Molekulák szerkezete és kötései

Hibridizáció és Kémiai Kötések Általánosan

• Atomok közötti kapcsolat kétféleképpen jöhet létre: töltéskölcsönhatással vagy pályakölcsönhatással.
• A szerves és biokémiában a szénvegyületeknek van fontos szerepük.

Töltéskölcsönhatás

• Egyik atom elektront ad át a másiknak, így ellentétes töltésű ionok jönnek létre, melyeket elektrosztatikus vonzás tart össze.
• Ez ionviszony, mely nagy elektronegativitás-különbségű atomok közt alakul ki a periódusos rendszer két végén.
• Például, klorid anion és nátrium kation jön létre, melyek nemesgáz-konfigurációval rendelkeznek (lezárt elektronhéj).
• Főként szervetlen vegyületekre jellmező de sókban szerves vegyületeknél is előfordul.

Pályakölcsönhatás

• Atompályák kombinálódnak és a kialakuló molekulapályák egy részét elektronok töltik be.
• Elektron kettős természettel rendelkezik (részecske és hullám), a kémiai kötés értelmezésénél a hullámjelleget tartjuk szem előtt.
• Az elektron tulajdonságait a hullámfüggvény írja le, melynek négyzete az elektron tartózkodási valószínűségét adja meg.
• A tér azon pontjainak összességét, ahol az elektron nagy valószínűséggel tartózkodik, elektronpályának vagy orbitálnak nevezzük.

Az Elektronpályák Tulajdonságai

• Meghatározott energiaszinteket képviselnek.
• A hullámfüggvény és az energiaérték között a Schrödinger-egyenlet állapít meg összefüggést.
• A hullámfüggvény négyzete az elektron tartózkodási valószínűségét adja meg.
• Szögkoordináták szerepelnek benne, ezért pozitív vagy negatív fáziselőjelük van mely nem összetévesztendő az elektromos töltéssel.
• Ha a pályán elektron tartózkodik, az egésze negatív töltésű lesz, kivéve a csomósíkokat.
• Ellentétes fáziselőjelű részeit csomósíkok választják el, ahol az elektron tartózkodási valószínűsége nulla, számuk emelkedésével a pálya energiaszintje is emelkedik.

Molekulapálya Elmélet és Atompályák

• Azokat az elektronpályákat, amelyek egyetlen atommaghoz tartoznak, atompályáknak nevezzük, alakjuk különböző lehet.
• Az s pályákon az elektroneloszlás gömbszimmetrikus, és nincs csomósík.
• A p pályákon az elektroneloszlás súlyzó felülethez hasonló, egy csomósíkot tartalmaz és tengelye körül 180°-kal elforgatott.
• Az elemek legkülső elektronhéján egy s és (az első periódus kivételével) három p pálya van tengelyeik egymásra merőlegesek.

Molekulapályák

• Atompályák kombinálódásából jönnek létre.
• Legalább két atommagot vesznek körül, betöltésük 0, 1, vagy 2 elektronnal lehetséges.
• Ha atompályák kombinálódnak és molekulapályákat elektronok töltik be, kovalens kötés jön létre.
• Azonos fáziselőjelű kombinációnál (kötő kölcsönhatás) kötő pálya jön létre, melynek energiaszintje alacsonyabb, mint a kombinálódó atompályáké.
• Ellentétes fáziselőjelű kombinációnál (lazító kölcsönhatás) lazító pálya alakul ki, melynek energiaszintje magasabb a kombinálódó atompályákénál
• Fontos: energiaváltozás csak akkor lép fel, ha a pályára jut elektron.
• Stabilis szerkezet akkor jön létre, ha a kötő kölcsönhatások nagyobbak a lazító kölcsönhatásoknál.
• Mindig annyi molekulapálya jön létre, ahány atompálya kombinálódik.
• Minél kisebb a kombinálódó atom pályák közti energiakülönbség, annál alacsonyabb a kötő pályák energiaszintje és erősebb a kölcsönhatás.

Szigma Kötések

• Két hidrogénatom egy-egy s pályája kombinálódik egy kötő és lazító molekulapályát létrehozva.
• Mivel mindegyik hidrogénatom egy elektronnal rendelkezik, csak a kötő pálya lesz betöltve így a dihidrogén stabilisabb mint a hidrogénatomok külön-külön.
• Az elektronsűrűség a két atommag között, a két atommagot összekötő egyenes körül maximális ("hengerszimmetrikusan").
• Az ilyen pályákat o-pályáknak, a kötéseket σ-kötéseknek nevezzük.
• A lazítópályára elektron csak akkor kerülhet, ha annyi energiát közlünk, amennyi a kötő és lazító pálya energiájának különbsége, ezt gerjesztett állapotnak hívjuk..

