Hybridisaatiosta

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Hei, kyselen taas täällä yksinkertaisia juttuja.Yritän omatoimisesti siis lukea kemiaa ja törmäsin taas ongelmaan, en ymmärrä hybridisaatiota,sp3,sp2,sp...

Eli mistä tietää mitkä atomit muodostaa minkäkin hybridisaation?Mistä tietää mitä sidoksia ne muodostaa(sigma,pii)?Voiko joku myös selittää Hundin säännön kun en kirjan selitystä ymmärtänyt?Onko näiden ymmärtäminen pohja sille että osaa piirtää rakennekaavoja?

Kommentit (12)

Vierailija

Noista hybridisaatioista ymmärtää mitä siellä orbitaaleilla tapahtuu sidoksien muodostuksessa. Helpommin niistä rannekaavoista oikeastaan ymmärtää, kun ei ajattele hybridisaatioita.

myl
Seuraa 
Viestejä224
Liittynyt18.11.2010

Molekyylien elektronirakenne eli myös hybridisaatio selviää oppikirjasta.
Ei sitä voi paperilla varmasti selvittää.
Esim. hiili muodostaa sp2 (grafiitti) ja sp3 (timantti) -hybridisaatiot, silloin kun se on näissä olomuodoissa. Asian voi tarkistaa spektrimittauksilla tai kvanttikemiallisilla laskuilla, mutta ei siis kynällä ja paperilla.

Sigma- ja pii-sidosten merkintä kuvaa symmetriaa. Sigma-sidos on symmetrinen sidoksen akselin suhteen, pii-sidos ei ole. Sigma-sidos muodostuu s- ja pz -orbitaalien yhdistyessä (z on atomien välisen akselin suunta). Pii-sidos muodostuu, kun mukana on px tai pz -orbitaali eli orbitaali, joka ei ole symmmetrinen z-akselin suuntaan.

Nämä asiat selviävät kyllä oppikirjasta.

-myl

Vierailija

Mistä atomiorbitaalit tulevat?

Yliopistossa ja lukiossa atomiorbitaaleja kyllä piirrellään, mutta niiden syntymisen salat unohtuvat kerta toisensa jälkeen mainita. =)

Onko kysymys siitä, että elektroni ajatellaan aaltona ja tällöin sillä ilmenevät aaltoliikkeen ilmiöt. Kun useat aallot kiertävät atomin ydintä ne vahvistavat tai heikentävät toisiaan eri paikoissa ja aiheuttavatkin yllättäen mm. keilamaisia rakenteita, joita atomiorbitaaleiksikin kutsutaan.

Jos elektroni ajateltaisiin pelkästään hiukkasena mitään keilamaisia orbitaaleja ei muodostuisi ja elektronit kiertäisivät ydintä pallomaisilla kuorilla, kuten planeetat Aurinkoa. Todellisuus lienee jotain aaltojen ja hiukkasten väliltä. Elektroneillahan on sekä aalto- että hiukkasluonne.

Kuvasta herää uusia kysymyksiä. Pyörivätkö kuvassa esitetyt orbitaalit ytimen ympärillä vai pysyvätkö ne paikallaan?

Vierailija

Miksi H2 -molekyyli muodostuu? Miksi vedyt eivät chillaile yksinään, vaan ne hakeutuvat pareiksi?

Voiko tämänkin selittää elektronien aaltoluonteen avulla? Vetyatomin ydintä kiertää yksi elektroni pallomaisella (1s) orbitaalilla ja tällä elektronilla on luonnollisesti aaltoluonne. Toisessa vetyatomissa samanlainen aalto kiertää vetyatomin ydintä. Kun atomit lähestyvät, em. aallot tulevat toistensa vaikutuspiiriin, ne alkavat värähdellä samaan tahtiin, kuin kaksi resonoivaa äänirautaa ja tällöin aallot vahvistavat toisiaan atomien ydinten välissä. Tämän seurauksena elektronitiheys kasvaa ydinten välissä.

