Hiukkasten geometrisen muodon ennustaminen: atomiorbitaalien hybridisaation ja molekyylien avaruusrakenteen tarkastelu

TEMA6. Partikkelien geometrisen muodon ennustaminen.
Keskustelu:

1. Mitkä kovalenttisten sidosten ominaisuudet ovat sinulle tuttuja?

2. Mikä kovalenttisen sidoksen ominaisuus määrittää partikkelien avaruudellisen konfiguraation (geometrian)?
   Molekyylien avaruusrakenteen kuvaamiseen on kätevin käyttää atomiorbitaalien hybridisaatiomallia, jonka ehdotti amerikkalainen tiedemies L. Pauling.

3. Mikä on atomiorbitaalien hybridisaatio?

4. Mitkä hybridisaatiotyypit tunnet?

II. Oppilaiden tietojen yleistäminen ja järjestäminen.

1. Itsenäisen työn tehtävät: Tarkastelkaa partikkelien avaruuskonfiguraatioita:

2. Beilliumfluoridi – BeF2.
   Kuva 1. Beilliumfluoridin molekyylin elektronirakenne.

sp-hybridisaatio AO; 2 σ-sidosta
BeF2-molekyyli on lineaarinen, väli-ulkokulma on 180°.
2. Boorikloridi – BCl3.
Kuva 2. Boorikloridin molekyylin elektronirakenne.

sp2-hybridisaatio AO; 3 σ-sidosta
BCl3-molekyyli on tasomainen, kolmiomainen, väli-ulkokulma on 120°.
3. Metaani – CH4.
Kuva 3. Metaanimolekyylin elektronirakenne.

sp3-hybridisaatio AO; 4 σ-sidosta
CH4-molekyyli on tetraedrinen, väli-ulkokulma on 109°28'.
4. Ammoniakki – NH3.
Kuva 4. Ammoniakkimolekyylin elektronirakenne.

sp3-hybridisaatio AO; 3 σ-sidosta
NH3-molekyyli on säännöllinen pyramidi, väli-ulkokulma on 107°03'.
5. Vesi – H2O.
Kuva 5. Vesimolekyylin elektronirakenne.

sp3-hybridisaatio AO; 3 σ-sidosta
H2O-molekyyli on kulmainen, väli-ulkokulma on 104°05'.
6. Eteeni – C2H4.
Kuva 6. Eteenimolekyylin elektronirakenne.

sp2-hybridisaatio AO
C2H4-molekyyli on tasomainen, kolmiomainen, väli-ulkokulma on 120°.
2. Taitojen kehittäminen atomiorbitaalien hybridisaatiotyypin ja partikkelien geometrian määrittämisessä.
Tehtävä. Molekyylien rakenteen määrittämiseksi kaasumaisessa faasissa käytetään joskus elektronografia-menetelmää, joka mahdollistaa ydinvälimatkojen määrittämisen molekyylissä elektronien joustavan sironnan voimakkuuden perusteella. Kokeellisten tietojen mukaan NCl3-molekyylin ydinvälimatkat ovat: r(N-Cl) = 0,176 nm, r(Cl-Cl) = 0,283 nm. Määritä, minkälaisen geometrisen muodon atomiytimet muodostavat tässä molekyylissä. Mikä hybridisaatiotyyppi keskeiselle atomille kuvaa tätä molekyylin rakennetta?
Ratkaisu: Kaikki kolme N-Cl-sidosta NCl3-molekyylissä ovat samanlaisia. Molekyyli voi olla säännöllinen kolmio, jos typpiatomi sijaitsee kolmen klooriatomin muodostamassa tasossa:
Kuva 7. Typpikloridin molekyylin elektronirakenne.
Jos typpiatomi on tämän tason ulkopuolella, molekyyli on kolmionmuotoinen pyramidi.
Ensimmäisessä tapauksessa kulma sidosten välillä on ∠Cl-N-Cl = 120°, toisessa tapauksessa ∠Cl-N-Cl ≠ 120°.
Tämän kulman määrittämiseksi tarkastellaan tasasivuista kolmiota ΔCl-N-Cl.
Kosinuslauseen mukaan:
r(Cl-Cl)^2 = r(N-Cl)^2 + r(N-Cl)^2 - 2r(N-Cl)^2cos(∠Cl-N-Cl), josta
cos(∠Cl-N-Cl) = 1 - 0,283^2 / (2·0,176^2) = -0,293; cos(∠Cl-N-Cl) = 107°
Tämä tarkoittaa, että molekyyli on kolmionmuotoinen pyramidi. Keskusatomilla on sp-hybridisaatio.
Vastaus: Kolmionmuotoinen pyramidi.
sp3-hybridisaatio.

III. Oppitunnin yhteenveto. Kotitehtävä.

1. Tarkastelkaa SF6-, BF3- ja C2H2-partikkelien avaruuskonfiguraatioita.

2. Ratkaiskaa tehtävä: elektronografisen kokeen tietojen mukaan B-I3-molekyylin ydinvälimatkat ovat: r(B-I) = 0,210 nm. Määritä, minkälaisen geometrisen muodon atomiytimet muodostavat tässä molekyylissä. Määritä keskeisen atomin hybridisaatiotyyppi.