Elektronpályák Általában

• Kémiai történések az atomok elektonhéjában bekövetkező változások eredményei.
• Mivel a molekulákat atomok építik fel, kémiai tulajdonságaikat az őket felépítő atomok elektronhéj-szerkezetében fellépő változásokkal értelmezzük
• Az elektron kettős természetű, ezért kémiai tulajdonságok értelmezésénél elsősorban hullámtulajdonságot vesszük fegyelembe.
• A hullámfüggvény grafikus ábrázolása az elektronpálya vagy orbitál mely meghatározott szimmetriatulajdonságokkal rendelkezik, pl egy adott pálya forgatási vagy tükrözési szimmetriaelemre nézve lehet szimmetrikus, vagy antiszimmetrikus (ellentétesen szimmetrikus)

Atompályák és Molekulapályák

• Monocentrikus pályák egyetlen atommagot vesznek körül, pl hidrogénatomot körülvevő egyetlen gömbszimmetrikus, más néven s pálya
• A szénatom K elektronhéját szintén egy s pálya alkotja.
• Az L héjon van egy s és három, egymásra merőleges irányítottságú és hengerszimmetrikus p pálya.
• Sok dolog értelmezéséhez azonban úgy tekinthetjük a szénatom pályáit mintha ezek az s és p pályák kombinálódnának és négy ekvivalens tetraéderes irányítottságú pálya (sp³ hibridpálya) jönne létre (pályahibridizáció).
• Ugyancsak monocentrikus atomi pályák a magános elektronpárokat tartalmazó úgynevezett n pályák is.
• A szerves vegyületekben található kovalens kötéseket több atomot körülvevő molekulapályák hozzák létre melyeket atompályák lineáris kombinálódásaként kell elképzelni.

A Molekulapályák Kialakulása

• A kérdéses molekulapálya felépítésében az adott atompályák úgynevezett pályakoeffeciensek mértékben vesznek részt.
• Az egyes atompályák kétféleképpen kombinálódhatnak.
• Azonos fáziselőjelű kombináció esetén a molekulapálya energiaszintje alacsonyabb a kombinálódó atompályák energiaszintjénél (kötőpályák)
• Ellentétes fáziselőjelű kombinálás esetén a molekulapálya energiaszintje magasabb, mint a kombinálódó atompályáké (lazítópályák).
• Az elektronok tartózkodási valószínűségét az egyes molekulapályákon a pályafüggvény négyzete mutatja.

Molekulapályák Csoportosítása

• Dicentrikus pályák: két atompálya kombinálódásával jönnek létre, és csak két atommagot vesznek körül.
• Delokalizált pályák: kettőnél több atommagot vesznek körül.
• Tulajdonságaik a p atompályák kombinálódásával értelmezhetők.
• Mindig annyi molekulapálya jön létre, ahány atompálya kombinálódik.
• Az atompályák ismét azonos vagy ellentétes előjelű pályarészeikkel kombinálódnak.

Hibridizáció a Metánban

• A szerves- és biokémiában a szénvegyületeknek („szerves vegyületek"-nek) van fontos szerepük ezért a legegyszerűbb szerves vegyületben, a metánban a kötésviszonyokat vizsgáljuk.
• A metánt 1 szénatom és 4 hidrogénatom építi fel.
• Mivel a hidrogénatomok egymást taszítják, egymástól legtávolabb igyekeznek elhelyezkedni a szénatom körül tetraéderes elrendeződésben.
• A szén 1. (K) héjának egyetlen s pályáját a kölcsönhatások vizsgálatánál figyelmen kívül hagyhatjuk mert energiaszintje annyira alacsony így számottevő kölcsönhatás nem jön létre.