Seuraavaksi kehään astuvat Coulombin voimat. Ytimien välissä oleva negatiivisesti varautunut elektronipilvi vetää positiivisia ytimiä lähemmäksi toisiaan ja näin sitoo atomit toisiinsa. Syntyy ns. sitova molekyyliorbitaali.

Tämän ajatusketjun lähtöajatuksena on, että elektronipilvi syntyy atomien väliin aaltoliikkeen ilmiöiden seurauksena. Jos elektronit ajateltaisiin pelkästään hiukkasina, elektronipilveä ei muodostuisi ja saman merkkisen varauksen omaavat elektronit mieluummin hylkisivät toisiaan, kuin hakeutuisivat toistensa seuraan ytimien väliin.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26832
Liittynyt16.3.2005

Orbitaalit seuraavat kvanttimekaniikan luonnonlaista. Ne voidaan laskea tietylle systeemille ratkaisemalla Schrödingerin yhtälö. Atomille riittää ratkaista yksi monen hiukkasen Schrödingerin yhtälö (joka on jo heliumatomille haastava ongelma). Molekyyleille etsitään geometria, joka tuottaa minimienergian omaavan elektronirakenteen. Niin saadaan selville molekyylin avaruusrakenne ja elektronitilat. Mallin avulla voidaan ennustaa iso joukko mitattavissa olevia fysikaalisia ominaisuuksia, ja parhaimmillaan pieniä molekyylejä pystytään mallintamaan erittäin tarkasti. Isompia hieman karkeammin, koska laskenta vaatii rajusti tietokonetehoa. Vetyatomia lukuunottamatta elektronitilojen laskenta on liian vaativaa lukioon ja yliopiston peruskursseillekin. Aiheeseen liittyvillä edistyneemmillä kursseilla se kyllä opetetaan.

Klassinen fysiikka antaa selkeän ennusteen, että vetyatomia monimutkaisemmat atomit ja molekyylit ovat epästabiileja (kolmen kappaleen ongelma). Siksi se jo osoittaa, että klassinen fysiikka ei riitä kuvaamaan luontoa edes kvalitatiivisesti molekyylien maailmassa.

Vierailija

Niin Schrödingeriäpä hyvinkin.

Eikös Schrödingerin yhtälön perusajatuksena ole ajatella hiukkasia aaltoina ja
tällöin hiukkasilla tulee ilmi aaltoliikkeen ilmiöt. Hiukkasia tulee esiin yllättävissä paikoissa ja ne häviävät paikoista missä klassisen fysiikan mukaan niiden pitäisi olla. Esim kaksoisrakokokeen inerferenssikuvio tulee esiin elektroneilla.

Ainahan voi piiloutua teorian taakse ja sanoa, että ensin pitää ohjelmoida vuosi ja sitten katsoa mitä tapahtuu, mutta voi kai ilmiöitä ennustaa ilman numeroiden pyörittelyäkin?

Voiko siis ajatella, että sitovat molekyyliorbitaalit muodostuvat, kun elektronien aaltofunktiot vahvistavat toisiaan atomien ytimien välissä?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26832
Liittynyt16.3.2005
Jurtala
Ainahan voi piiloutua teorian taakse ja sanoa, että ensin pitää ohjelmoida vuosi ja sitten katsoa mitä tapahtuu, mutta voi kai ilmiöitä ennustaa ilman numeroiden pyörittelyäkin?

Voiko siis ajatella, että sitovat molekyyliorbitaalit muodostuvat, kun elektronien aaltofunktiot vahvistavat toisiaan atomien ytimien välissä?




