserade kring en atomkärna
–  Kovalent bindning: elektronerna delokaliserade kring ett
begränsat antal atomkärnor, två eller fler
–  Metallbindning: elektronerna delokaliserade kring många
atomkärnor i hela materialet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Oktettregeln
•  Ädelgasstruktur med ns2np6 (eller 1s2 motsvarande He)
med 8 (2) elektroner i yttersta skalet eftersträvas
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Katjoners elektronkonfiguration
•  Ta bort de yttersta
elektronerna från
1.  np
2.  ns
3.  (n – 1 )d
•  Exempel
Al: 1s22s22p63s23p1
Al3+: 1s22s22p6
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Energinivåer
•  Enligt Atkins/Jones:
4s har lägre energi än 3d
då Z ≤ 20, men byter ordning
för Z > 20
•  Mer korrekt beskrivning:
4s har lägre energi än 3d
för atomer, men byter
ordning för katjoner
•  Vid underskott av elektroner
minskar energiskillnader inom
ett skal (3p, 3d närmar sig 3s)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Anjoners elektronkonfiguration
•  Lägg till elektroner tills
nästa ädelgasstruktur
uppnås, dvs. full oktett
(dubblett för He-struktur)
•  Exempel
S: 1s22s22p63s23p4
S2-: 1s22s22p63s23p6
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
Ange elektronkonfigurationen i grundtillståndet för
1. N32. O23. Ca2+
4. Zn2+
5. Br-
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
N3-: 1s22s22p6
(N: 1s22s22p3)
O2-: 1s22s22p6
(O: 1s22s22p4)
Ca2+: 1s22s22p63s23p6
(Ca: 1s22s22p63s23p64s2)
Zn2+: 1s22s22p63s23p63d10 (Zn: 1s22s22p63s23p63d104s2)
Br-: 1s22s22p63s23p63d104s24p6
(Br: 1s22s22p63s23p63d104s24p5)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Jonbindning
•  I en jonkristall är katjoners
och anjoners positioner
starkt korrelerade
•  Katjon-anjon-attraktion
uppväger katjon-katjon- och
anjon-anjon-repulsion
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Jonbindning - nettoenergi
•  Na(g) → Na+(g) + e-(g)
494 kJ mol-1 (energi krävs)
•  Cl(g) + e-(g) → Cl-(g)
-349 kJ mol-1 (energi avges)
•  Delsumma: 145 kJ mol-1
•  Na+(g) + Cl-(g) → NaCl(s)
-787 kJ mol-1
•  Nettoenergi: -642 kJ mol-1
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lewisstruktur för atomer
•  Valenselektroner anges med prickar
•  Parade elektroner som delar en orbital anges som par
•  Oparade elektroner ensamma i orbitaler anges med
enkelprick
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lewisstruktur för joner
•  Elektroner tas bort eller läggs till strukturen för atomen
•  Laddning anges
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Kovalent bindning
Istället för att uppfylla oktettregeln genom att skapa joner,
kan atomer skapa ”oktett” genom att dela på elektronpar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lewisstruktur för molekyler
•  Elektronpar i bindningar anges med streck
•  Fria elektronpar anges som dubbelprickar
dubbelbindning
enkelbindning
fritt elektronpar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Recept för lewisstruktur
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
Räkna valenselektroner
Ordna atomerna
Rita enkelbindningar mellan bundna atomer
Fyll på oktetter med fria elektronpar
Om elektronparen inte räcker till, rita dubbel- och/eller
trippelbindningar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
Rita lewisstrukturen för följande molekyler/joner
1. H2O
2. NH3
3. NH4+
4. NO3-
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
1. H2O
2. NH3
3. NH4+
4. NO3-
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Resonans
•  Flera möjliga lewisstrukturer som uppfyller oktettregeln etc
•  Resonansstrukturer indikeras med dubbelpilar
•  Den sanna strukturen är en blandning av resonansstrukturerna med elektronpar delade av mer än två atomer
•  Bindningarna är mellanting mellan enkel- och
dubbelbindningar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Bensen
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Undantag från oktettregeln I
•  Radikaler – oparade elektroner
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Undantag från oktettregeln II
•  Expanderade valensskal – ns och np tar hjälp av nd
»  H
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
