Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf ·...

50
Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych, układ poziomów energii. Przykładowe konfiguracje elektronów, gazy szlachetne, litowce, chlorowce, układ okresowy pierwiastków, metale przejściowe. Wiązanie kowalencyjne, cząsteczki H 2 + i H 2 – zależność energii od odległości między protonami, orbitale molekularne wiążące i antywiążące, kierunkowość wiązania, hybrydyzacja orbitali. Wiązanie jonowe – potencjał przyciągania i odpychania, energia wiązania, struktura kryształów jonowych. Wiązanie molekularne (Van der Waalsa), potencjał Lennarda-Jonesa. Wiązanie wodorowe, wyjątkowość jonu H+ - protonu, struktura wody i białek. Wiązanie metaliczne w ciałach stałych, związek z właściwościami metali. Porównanie wiązań chemicznych w ciałach stałych, zakresy wartości energii wiązania, związek z temperaturą topnienia

Transcript of Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf ·...

Page 1: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Wiązania atomowe

Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych, układ poziomów energii.

Przykładowe konfiguracje elektronów, gazy szlachetne, litowce, chlorowce, układ okresowy pierwiastków, metale przejściowe.

Wiązanie kowalencyjne, cząsteczki H2

+ i H2 – zależność energii od odległości

między protonami, orbitale molekularne wiążące i antywiążące, kierunkowość wiązania, hybrydyzacja orbitali.

Wiązanie jonowe – potencjał przyciągania i odpychania, energia wiązania, struktura kryształów jonowych.

Wiązanie molekularne (Van der Waalsa), potencjał Lennarda-Jonesa.

Wiązanie wodorowe, wyjątkowość jonu H+ - protonu, struktura wody i białek.

Wiązanie metaliczne w ciałach stałych, związek z właściwościami metali.

Porównanie wiązań chemicznych w ciałach stałych, zakresy wartości energii wiązania, związek z temperaturą topnienia

Page 2: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Atomy wieloelektronowe

Mają więcej niż jeden elektron w atomieDo energii każdego z elektronów wchodzą :

energia kinetyczna

energia potencjalna pochodząca od oddziaływania elektron - jądro atomowe

energii potencjalna pochodzącej od oddziaływania elektron – inne elektrony

Matematycznie nie możliwe jest dokładne rozwiązanie r. Schrodingera - problem: jak uwzględnić odpychające oddziaływanie z innymi elektronamistosuje się pewne metody przybliżone, wprowadzając

np. efektywny ładunek jądra atomowego, tzw. pole samo-uzgodnionewyniki oblicza się metodami numerycznymi

Page 3: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Atomy wieloelektronowe

Uwaga! Okazuje się, że energia elektronów w atomach wielo-elektronowych zależy nie tylko od liczby kwantowej n ale także w pewnym stopniu od orbitalnej liczby kwantowej l

to jest właśnie efekt oddziaływań wielu elektronów w atomie

niektóre poziomy energetyczne z wyższym n ale mniejszym l są niżej niż poziomy o mniejszym n a większym l

to jest tzw. zniesienie degeneracji poziomów ze względu na l

W jaki sposób elektrony „układają się” w atomie, w jaki sposób zajmują możliwe dla nich

poziomy energetyczne? Panuje zasada: elektrony obsadzają możliwe

najniższe poziomy energetyczne Efekt „rozszczepiania się” poziomów

w atomach wielo-elektronowych

Page 4: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Atomy wieloelektronowe

Efekt „rozszczepiania się” poziomów w atomach wielo-elektronowych

Poziomy energetyczne w atomie jedno-elektronowym (wodoru)

powłokapod-powłoka

Page 5: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Zakaz Pauliego

Czy wiele elektronów może obsadzić ten sam poziom energetyczny?

Nie zawsze. Obowiązuje pewna zasada!

