Title

Title

MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi - Kap. 5 Bindinger, forbindelser, lsninger Molekylorbitaler Forenklede modeller: Lewis Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo [email protected] MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Kovalent, Metallisk, Ionisk Energibetraktninger for ioniske stoffer Forbindelser Lsninger Fasediagram Molekylorbitaler Hvis to atomer er svrt nr hverandre m hvert elektron forholde seg til begge kjerner og alle

andre elektroner: Atomorbitalene blir til molekylorbitaler (MO) Tilnrmelse: Liner kombinasjon av atomorbitaler (LCAO) Vi fr like mange molekylorbitaler som summen av atomorbitalene Bindende og antibindende(*) Bindende orbitaler har hy sannsynlighet mellom atomkjernene Eksempel: s + s MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi

Figur fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Molekylorbitaler Eksempel: pz + pz (i figuren kalt px) Eksempel: py + py MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Molekylorbitaler Hvis elektronene kan fylle molekylorbitalene med lavere energi, da har vi en binding: Molekylet er stabilt. Eksempel: O2 O=O 4 elektronpar der energien har

sunket (bindende). 2 elektronpar der energien har steget (antibindende) Bindingsorden = 4 - 2 = 2 MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Molekylorbitaler (MO) Eksempel: Karbonmonoksid CO :CO: Molekylorbitalene som tar hensyn til alle elektronene gir det fulle og hele bilde av bindingene MO RULER ! Men de er kompliserte beregne; vi klarer det bare med stor datakraft og bare for de enkleste systemene.

Vi trenger forenklede modeller og tilnrmelser. NFF Ny Forenkling Flger - MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Valensbindingsmodellen (VB) Vi kan lage nye molekylorbitaler mellom to eller flere atomer ved linere kombinasjoner av atomorbitaler VB-modellen: Vi trenger bare ta med de bindende valenselektronene De er bindende ved konstruktiv overlapp -bindinger (s+s, s+pz, pz+pz) -bindinger (px+px, py+py) MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi

Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Hybridisering (?) VB kan ikke forklare tetraedrisk CH4, fordi p-orbitalene er ortogonale. Vi lager derfor en liner kombinasjon av sog p-orbitaler; sp3; tetraedrisk symmetri Vi kan ta med d-orbitaler for f flere enn 4 retninger, eks. d2sp3 Men: MO som tar med ogs H sine elektroner gir uten videre korrekt geometri! - MO RULER! VB og hybridisering er forenklede modeller MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Oktettregelen og Lewisstrukturer Oktettregelen: Et fullt ytre skall (2+6=8 elektroner) gir stor stabilitet. Mange forbindelser er stabile nettopp fordi atomene fr full oktett ved dele elektronpar. Det delte elektronparet kalles et bindende elektronpar. Vi kan ha ett, to eller tre slike bindinger mellom to atomer. Andre: frie elektronpar Lewis-strukturer er et verkty for visualisere disse forhold Rent kovalent modell: Deler elektroner ideelt

MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi A-B A=B-C Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Resonans Molekyler med resonansformer ofte stabile I Lewis-formalisme: Flere mulige arrangementer Delokaliserte elektroner; resonanshybrider I MO: Store orbitaler som dekker hele molekylet; elektron-lim

MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Kovalent binding (molekylenes binding krefter i molekyler) Tilsvarer Lewisstrukturens modell Deling av bindende elektronpar Meget sterke bindinger i molekylene pga stor overlapp av orbitaler Retningsbestemte Grunnstoffmolekyler og forbindelser med mange valenselektroner og liten forskjell i elektronegativitet H-H, O=O, NN

P4, S8, C60 Cdiamant Svake bindinger mellom molekylene MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra http://www.webelements.com VSEPR Symmetri, geometri (retninger) for mange molekyler kan finnes ved Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR)-modellen (som ogs er en forenkling): Alle elektronpar frastter hverandre og spriker mest mulig fra hverandre i rommet. Frie elektronpar er mer frasttende enn bindende. Husk forskjell p symmetri (alle elektronpar) og geometri (bare bindende) MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi To enkle effekter av strrelse Sterisk hindring: Sm sentralatomer kan ikke omgis av for mange atomer.

Eks.: PCl5 ok, men NCl5 ustabil. Dobbelt- og trippelbindinger for sm atomer, men oftest bare enkeltbindinger for store atomer: Store atomer forhindrer overlapp for px- og py-orbitaler O=O men S8 NN men P4 MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry og http://www.webelements.com Krefter mellom molekyler Permanente dipolmoment Polare kovalente bindinger Forskjellig elektronegativitet

Elektrostatiske krefter mellom molekyler For hydrogen (HXH) kalles dette hydrogenbinding. Hyere smeltepunkt og kokepunkt for mer polare molekyler. Induserte dipoler Vibrasjoner frer til instantane dipoler Elektroner vs kjerne, ioner vs ioner Netto tiltrekkende kraft Kalles: Londonkrefter, dispersjonskrefter van der Waalske bindinger MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Metallisk binding (metallenes binding)

Ikke nok valenselektroner til fylle oktetter Deler elektroner med flest mulig andre; elektron-sj Ekvivalent med resonans-modellen Ikke rettede bindinger Kulepakking Hye koordinasjonstall Leder strm Smibare Metallisk glans MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Ionisk binding (saltenes binding)

Ikke dele, men fordele elektroner for oppn full oktett Forskjell i elektronegativitet > 2 Ladede kuler Elektrostatiske krefter Spr, ikke-ledende elektronene bundet men ioneledere nr smeltet lav koordinasjon store anioner

lav tetthet Salter Grupper kan vre kationer og anioner; NH4+ , NO3- ; NH4NO3(s) MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Formelle oksidasjonstall Tillegges grunnstoffene i et sett regler for forbindelser mellom ulike grunnstoffer. Tar hensyn til elektronegativitet og antall valenselektroner: Fluor har alltid formelt oksidasjonstall -1 Oksygen har oksidasjonstall -2, -1 eller -, unntatt i forbindelse med fluor. Hydrogen har oksidasjonstall +1 eller -1. Andre grunnstoffer har oksidasjonstall som gis av antall valenselektroner og nsket om oppn full oktett i ytre skall, samt av forskjell i elektronegativitet. Summen av oksidasjonstall skal vre lik netto ladning for molekylet/ionet.