PCl5(g)
Formella laddningar i lewisstruktur
•  I en lewisstruktur är den formella laddning för en atom
skillnaden mellan antalet valenselektroner i grundämnet
och antalet elektroner som ”tillhör” atomen i strukturen
(hela fria elektronpar och halva bindande elektronpar)
•  Summan av de formella laddningarna är densamma som
den totala laddningen hos molekylen/jonen
•  Lewisstrukturen med de lägsta formella laddningarna har
troligen lägst energi och är mest sannolik
•  Formella laddningar kan hjälpa till att avgöra
–  i vilken ordning atomer ska bindas, t.ex. SCN–  om expanderat valensskal ska utnyttjas
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Recept för lewisstruktur med
formella laddningar
1.  Ta fram möjliga lewisstrukturer
2.  För varje atom i varje lewisstruktur, räkna ut
formell laddning = antal valenselektroner i grundämnet
– antal bindningar – 2 ⨉ fria elektronpar i lewisstrukturen
3.  Hitta lewisstrukturen (eventuellt flera, ekvivalenta
resonansstrukturer) med de lägsta formella laddningarna
mest sannolik
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
Hitta den mest sannolika lewisstrukturen för SO42-
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
”normal”
expanderat valensskal
(resonans)
(resonans)
mest sannolik
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Polär kovalent bindning
•  Olika atomslag har olika tendens att dra åt sig elektroner
•  När elektronernas laddning förskjuts får atomerna partiella
laddningar och en elektrisk dipol skapas
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Elektronegativitet
•  Förmåga att attrahera elektroner
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Bindningskaraktär
•  När skillnaden i
elektronegativitet mellan två
bundna atomer ökar, ökar
polariteten och den joniska
karaktären i den kovalenta
bindningen
•  När skillnaden är stor är det
bättre att tala om jonbindning
•  Tumregel
–  Δχ < 1,5 kovalent
–  Δχ > 2
jonisk
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Formella laddningar och
oxidationstal
•  Formella laddningar överdriver den kovalenta karaktären
genom att anta elektronpar i bindningar delas lika
•  Formella laddningar beror på lewisstrukturen
•  Oxidationstal överdriver jonkaraktären genom att anta att
alla elektronerna i en bindning tagits om hand av den
mest elektronegativa atomen
•  Oxidationstal beror inte på någon lewisstruktur
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Polariserbarhet
•  Stora elektronmoln, löst bundna till kärnan kan förskjutas,
polariseras
•  Stora anjoner kan polariseras av katjoner
•  Effekten blir större ju mindre katjonen är och ju högre
laddning den har
•  En polariserad
jonbindning har
kovalent karaktär
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
I vilken förening har bindningarna mest kovalent karaktär?
1.  NaBr eller MgBr2?
2.  NaBr eller KBr?
3.  NaBr eller NaI?
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
I vilken förening har bindningarna mest kovalent karaktär?
1.  NaBr eller MgBr2?
2.  NaBr eller KBr?
3.  NaBr eller NaI?
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Bindningsenergi och bindningslängd
•  Energin för en bindning är en
funktion av avståndet mellan
atomkärnorna
•  Bindningslängden motsvaras av
minimat (det mest gynnsamma
avståndet) i energifunktionen
•  Bindningsstyrkan mäts av
dissociationsenergin, dvs.
energin som krävs för reaktionen
A-B(g) → ·A(g) + ·B(g)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Bindningsstyrka
Bindningsstyrkan ökar med
•  … ökande bindningstal (enkel-, dubbel-, trippelbindning)
•  … minskande antal fria elektronpar
•  … minskande atomradie
•  … resonans
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
I vilken förening är bindningarna starkast?
1.  HCl eller HI?
2.  N2 eller F2?
3.  H2 eller F2?
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
I vilken förening är bindningarna starkast?
1.  HCl eller HI? (Cl har mindre atomradie än I)
2.  N2 eller F2? (N2 har trippelbindning, F2 enkelbindning)
:N ≡ N:
3.  H2 eller F2? (H2 saknar fria elektronpar, F2 har tre på
varje atom)
H–H
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00