A Kötések Kialakulása

• Az ábrákon az elektronpályákat vízszintes vonalakkal, a rajtuk elhelyezkedő elektronokat pedig nyilakkal jelöljük.
• A 8 atompálya kombinációjából 8 molekulapálya jön létre, melyek közül 4 kötő és 4 lazító pálya (ellenkötő pálya).
• A szénatom s és p pályáinak energiaszintjei különbözőek, és így a metán kötő molekulapályáinak energiaszintjei sem azonosak.
• A szénatom 2. (L) héján 4 elektron van (vegyértékelektronok), a 4 hidrogénatom pedig egy-egy elektronnal rendelkezik és a 8 elektron a kötő-molekulapályákat tölti be.
• Amennyiben egy kémiai reakcióban a metán hidrogénatomjai ekvivalensek úgy is felfoghatjuk, mintha a szénatom s pályája és a 3 p pályája összekeveredett volna (hibridizált) és a szétválás után kialakuló 4 új keverék pálya (hibridpálya) egy-egy hidrogénatom s pályájával kombinálódna.
• Ennek eredményeként 4 egymás között azonos energiaszintű σ kötő és ugyanilyen típusú lazítópálya jön létre.

További Összefüggések

• Az s és p pályák keveredéséből kialakuló hibridpályák alakja hasonlít a p pályákéhoz (hengerszimmetrikus), de egyik térfele nagyobb, mint a másik.
• Az s és sp³ hibrid atompályák kombinálódásából σ és σ* pályák jönnek létre.
• A pályahibridizációs modell a metán legtöbb tulajdonságának az értelmezéséhez megfelelő ezért ezen túl ezt fogjuk használni.

Az Etán Szerkezete

• A szén-hidrogén kötések kialakulása a metáéhoz hasonlóan s és sp³ hibridpályák kombinációjával és elektronokkal történő betöltésével értelmezhető.
• A szénatomok közötti szigma kötés két sp³ hibridpálya kombinálódása és a kötő pálya két elektronnal történő betöltődése révén alakul ki (C–C kötés).
• A nitrogén és oxigén atomok is sp³ hibridállapotúnak tekinthetők. Az ammóniában egy, a vízben pedig két olyan sp³ hibrid atompálya marad mely nem kombinálódik más atompályával (nemkötő atompálya) és betöltött (magános elektronpárral).
• A nemkötő atompályának nagy jelentősége van a molekulák közötti kölcsönhatásokban.

Datív Kötés

• Az ammónia nemkötő pályája kombinálódhat egy pozitív töltésű hidrogén ion (proton) üres s pályájával, egy s-sp³ kötő és lazító σ pálya kialakulása közben melhez az két elektront a nitrogénatom adja és a kialakuló ionnak pozitív töltése lesz.
• Ezt a kötést datív kötésnek hívjuk, mely jellegében nem különbözik a másik három N-H kötéstől, a név csupán az elektronok eredetére utal.
• A vízmolekula is fel tud venni protont ilyenkor hidroxónium ion jön lére, savak vizes oldatában a proton sosem csupaszon, hanem hidroxónium ion formájában van jelen.
• A nitrogén és az oxigén nemkötő elektronpárja gyenge kötést létesíthet nitrogénhez, vagy oxigénhez kovalens kötéssel kapcsolódó hidrogénatommalis.
• A kialakuló hidrogénhíd kötési energiája sokkal gyengébb a normális kovalens kötésnél de az egyes molekulák között gyenge összekötő erőt képvisel.
• Hidrogénhíd nemcsak azonos, hanem különböző funkciós csoportok között és molekulán belül is kialakulhat.
• Különösen gyakori az, amikor a hidrogéndonor hidroxi (OH) vagy amino (NH2 vagy NH) csoport, az akceptor pedig karbonil (C=O), vagy karbimino (C=N) csoport.
• A hidrogénhidaknak a biológiai és biokémiai folyamatokban és vegyületekben igen nagy jelentőségük van, pl peptidekben és nukleinsavakban.

Az Etén Szerkezete

• A két szénatomot tartalmazó etén molekulában a szénatomokhoz csak két-két hidrogénatom fűződik és a szénatomok kettőskötéssel kapcsolódnak össze.
• A szerkezet értelmezéséhez feltételezzük, hogy a szénatomok nem sp³, hanem sp² hibridállapotban vannak (az s pálya csak két p pályával keveredik).
• A C–H kötések s és sp² pályák, a C=C σ-kötés sp² hibridpályák kombinálódásával és a kötőpályáknak két-két elektronnal történő betöltődésével jönnek létre.
• A szomszédos szénatomok nem hibridizált p pályái, amennyiben tengelyük párhuzamos, kombinálódnak.
• Kombinálódásuk eredménye egy kötő- és egy lazítópálya, a kötőpálya két elektronnal van betöltve (π-pályák, a kötést π-kötéseknek mondjuk).
• A π-pályákon a σ-pályáktól eltérően az elektronok nem a két atomot összekötő egyenes mentén hengerszimmetrikusan, hanem az atommagok által meghatározott sík fölött és alatt.
• A szén-szén kettőskötés tehát egy σ-kötés és egy π-kötés kombinációjaként értelmezhető, viszont utóbbi előbbi szétbomlásával kezdődik

