Poolittomista ja polaarisista molekyyleistä

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

H2O eli vesimolekyyli on voimakkaasti polaarinen, koska happi elektronegatiivisempana vetää yhteisiä sidoselektroneja enemmän luokseen ja näin vetyjen protonit jäävät hieman "paljaiksi", josta aiheutuu että molekyyli on dipoli eli sillä on + ja - päät. Lisäksi molekyylin atomit muodostavat muistaakseni 104 asteen kulman.

CO2 eli hiilidioksidi onkin pooliton, vaikka silläkin olisi edellytykset polaarisuuteen: happi on elektronegatiivisempi kuin hiili. Miksi CO2 ei ole polaarinen (eikö hiiliatomi pääse keskimmäisenä niin hyvin vaikuttamaan ympäristöönsä, kuin mitä se pääsisi H2O:n kaltaisessa molekyylissä?), kuten vesi ja miksi molekyyli on sauvamainen eikä bumerangi?

Määrääkö molekyylin muodon se, että mistä orbitaaleista atomit ovat sitoutuneet toisiinsa?

Kommentit (2)

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26834
Liittynyt16.3.2005
Tamu
H2O eli vesimolekyyli on voimakkaasti polaarinen, koska happi elektronegatiivisempana vetää yhteisiä sidoselektroneja enemmän luokseen ja näin vetyjen protonit jäävät hieman "paljaiksi", josta aiheutuu että molekyyli on dipoli eli sillä on + ja - päät. Lisäksi molekyylin atomit muodostavat muistaakseni 104 asteen kulman.

CO2 eli hiilidioksidi onkin pooliton, vaikka silläkin olisi edellytykset polaarisuuteen: happi on elektronegatiivisempi kuin hiili. Miksi CO2 ei ole polaarinen (eikö hiiliatomi pääse keskimmäisenä niin hyvin vaikuttamaan ympäristöönsä, kuin mitä se pääsisi H2O:n kaltaisessa molekyylissä?), kuten vesi ja miksi molekyyli on sauvamainen eikä bumerangi?




Ero on juuri tuossa kulmassa. Keskimmäinen atomi muodostaa dipolimomentit, jotka suuntautuvat kohti ääriatomeja. 180 asteen kulmalla dipolimomenttivektorit ovat vastakkaissuuntaiset ja kumoavat toisensa, kun taas 104 asteen kulmassa niiden resultantti poikkeaa nollasta.


Määrääkö molekyylin muodon se, että mistä orbitaaleista atomit ovat sitoutuneet toisiinsa?

Karkeasti ottaen kyllä.

Lisätään vähän. Hapella on kaksi p-orbitaalia, jolla on vain yksi elektroni. Ne ovat kohtisuorass toisiaan vastaan. Kolmas p-orbitaali on myös kohtisuorassa kahta muuta avstaan. mutta sillä on kaksi elektronia, mikä on maksimimäärä. Vetyatomit sitooutuvat vajaille orbitaaleille. Kulma olisi 90 astetta, mutta elektropositiiviset vety-ytimet hylkivät toisiaan sen verran että sidokset vääntyvät sen 14 astetta.

Hiilen orbitaaleilla on enenmmän tilaa, neljä paikkaa. Jostain syystä on energeettisesti edullista, että hiili muodostaa sp-hybridiorbitaaleja, jotka ovat kvanttimekaanisia lineaarikombinaatioita s- ja p- orbitaaleista. Neljä sellaista orbitaalia suuntautuu ytimestä tetraedrin kulmiin, ja kullakin on yksi elektroni. Hiilidioksidissa happi sitoutuu kaksoissidoksilla robitaalipareihin. Tetraedrin symmetrian vuoksi happiatomit asettuvat vastakkaisiin suuntiin.

Noin niinkuin karkean kansantajuisesti. Joku kemisti selittäköön miten asiat oikeasti ovat.

hmk
Seuraa 
Viestejä867
Liittynyt31.3.2005
Neutroni


Määrääkö molekyylin muodon se, että mistä orbitaaleista atomit ovat sitoutuneet toisiinsa?