Dwa elektrony nie mogą mieć tych samych 4 liczb kwantowych (nie mogą być w tych samych stanach kwantowych)

Jest to tzw. zakaz Pauliego

To znaczy, że : dwa elektrony z takimi samymi wartościami n, l i ml (elektrony są na tej samej pod-powłoce i mające taką samą energię) muszą mieć przeciwne spiny, aby być w innym stanie (różnią się inną kwantową ms)

Ta zasada powoduje, że elektrony muszą zajmować inne stany kwantowe

Ta zasada wymusza prawidłowość, że:

Na każdej powłoce znajduje się 2n2 stanów do obsadzenia

Na każdej pod-powłoce znajduje się 2(2l+1) stanów do obsadzenia

np. w powłoce n = 3 mamy 18 stanów do obsadzenia dla elektronów

np. w pod-powłoce typu s (l = 0) mamy 2 stany do obsadzenia dla elektronównp. w pod-powłoce typu p (l = 1) mamy 6 stanów do obsadzenia dla elektronównp. w pod-powłoce typu d (l = 2) mamy 10 stanów do obsadzenia dla elektronów

Page 6: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

He z 2 elektronami

ener

gia

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

Każdy kwadracik może „przyjąć” dwa elektrony o przeciwnych spinach

Ten atom ma zapełnioną powłokę n=1

Elektrony wypełniają miejsca w ten sposób aby atom posiadał minimalną energię!

Każda strzałka oznacza elektron o określonym spinie

Page 7: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

C z 6 elektronami

ener

gia

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

Page 8: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

O z 8 elektronami

ener

gia

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

Page 9: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Ne z 10 elektronami

ener

gia

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

ten atom ma w pełni zapełnioną powłokę n=1 i n=2 mówi się że powłoki n =1 i n =2 są zamknięte taki atom nie lubi zmieniać swojej konfiguracji - jest „gazem szlachetnym” - bardzo trudno wchodzi w reakcję z innymi pierwiastkami

okazuję się że wszystkie momenty magnetyczne w takim atomie (pochodzące od elektronów) „kompensują się” - dlatego wypadkowy moment magnetyczny takiego atomu = 0

Page 10: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Na z 11 elektronami

ener

gia

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

- ten atom ma zapełnioną powłokę n = 1 i n = 2 oraz jeden elektron na powłoce n=3 (pod-powłoce 3s)

- ten elektron (elektron walencyjny) jest dość „luźno” związany z atomem

- Sód (Na) jest w stanie łatwo go oddać, jest zatem bardzo „reaktywny” z innymi pierwiastkami

Page 11: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Cl z 17 elektronami

ener

gia

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

- ten atom ma zapełnioną powłokę n =1 i n =2 oraz prawie zapełnioną powłokę n = 3 (brakuje jednego elektronu)

- Chlor (Cl) jest w stanie łatwo przyjąć jeden elektron , aby zapełnić powłokę, jest zatem bardzo „reaktywny” z innymi pierwiastkami które mogą ten elektron dostarczyć

- NaCl jest tutaj dobrym przykładem

Page 12: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Sposób obsadzania poziomów energetycznych

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

1s2

2 elektronów

2s2

4

2p6 3s2

12

3p6 4s2

20

3d10 4p6

5s2

38

4d10 5p6 6s2

56

Jeśli ponumerujemy pod-powłoki w następujący sposób, to można łatwo „konfigurować” kolejne pierwiastki

Page 13: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Energia jonizacji pierwiastkówUkład okresowy pierwiastków

liczba atomowa Z

Widać, że wykres tworzy pewną okresową prawidłowość.