Tuollaiset yksinkertaistukset ovat poikkeuksetta hyvin harhaanjohtavia. Ymmärrystä niillä ei voi edistää, mutta väärinkäytöksiä luodaan senkin edestä. Maailma ei valitettavasti ole niin yksinkertainen, että sen voisi ymmärtää edes välttävällä tarkkuudella maalaisjärjellä vaivaa näkemättä. Sillä ymmärryksen tasolla vety on kaasua, joka pihisee vuotaessaan pullosta ja pian sen jälkeen räjähtää iloisesti pamahtaen (tai vähemmän iloisesti, jos sattuu omistamaan sen kiinteistön jossa vety syttyy tai olemaan itse lähellä).

Esimerkiksi vetymolekyyli on neljän hiukkasen probleema, joka eroa hyvin oleellisesti vetyatomista. Tuollainen yksinkertaistus kahden vetyatomin tiloista, jotka jotenkin vahvistavat toisiaan, ei toimi. Se voi toimia jossakin mielessä, kun atomien etäisyys on niin suuri, että ne juuri ja juuri vaikuttavat toistensa elektronitiloihin, mutta kovalenttinen sidos on eri asia.

hmk
Seuraa 
Viestejä867
Liittynyt31.3.2005
Jurtala

Voiko siis ajatella, että sitovat molekyyliorbitaalit muodostuvat, kun elektronien aaltofunktiot vahvistavat toisiaan atomien ytimien välissä?



Sitovan molekyyliorbitaalin muodostuminen ei edellytä kahden (tai useamman) elektronin läsnäoloa. Esimerkiksi vetymolekyyli-ioni H2(+) sisältää vain yhden elektronin, mutta sen perustila on silti sidottu -- ainukainen elektroni on sitovalla molekyyliorbitaalilla. Molekyyliorbitaali on siis yksittäisen elektronin "tila", eli se kuvaa, miten elektroni on asettunut molekyylin ydinjoukon ympärille. MO ei ole mikään kahden (tai useamman) elektronin aaltofunktioiden "toisiaan vahvistava yhdistelmä".

Molekyyliorbitaalit rakennetaan kyllä usein atomiorbitaalien lineaarikombinaatioina (LCAO). Silti kukin LCAO-MO on "yksielektronitila", esimerkkinä vaikkapa tuon edellämainitun H2(+):n alimman energian LCAO-MO, joka on (minimikannassa) muotoa:

ψ = vakio*[1s(A) + 1s(B)]

missä 1s(A) ja 1s(B) ovat vetyihin A ja B keskitetyt 1s-orbitaalit. Osoittautuu, että tilassa ψ elektronin todennäköisyys löytyä ytimien A ja B välistä on kasvanut verrattuna tilanteeseen, jossa elektroni olisi puolet ajasta orbitaalilla 1s(A) ja puolet orbitaalilla 1s(B). Voidaan ajatella, että tämä johtuu 1s(A):n ja 1s(B):n konstruktiivisesta interferenssistä ytimien välisellä alueella.

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

Vierailija
hmk

Molekyyliorbitaalit rakennetaan kyllä usein atomiorbitaalien lineaarikombinaatioina (LCAO). Silti kukin LCAO-MO on "yksielektronitila", esimerkkinä vaikkapa tuon edellämainitun H2(+):n alimman energian LCAO-MO, joka on (minimikannassa) muotoa:

ψ = vakio*[1s(A) + 1s(B)]

missä 1s(A) ja 1s(B) ovat vetyihin A ja B keskitetyt 1s-orbitaalit. Osoittautuu, että tilassa ψ elektronin todennäköisyys löytyä ytimien A ja B välistä on kasvanut verrattuna tilanteeseen, jossa elektroni olisi puolet ajasta orbitaalilla 1s(A) ja puolet orbitaalilla 1s(B). Voidaan ajatella, että tämä johtuu 1s(A):n ja 1s(B):n konstruktiivisesta interferenssistä ytimien välisellä alueella.




Noniin... tässä ollaan nyt suurten kysymysten äärellä. Eli molekyylejä voidaan mallintaa kvanttimekaanisesti lisäilemällä ja vähentämällä atomiorbitaaleja toisiinsa.