Karkeasti ottaen kyllä.

Lisätään vähän. Hapella on kaksi p-orbitaalia, jolla on vain yksi elektroni. Ne ovat kohtisuorass toisiaan vastaan. Kolmas p-orbitaali on myös kohtisuorassa kahta muuta avstaan. mutta sillä on kaksi elektronia, mikä on maksimimäärä. Vetyatomit sitooutuvat vajaille orbitaaleille. Kulma olisi 90 astetta, mutta elektropositiiviset vety-ytimet hylkivät toisiaan sen verran että sidokset vääntyvät sen 14 astetta.

Hiilen orbitaaleilla on enenmmän tilaa, neljä paikkaa. Jostain syystä on energeettisesti edullista, että hiili muodostaa sp-hybridiorbitaaleja, jotka ovat kvanttimekaanisia lineaarikombinaatioita s- ja p- orbitaaleista. Neljä sellaista orbitaalia suuntautuu ytimestä tetraedrin kulmiin, ja kullakin on yksi elektroni. Hiilidioksidissa happi sitoutuu kaksoissidoksilla robitaalipareihin. Tetraedrin symmetrian vuoksi happiatomit asettuvat vastakkaisiin suuntiin.

Noin niinkuin karkean kansantajuisesti. Joku kemisti selittäköön miten asiat oikeasti ovat.

Ottamatta kantaa atomien ja molekyylien rakenteen ontologiaan, tosiolevaiseen luonteeseen, niin todettakoon että kemiassa molekyylien elektronirakennetta ja sitoutumista voidaan kuvata tapauksesta ja käyttötarkoituksesta riippuen monilla eri tavoin. Yhteistä niille on se, että useimmat ko. teoriat perustuvat kvanttimekaniikkaan.

Tuo yllä kuvaamasi tapa lienee koko lailla ns. valenssisidosteorian (valence bond theory, VB) mukainen. Sen käsitteitä käytetään paljon mm. fysikaalisen ja/tai orgaanisen kemian oppikirjoissa, kun tarkoituksena on sanallisesti ja visuaalisesti havainnollistaa atomien sitoutumista. Käsitteet hybridisaatio, vapaa elektronipari, sigma- ja piisidos liittyvät olennaisesti VB-teoriaan. Orgaanisten molekyylien rakennetta ja reaktioita voidaan usein intuitiivisesti perustella ko. viitekehyksessä.

Varsinaisessa laskennallisessa kemiassa VB-teoriaa ei kovin paljon käytetä; laskut perustuvat useimmiten johonkin molekyyliorbitaaliteoriaan (molecular orbital theory, MO) kuten Hartree-Fock tai sen johdannaiset. Nämä laskut eivät yleensä anna tuloksena mitään kahden atomin välisiä sigma- tai pii-sidoksia etäisestikään muistuttavia orbitaaleja, vaan saadut sitovat molekyyliorbitaalit liittyvät koko molekyyliin. Kuvia metaanin MO:ista löytyy vaikkapa seuraavasta linkistä:

metaanin MO:t.

Sitten on vielä tiheysfunktionaaliteoria (density functional theory, DFT), jota ei ilmeisesti luokitella kumpaankaan em. kategoriaan, ja Atoms in Molecules -tyyppiset tarkastelut, joista ainakin ensimmäistä käytetään nykyään laajalti laskennallisessa kemiassa.

Käsittääkseni kaikkien edellämainittujen teorioiden antama kuva molekyylin elektronirakenteesta on hieman erilainen, mutta ilmeisesti havaittavien suureiden arvot ovat silti jotakuinkin samat (kunhan laskuissa ei approksimoida liikaa). Siis vaikka yksittäiset orbitaalit olisivatkin erilaisia kahdessa teoriassa, niin ongelmaa ei ole, jos kumpikin teoria antaa saman energian, kokonaiselektronitiheyden (mitattavissa röntgendiffraktiolla), jne.

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

Uusimmat

Suosituimmat