Vegyértékszögek És Telítetlen Kötések

• Az sp² hibridállapotú atom körül a vegyértékszögek lényegesen megváltoznak és az atomok térbeli elrendeződése síktrigonális lesz.
• Mivel a π-pályák párhuzamosan állnak, a telítetlen kötésben résztvevő, valamint a hozzájuk tartozó π-kötés pályái erre a síkra merőlegesek.
• Kettőskötés nemcsak szénatomok, hanem szén és oxigén vagy nitrogén atomok között is kialakulhat.

Az Acetilén Szerkezete

• Az ugyancsak két szénatomot tartalmazó acetilénben csak két hidrogénatom van és a két szénatom hármas kötéssel kapcsolódik egymáshoz.
• Szerkezetének értelmezéséhez feltételezzük, hogy a szénatomok sp hibridállapotban vannak, egy-egy szénatomban csak egy s és egy p pálya keveredik.
• A szén-hidrogén σ-kötések egy sp és egy s pálya, a C–C kötések sp hibridpályák kombinálódása és a kötőpályáknak két elektronnal történő betöltődése révén alakulnak ki.
• Az így kialakuló kötések síkja egymásra merőleges, tehát egymással nincsenek kapcsolatban.
• A hármas kötés tehát egy σ és két π-kötésből áll, az acetilén hármas kötés körüli geometriája lényegesen eltér az eténétől, mivel a H–C–C kötés szöge 180° és valamennyi atom egy egyenesben van.

π Elektronszerkezetek

• A legegyszerűbb, delokalizált molekulapályákat tartalmazó szerkezet az allilcsoport, mely három sp² hibridállapotú szénatomból épül fel, melyek mindegyike három σ-kötést létesít hidrogénatomokkal, vagy szomszédos szénatomokkal.
• Mindegyik szénatomnál fennmarad egy hibridizálatlan p elektronpálya, e három atompálya pedig három delokalizált molekulapályává kombinálódik.
• A molekulapálya kialakításában a középső szénatom p pályája nem vesz részt, a molekulapályának e helyen csomósíkja van.
• Ha a molekulapálya energiája megfelel a kombinálódó p pályák energiaszintjének, ezt (molekuláris) nemkötő pályának nevezzük.
• Az allil csoportok szerkezete nem írható le egyetlen klasszikus szerkezeti képlettel (ezek a képleteket határszerkezeteknek nevezzük).
• A határszerkezetek nem létképesek a molekula valódi szerkezete e határszerkezetek közé esik.

A Pentadienil Csoport Szerkezete

• Öt p pálya ötdelokalizált molekulapályát alkot benne. A csomósíkok száma a pályák energiaszintjével emelkedik.
• A középső pálya (az allilcsoport középső pályájához hasonlóan) nemkötő pálya.
• A molekulapályáknál a nemkötő részecskék a páratlan atomoknál jelentkeznek elsősorban, ezek az aktív helyzetek.

Molekulapályák Összefoglalóan

• Mindig annyi molekulapálya képződik, ahány atompálya kombinálódott, fele kötőpálya, fele lazítópálya (ellenkötő pálya).
• Ha páratlan számú molekulapálya jön létre, akkor egy pálya nemkötő molekulapálya, energiaszintje megfelel a kombinálódó atompályák energiaszintjének
• A nemkötő pálya felépítésében csak a páratlan számú atomoktól származó p pályák vesznek részt.
• A molekulapályák számának növekedésével az energiaszint-különbségek csökkennek.
• A legmagasabb betöltött molekulapálya (highest occuped molecular orbital, HOMO) és a legalacsonyabb üres molekulapálya (lowest unoccuped molecular orbital, LUMO) fontos (frontális pályák).
• Fénybesugárzás hatására elsősorban a HOMO pályáról megy át elektron a LUMO pályára így minél kisebb a két pálya közti energiakülönbség, annál kisebb energiájú fény váltja meg ezt az átmenetet.
• Az egy magános elektront tartalmazó pályát egyszeresen betöltött molekulapályának (singly occupied molecular orbital, SOMO) nevezzük mely gyökök esetében fordul elő

Izokonjugáció

• A formátion és az allilanion, az acetilén egyaránt izokonjugáltak, hasonló π-kötés- és π-pályarendszerrel rendelkeznek. A két vegyület delokalizált rendszerének közös vonásai:
  • azonos számú atom
  • azonos módon (lineárisan) kapcsolódik egymáshoz
  • és azonos számú elektront tartalmaz a delokalizált pályák
• A delokalizált pályákon azok az elektronok vannak, melyek elhelyezése a határszerkezetekben változik.