Jos ymmärsin oikein, atomiorbitaali on synonyymi Schrödingerin yhtälön ratkaisuna saatavalle aaltofunktiolle. Tällöin orbitaaleja voidaan lisäillä tai vähentää yhteen, kuten hmk teki edellä. Usein kuitenkin kuulee sanottavan, että atomiorbitaali kuvaakin elektronin todennäköisyystiheyttä, eli aaltofunktion neliötä. Kumpaa näistä orbitaalilla tarkoitetaan?

hmk
Seuraa 
Viestejä867
Liittynyt31.3.2005
Jurtala

Noniin... tässä ollaan nyt suurten kysymysten äärellä. Eli molekyylejä voidaan mallintaa kvanttimekaanisesti lisäilemällä ja vähentämällä atomiorbitaaleja toisiinsa.

Jos ymmärsin oikein, atomiorbitaali on synonyymi Schrödingerin yhtälön ratkaisuna saatavalle aaltofunktiolle. Tällöin orbitaaleja voidaan lisäillä tai vähentää yhteen, kuten hmk teki edellä. Usein kuitenkin kuulee sanottavan, että atomiorbitaali kuvaakin elektronin todennäköisyystiheyttä, eli aaltofunktion neliötä. Kumpaa näistä orbitaalilla tarkoitetaan?




Yleensä elektroniorbitaalilla todellakin tarkoitetaan atomin tai molekyylin elektronisen Schrödingerin yhtälön (tai esim. Hartree-Fockin yhtälön) yksielektronista ratkaisua, ja todennäköisyystiheys saadaan laskemalla ko. orbitaalin itseisarvon neliö. Hartree-Fock -yhtälön mainitsin siksi, että monielektroniatomin tai -molekyylin Schrödingerin yhtälö ei ole eksaktisti separoitavissa yhden elektronin yhtälöiksi. Toisin sanoen, tarkkaan ottaen monielektroniatomeissa ja -molekyyleissä ei voida ajatella elektronien asettuvan orbitaaleille; esim. litiumin perustilan elektronirakenne ei tarkkaan ottaen ole "kaksi elektronia 1s orbitaalilla ja yksi elektroni 2s orbitaalilla" eikä edes "kaksi elektronia alimmalla orbitaalilla ja yksi elektroni seuraavaksi alimmalla orbitaalilla". Tuollaiset orbitaaliesitykset saadaan aikaan vain jonkun approksimaation (esim. juuri Hartree-Fockin approksimaation) avulla.

Molekyyliorbitaalien (MO) esittäminen atomiorbitaalien lineaarikombinaationa on vain matemaattinen keino, jonka avulla ongelma voidaan muuttaa matriisilaskennaksi (sen sijaan, että käsiteltäisiin suoraan 3N:n muuttujan toisen kertaluvun osittaisdifferentiaaliyhtälöä, missä N on elektronien lukumäärä) -- tietokoneet soveltuvat hyvin matriisilaskentaan. Atomiorbitaalit (AO) eivät siis periaatteessa ole MO-laskuissa muuta kuin (typistetty) kantafunktiojoukko, ei niillä ole sen kummempaa fysikaalista merkitystä. Itse asiassa mikä tahansa funktiojoukko voitaisiin valita kantajoukoksi, kunhan sen on riittävän "joustava", eli MO:t voidaan riittävän hyvin kuvailla ko. funktioiden lineaarikombinaationa. Yksittäisille molekyyleille AO:t soveltuvat hyvin kantajoukoksi, mutta esim. periodisen aineen (= aine, jolla on säännöllinen kiderakenne, esim. monet metallit ja suolat) kvanttikemiallisissa laskuissa kantajoukkona käytetään tavallisesti tasoaaltoja.