Proces jonizacji polega na „odrywaniu” elektronów z atomu. Atom staje się jonem dodatnim. Oderwanie elektronu wymaga pewnej energii

określa ile protonów znajduje się w jądrze atomowym – równa jest także liczbie elektronów w atomie gdy atom nie jest „zjonizowany”

Page 14: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Układ okresowy pierwiastków

bardzo „reaktywne” pierwiastki grupy I i II

gazy szlachetne, które mają zapełnione powłoki – są b.mało reaktywne

bardzo „reaktywne” pierwiastki grupy VI i VII

Page 15: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 16: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 17: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 18: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 19: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Orbital cząsteczkowy powstaje w wyniku nakładania się orbitali atomowych atomów tworzących wiązanie. Pozwala to traktować funkcję falową elektronu w cząsteczce jako liniową kombinację funkcji falowych opisujących orbitale atomowe:

Orbitale molekularne

Dla dwuatomowej cząsteczki takich samych atomów typu A2 rozwiązaniem

funkcji falowej elektronu w cząsteczce są dwie funkcje własne: orbital wiążący oraz orbital antywiążący.

Orbitale te różnią się energią, przy czym orbital wiążący charakteryzuje się mniejszą energią od wyjściowych orbitali atomowych, a orbital antywiążący większą

Page 20: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

W przypadku atomów, które tworzą wiązania z udziałem orbitali atomowych s – s, s - p lub współliniowo leżących orbitali p (p

y – p

y; oś y jest kierunkiem zbliżania się atomów) powstaje

wiążący orbital cząsteczkowy s i antywiążący orbital cząsteczkowy s*

Orbital wiążący s charakteryzuje się zwiększoną gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami. Para elektronów zajmująca ten orbital nosi nazwę wiążącej i tworzy trwałe wiązanie.

Orbital antywiążący s* charakteryzuje się mniejszą gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami, co powoduje, że jądra atomów odpychają się.

Orbitale molekularne

Page 21: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Przykład :

Cząsteczka H2 powstaje w wyniku utworzenia orbitalu cząsteczkowego z orbitali 1s atomów

wodoru.

Przez nałożenie się dwu orbitali atomowych powstają dwa orbitale cząsteczkowe s i s*. W cząsteczce wodoru obydwa elektrony obsadzają orbital o niższej energii, a orbital s* pozostaje nie zajęty.

W czasie tworzenia wiązania wydziela się energia (energia wiązania), a układ jest trwały ze względu na uzyskanie uprzywilejowanego stanu energetycznego charakteryzującego się minimum energii.

Podczas tworzenia się hipotetycznej cząsteczki He2, powstałyby orbitale cząsteczkowe s i s*,

które zostałyby zajęte przez cztery elektrony 1s2 obu atomów helu.

Utworzyłby się układ, w którym ilość elektronów na orbitalu wiążącym i antywiążącym byłaby taka sama. To nie spowodowałoby obniżenia energii układu, ponieważ suma energii orbitalu s i s* nie jest mniejsza od sumy energii orbitali atomowych 1s2.

Zatem cząsteczka He2 nie może być trwała, czego skutkiem jest występowanie helu tylko w

postaci atomowej.

Orbitale molekularne

Page 22: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,

Wiązania chemiczne realizowane za pomocą elektronów orbitali px lub p

z powstające przez

boczne nakładanie się tych orbitali (oś y jest kierunkiem zbliżania się atomów) polegają na utworzeniu się wiążących i antywiążących orbitali cząsteczkowych p i p*. Z orbitali p

x dwóch

atomów powstają dwa molekularne orbitale: p i p*. Podobnie jest w przypadku orbitali pz.

Przestrzenny kształt orbitali wiążących :

Kolejność zapełniania orbitali molekularnych, wynika z ich energii, która wzrasta zgodnie ze schematem:

Orbitale molekularne

Page 23: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 24: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 25: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 26: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 27: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 28: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 29: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 30: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 31: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 32: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 33: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 34: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 35: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 36: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 37: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 38: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 39: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 40: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 41: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 42: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 43: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 44: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 45: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 46: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 47: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 48: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 49: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,
Page 50: Wiązania atomowe - Warsaw University of Technologymalys/fiz4-2016-w09-Wiazania-atomowe.pdf · 2016. 5. 11. · Wiązania atomowe Atomy wieloelektronowe, obsadzanie stanów elektronowych,