Mezomer Határszerkezet

• Még ha a hangyasav lead is egy H+ kation akkor benne formálisan az egyik oxigénatom kettős, a másik egyes kötéssel kapcsolódik a szénatomhoz:
• Ha a kötéstávolság mérések azt mutatják, hogy a hangyasavban az egyik szén-oxigén kötés távolsága 120 pm, a másiké pedig 134 pm, akkor mindkét kötés távolsága azonos és az előbbi értékek közé esik.
• Az azt jelenti, hogy a molekulaszerkezete egyik klasszikus szerkezettel sem írható le hanem kéttel (ezeket a képleteket határszerkezeteknek nevezzük).
• Formiátionban a szénhez egy hidrogénatom és két oxigénatom kapcsolódik. Itt a kötésvázat a hidrogién s pályája, a szén 3 sp² , és két oxigén egy sp² áltat alkotott o rendszer adja. Mindkét atomnál helye van két nemkötő betöltött pálya, és minden atomnak maradt egy hibridizált p . Ennek végeredménye, hogy kötő kölcsönhatás van, mert két pálya van köztük kötelékben, a kombinálódó atomoknak van még egy összekötő a végső helyre. A szénatomtól 2 távoli, nem a szomszédos táptalajok származnak közte van a nem kötő pályán
• Mivel a vegyületben az összes o pálya el van helyezve a +4 ionnak ott kell maradnia, és a 2 pályán kell lennie azt tudjuk hogy nagyon nem találják az éppen oda való helyet. Egy Mezomer szerkezet felírásának további szempontjai:
  • Minden szerekezet legyen korrekt
  • Minden határszerkezetben az atommagok helye azons legyen
  • Az azons sikban legyenek aatomok azonosnknak kell lennie a nem paros elektronszamoknak

A mezomer határ szerezetek fajati és szempopnjai

- minden egyes mezoszerkezet jarul a valosagos szerkezethez

• a tobb kovalens kotes hatarban levo szerkezetek hozza vannak kapcolodva a terbeli szerkezetekhez
• a negativ töltést a nagyobb elektronegativitasu atomhoz rendeld
• A kotespolarizakci es a elektron effkekctes a szerves vegyuletekben fontos
• a keimai kotes nem csak ionos lehet hanem valammenyu polarais is
• A kotest alkoo tomok elektonos sulyoonjtai szabalyozak ahonnan a elekton eltolodasi indultak
• polarisak tobesegere szamitani lehet reszczleges elekrton tokeleteben Mindent ami egy szerves kemiahjozz tartozika az es ezek jön a kepbe A keimai reakciokban szervesen az lelektrom erodsege allitja elo

Az Elektromossag Mester fokozatai

• Ketto van
• A molekulan belul az induktiv effektus
• a teren athato

Az reakcooo

Egyes szerkezet es terem a kemiai reakcoknal

• Szustzicitio helyetitesitesssel Ha egy atom elmegy es nem jon vissza
• addicico ha keletzik egy nagy vegyu
• kicsit a reagensek hogyan viselkednek amivel megvalositani konvecio szeretisere
• Mindegy keimai tulajdonkeppen elektonok athangoladasa amia uj koteslre jon hetre es mezo kotes megszunéshez vezet valamilyem cex kotes három fele keppen modoon jon letre
• az elektonpárt nind a ketagajat az y elektofil regeans a folaymato eleepo
• az elktronokat kedveloz e regeans a belrepo regeans

Szerves keamia fontos jattasig

• az osze hangolt reszecsek nem be lehet szolasi szerves kotesek nem lehetnek harom tagug nem mehet a hiba
• a reakcoikat meg kel kulonbozztetni attol hogy redox vagy nem redos reaakoc a sorz reakoico mindog jon ha jon a nemkötő

Összefoglaló a molekulák stabil szerkezetének kialakulásáról, atompályák kombinációjáról és a molekulapályák közötti kölcsönhatásokról. Kitérünk a kötéstípusokra, a hibridizációra és a metán speciális tulajdonságaira is. A kvíz az elektron természetét és a szénatom hibridállapotait is érinti.