Articles

Chemistry for Non-Majors

On november 25, 2021 by

Herken je deze plant?

Als we op het strand zouden lopen, zouden de planten hierboven er heel anders uitzien. Ze zouden kort zijn en uit het zand steken. Als we ze zo zien, herkennen we ze niet meteen als strandplanten. Vaak moeten we op verschillende manieren naar de wereld om ons heen kijken om dingen beter te begrijpen.

Hybride Orbitalen – sp3

Het bindingsschema dat door de valentiebindingstheorie wordt beschreven, moet rekenschap geven van de moleculaire geometrie zoals die door de VSEPR-theorie wordt voorspeld. Om dat te doen, moeten we een concept introduceren dat hybride orbitalen wordt genoemd.

sp 3 Hybridisatie

Helaas is overlapping van bestaande atomaire orbitalen ( s , p , enz.) niet voldoende om sommige van de waargenomen bindings- en molecuulgeometrieën te verklaren. Neem het element koolstof en de methaan (CH 4 ) molecule. Een koolstofatoom heeft een elektronenconfiguratie van 1s 2 2s 2 2p 2 , wat betekent dat het twee ongepaarde elektronen heeft in zijn 2p-banen, zoals te zien is in onderstaande figuur.

Figuur 1. Figuur 1. Orbitale configuratie van het koolstofatoom.

Volgens de beschrijving van de valentiebindingstheorie tot nu toe, zou men verwachten dat koolstof slechts twee bindingen vormt, die overeenkomen met zijn twee ongepaarde elektronen. Methaan is echter een veelvoorkomend en stabiel molecuul, met vier equivalente C-H bindingen. Om dit te verklaren wordt één van de 2s elektronen gepromoveerd naar de lege 2p orbitaal (zie figuur 2 hieronder).

Figuur 2. Promotie van koolstof s-elektron naar lege p-baan.

Nu zijn er vier bindingen mogelijk. De promotie van het elektron “kost” een kleine hoeveelheid energie, maar vergeet niet dat het proces van bindingsvorming gepaard gaat met een afname van energie. De twee extra bindingen die nu kunnen worden gevormd, resulteren in een lagere totale energie en dus een grotere stabiliteit van het CH 4-molecuul. Koolstof vormt normaal gesproken vier bindingen in de meeste van zijn verbindingen.

Het aantal bindingen is nu correct, maar de geometrie is fout. De drie p-orbitalen (px , py, pz) zijn 90 o ten opzichte van elkaar georiënteerd. Echter, zoals bleek uit de VSEPR theorie, is de waargenomen H-C-H bindingshoek in het tetrahedral CH 4 molecuul in werkelijkheid 109.5 o . Daarom kan het methaanmolecuul niet adequaat worden voorgesteld door eenvoudige overlapping van de 2s en 2p banen van koolstof met de 1s banen van elk waterstofatoom.

Om de binding in methaan te verklaren, is het nodig het concept van hybridisatie en hybride atomaire banen te introduceren. Hybridisatie is de vermenging van de atomaire banen in een atoom om een reeks van hybride banen te produceren. Wanneer hybridisatie optreedt, moet dat gebeuren als gevolg van de menging van niet-gelijkwaardige orbitalen. Met andere woorden, s- en p-banen kunnen hybridiseren, maar p-banen kunnen niet hybridiseren met andere p-banen. Hybride banen zijn de atomaire banen die worden verkregen wanneer twee of meer niet-equivalente banen van hetzelfde atoom zich vermengen ter voorbereiding van de bindingsvorming. In het huidige geval van koolstof hybridiseert de enkele 2s orbitaal met de drie 2p orbitalen om een set van vier hybride orbitalen te vormen, die sp 3 hybriden worden genoemd (zie figuur 3 hieronder).

Figuur 3. Koolstof sp3 hybride orbitalen.

De sp 3 hybriden zijn allemaal equivalent aan elkaar. Ruimtelijk wijzen de hybride orbitalen naar de vier hoeken van een tetraëder.

Figuur 4.

Het proces van sp3 hybridisatie is de vermenging van een s orbitaal met een set van drie p orbitalen om een set van vier sp 3 hybride orbitalen te vormen. Elke grote lob van de hybride orbitalen wijst naar een hoek van een tetraëder. De vier lobben van elk van de sp 3 hybride banen overlappen dan met de normale ongebrugde 1s banen van elk waterstofatoom en vormen zo het tetrahedral methaanmolecuul.

Samenvatting

  • Elektronen hybridiseren om covalente bindingen te vormen.
  • Niet-equivalente banen vermengen zich om hybride banen te vormen.

Practicum

Gebruik de onderstaande link om de volgende vragen te beantwoorden. Lees alleen de delen over hybridisatie van ammoniak en water.

http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

  1. Wat zijn de bindingshoeken in ammoniak en in water?
  2. Wat draagt bij aan deze onverwachte bindingshoeken?
  3. Wat gebeurt er met de eenpaarelektronen in ammoniak als hybridisatie optreedt?
  4. Gebeurt hetzelfde met water?

Review

  1. Waarom wordt van koolstof verwacht dat het slechts twee covalente bindingen vormt?
  2. Hoeveel covalente bindingen vormt koolstof eigenlijk?
  3. Wat moet er gebeuren om koolstof vier bindingen te laten vormen?

Woordenlijst

  • hybridisatie: De vermenging van de atomaire banen in een atoom om een reeks hybride banen te produceren.
  • hybride banen: De atomaire orbitalen die worden verkregen wanneer twee of meer niet-gelijkwaardige orbitalen van hetzelfde atoom zich combineren ter voorbereiding op bindingsvorming.

Leerdoelen

  • Beschrijf de vorming van sp- en sp2-banen.