Wikipediassa on kerrottu lisää mahdollisista kantafunktiojoukoista:
http://en.wikipedia.org/wiki/Basis_set_(chemistry)

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

Vierailija
hmk

Molekyyliorbitaalien (MO) esittäminen atomiorbitaalien lineaarikombinaationa on vain matemaattinen keino...



Jep jep... Eli molekyyliorbitaaleja voidaan approksimoida, liittämällä yksittäisten atomien atomiorbitaaleja toisiinsa, mutta tämä ei ole koko totuus.

Esim H+ molekyylin elektroni alkaa kiertää molempien ytimien ympärillä ja näin elektronille muodostuu molekyyliorbitaali, joka on todellisuudessa erilainen kuin kahden H-atomin atomiorbitaalien yhdistelmä. Tullaan siis tilanteeseen, jossa tarvitaan tarkempi malli kuvaamaan molekyylien elektroniorbitaaleja. Liittyyköhän termi hybridisaatio, jotenkin tähän tarkempaan malliin?

hmk
Seuraa 
Viestejä867
Liittynyt31.3.2005
Jurtala

Jep jep... Eli molekyyliorbitaaleja voidaan approksimoida, liittämällä yksittäisten atomien atomiorbitaaleja toisiinsa, mutta tämä ei ole koko totuus.

Esim H+ molekyylin elektroni alkaa kiertää molempien ytimien ympärillä ja näin elektronille muodostuu molekyyliorbitaali, joka on todellisuudessa erilainen kuin kahden H-atomin atomiorbitaalien yhdistelmä. Tullaan siis tilanteeseen, jossa tarvitaan tarkempi malli kuvaamaan molekyylien elektroniorbitaaleja. Liittyyköhän termi hybridisaatio, jotenkin tähän tarkempaan malliin?




Ei hybridiorbitaalien käyttö molekyyliorbitaalien kantajoukkona johda minkäänlaiseen tarkkuuden kasvamiseen verrattuna tilanteeseen, jossa kantana käytettäisiin "normaaleja" atomiorbitaaleja. Tämä johtuu siitä, että hybridiorbitaalit voidaan lausua normi-AO:iden lineaarikombinaationa (ja päinvastoin). Niinpä jokainen MO, joka on rakennettu hybridiorbitaalien lineaarikombinaationa, voidaan esittää myös tavallisten atomiorbitaalien lineaarikombinaationa.

Orbitaalien hybridisaatio on käsittääkseni keskeisemmässä asemassa ns. valenssisidosteoriassa (VB) kuin mitä se on MO-teoriassa. Atomien sitoutumista toisiinsa molekyyleissä voidaan siis kuvata kummankin em. teorian avulla. MO-teoriassa orbitaalit ovat levinneet (delokalisoituneet) yli koko molekyylin kun taas VB-teoriassa esiintyy elektroniparin muodostamia "sidoksia", jotka ovat lokalisoituneet kahden ytimen väliin tai lähistölle. Numeerisiin laskuihin MO-teoria on monessa mielessä parempi ja siksi se on nykyään myös paljon suositumpi kuin VB-teoria.

VB-teorian vahvuus lienee lähinnä siinä, että se vastaa paremmin perinteistä intuitiivista kuvaa kemiallisesta sitoutumisesta. Toisin sanoen, vaikka varsinaiset laskut tehdään MO-teorialla, voidaan VB-teorian käsitteistöä silti käyttää esim. orgaanisen kemian alkeisoppikirjoissa, kun halutaan esittää lukijalle kvalitatiivinen malli kemiallisesta sitoutumisesta. Tässä kontekstissa orbitaalien hybridisaatio onkin lähinnä vain "heuristinen" temppu, jonka avulla voidaan melko hyvin selittää esim. hiili-, typpi- ja happiatomien sidosgeometriat orgaanisissa yhdisteissä menemättä sen tarkempiin laskuihin.

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

Uusimmat

Suosituimmat