Hoe open je de gesloten cirkel?

Romeo en Juliet waren twee van de grootste geliefden aller tijden. Hun omhelzing stond niemand anders toe er deel van uit te maken – ze wilden alleen maar bij elkaar zijn. Er was ingrijpen van buitenaf voor nodig (zo zijn ouders nu eenmaal!) om ze bij elkaar weg te krijgen. Gekoppelde elektronen zijn vergelijkbaar met de geliefden. Ze binden zich niet covalent totdat ze ongepaard zijn. Dan kunnen ze deel gaan uitmaken van een grotere chemische structuur.

Hybride Orbitalen – sp en sp 2

sp Hybridisatie

Een berylliumhydride (BeH 2 ) molecuul wordt door VSEPR lineair voorspeld. Het berylliumatoom bevat alle gepaarde elektronen en moet dus ook hybridisatie ondergaan. Een van de 2s elektronen wordt eerst gepromoveerd naar de lege 2p x orbitaal (zie figuur hieronder).

Figuur 5. Promotie van Be 2s elektron.

Nu vindt de hybridisatie alleen plaats met de bezette orbitalen en het resultaat is een paar sp hybride orbitalen. De twee overblijvende p-banen ( p y en p z ) hybridiseren niet en blijven onbezet (zie figuur 6 hieronder).

Figuur 6. Be hybride orbitalen.

De geometrie van de sp hybride orbitalen is lineair, waarbij de lobben van de orbitalen in tegengestelde richtingen wijzen langs één as, willekeurig gedefinieerd als de x-as (zie figuur 7). Elk kan zich binden met een 1s-baan van een waterstofatoom om het lineaire BeH 2-molecuul te vormen.

Figuur 7. Het proces van sp-hybridisatie is de vermenging van een s-koraal met een enkele p-koraal (volgens de conventie de pxorbitaal), om een set van twee sp-hybriden te vormen. De twee lobben van de sp-hybriden wijzen tegenover elkaar, zodat een lineair molecuul ontstaat.

Andere moleculen waarvan de geometrie van het elektronendomein lineair is en voor wie hybridisatie noodzakelijk is, vormen ook sp-hybride orbitalen. Voorbeelden zijn CO2 en C2H2, die later in meer detail worden besproken.

sp 2 hybridisatie

Borontrifluoride (BF 3 ) wordt door VSEPR voorspeld een trigonale planaire geometrie te hebben. Eerst wordt een gepaarde 2s elektron gepromoveerd naar de lege 2p y orbitaal (zie figuur 8).

Figuur 8. Promotie van 2s elektron.

Dit wordt gevolgd door hybridisatie van de drie bezette banen tot een set van drie sp 2 hybriden, waarbij de 2p z orbitaal ongerhybridiseerd blijft (zie figuur 9).

Figuur 9.

De geometrie van de sp 2 hybride orbitalen is trigonaal planair, waarbij de lobben van de orbitalen naar de hoeken van een driehoek wijzen (zie figuur 9). De hoek tussen twee van de hybride orbitaallobben is 120°. Elk kan zich binden met een 2 p orbitaal van een fluoratoom om het trigonaal vlakke BF 3 molecuul te vormen.

Figuur 9.

Het proces van sp2 hybridisatie is de vermenging van een s orbitaal met een set van twee p orbitalen (p x en p y ) om een set van drie sp 2 hybride orbitalen te vormen. Elke grote lob van de hybride orbitalen wijst naar een hoek van een vlakke driehoek.

Andere moleculen met een trigonale vlakke elektronendomeingeometrie vormen sp 2 hybride orbitalen. Ozon (O 3 ) is een voorbeeld van een molecuul waarvan de geometrie van het elektronendomein trigonaal vlak is, hoewel de aanwezigheid van een lone-paar op de centrale zuurstof de moleculaire geometrie gebogen maakt. De hybridisatie van het centrale O-atoom van ozon is sp 2.

Samenvatting

  • Gepaarde elektronen kunnen worden gehybridiseerd en vervolgens deelnemen aan covalente bindingen.

Practicum

Gebruik de link hieronder om de volgende vragen te beantwoorden. Lees alleen het deel over boor.

http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

  1. Hoeveel ongepaarde elektronen zijn er in de grondtoestand van boor?
  2. Waar haalt het boor de drie ongepaarde elektronen vandaan voor de binding tot BCl3?
  3. Wat is de geometrie van BCl3?

Review

  1. Heeft het berylliumatoom in de grondtoestand nog ongepaarde elektronen?
  2. Waarom wordt een 2s elektron in Be gepromoveerd tot een 2p orbitaal?
  3. Wat is de geometrie van de twee sp orbitalen?
Toon Referenties

  1. Priit Kallas (Wikimedia: Pk2000).http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perspective_branches.jpg .
  2. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  3. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  4. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  5. CK-12 Foundation – Jodi So. Stichting CK-12.
  6. Frank Dicksee. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Romeo_and_Juliet_%28detail%29_by_Frank_Dicksee.png .
  7. CK-12 Stichting – Joy Sheng.
  8. CK-12 Stichting – Joy Sheng.
  9. CK-12 Stichting – Jodi So, met behulp van 3D-molecuul van Ben Mills (Wikimedia: Benjah-bmm27). 3D molecuul: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beryllium-hydride-molecule-IR-3D-balls.png.
  10. CK-12 Stichting – Joy Sheng.
  11. CK-12 Stichting – Joy Sheng.
  12. CK-12 Stichting – Jodi So, met behulp van 3D-molecuulstructuur van Ben Mills (Wikimedia: Benjah-bmm27). 3D molecuul: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boron-trifluoride-3D-balls.png.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.