Eksempel, vann-skift-reaksjonen: 2 2 1 2 4 2 0 C O H 2 O C O 2 H 2 MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Gitterenergi for ioniske stoffer Hvilket gitter er mest stabilt? Mest negativ G0 for flgende: M+(g) + X-(g) = MX(s) G0 = H0 TS0 M+(g) + X-(g) er felles referansepunkt for flere strukturer. Gitterentalpi er mer vanlig bruke, og angis ofte for den omvendte prosessen: MX(s) = M+(g) + X-(g) HL0

(> 0) MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Termodynamisk modell Born-Haber-syklus Na(s) + Cl2(g) = NaCl(s) fH0 Atomisering (sublimasjon) av Na(s) +109 kJ/mol Dissosiering av mol Cl2(g) * 242 kJ/mol = Ionisering av Na(g) +121 kJ/mol +495 kJ/mol Elektronopptak av Cl(g) Gitterentalpi for NaCl(s) -349 kJ/mol -786 kJ/mol Mlt dannelsesentalpi for NaCl(s) fra grunnstoffene

-410 kJ/mol MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Teoretisk estimat av gitterenergi for ioniske krystaller Elektrostatisk potensiell energi for et par ioner A, B med ladning z A , z B E AB ke ( z Ae)( zB e) z A z B k e e 2 rAB rAB Total energi for hele krystallen fr vi ved summere over alle par. MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Eksempel: 1-dimensjonal streng E AB z A zB kee 2 rAB

Avstand d. Ladninger z A z og z B - z. For ett ions interaksjon med alle andre : Es ,ion 2 z 2ke e2 2 z 2ke e2 2 z 2ke e 2 ... d 2d 3d Es ,ion 2 2 z 2ke e2 1 1 2 z 2kee2 2 z ln 2 ke e 2 ln 2 1 ... d 2 3 d d eller, generelt, EE N Ak e e 2

zC z A A d A = Madelungkonstanten 1-dimensjonal streng: A = 1,386 NaCl-strukturen: A = 1,748 MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Gitterenergi, forts. Tiltrekkende elektrostatisk energi : z z EE N A ke e 2 C A A d Frasttende elektrostatisk energi : ER N AC' e d / d * der C' er en konstant og d * er relatert kompressibiliteten. Total potensiell energi : * zC z A A N AC' e d / d d dEL Likevekts - avstanden d eq er gitt ved

0 dd og resultatet innsatt i E gir Born - Mayer - ligningen : E L E E E R N A k e e 2 zC z A d * EL N A kee 1 A d eq d eq 2 MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Bruk av gitterenergi for stabilitetsvurdering av ioniske stoffer Eksempel: Lselighet av et salt i vann MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Bruk av gitterenergi for stabilitetsvurdering av ioniske stoffer Eksempel: Lselighet av et salt i vann MX(s) = Mz+(aq) + Xz-(aq) ES Deles i to reaksjoner:

Ionisering; MX(s) = Mz+(g) + Xz-(g) -EL (gitterenergi) Hydratisering (solvatisering) av ioner i vann: Mz+(g) + Xz-(g) = Mz+(aq) + Xz-(aq) Ehyd MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Lselighet av ionisk stoff i vann, forts. zC z A d * d* zC z A zC z A 2 A E L N Ak e e 1 A N Ake e 1 d eq d eq ( rC rA ) ( rC rA ) ( rC rA ) vs

2 Ehyd zC2 z 2A KC K A rC rA Hy lselighet hvis ES Ehyd EL 0 Stort + lite ion: (rC+rA) stor: EL liten. Ehyd stor: Lselig! Stort + stort ion: (rC+rA) stor: EL liten. Ehyd liten: Mindre lselig. Lite + lite ion: (rC+rA) liten: EL stor. Ehyd stor: Mindre lselig. MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Molekylorbitaler i faste stoffer; metaller

Antall molekylorbitaler er lik antall atomorbitaler. Forskjellig energi (eller kvantetall) Dannelse av bnd Metaller (eks. Li og Be): Overlapp mellom s og p ved likevektsavstand F valenselektroner bare delvis fylling; metalliske egenskaper MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Tetthet av energier Tetthet av energier (Density Of States, DOS) er en mer komplisert funksjon av energien enn et bnd gir inntrykk av. Dersom et bnd er mindre enn halvfylt fr vi n-ledning

(elektron-gass) Dersom et bnd er mer enn halvfylt fr vi p-ledning (hullgass) For ordens skyld: pen i p-ledning har ikke noe med p-orbitaler gjre.. MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Valens- og ledningsbnd; bndgap Molekylorbitalene i faste stoffer danner bnd og forbudte gap i energinivene Elektronrike grunnstoffer tenderer til fylle bnd (tilsvarer fulle skall/oktett) verste fylte bnd kalles valensbndet Nederste tomme bnd kalles ledningsbndet

Avstanden mellom de to kalles bndgapet, Eg MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Halvledere og isolatorer I ledningsbndet kan elektroner f ekstra energi og bevege seg fritt. I et fullt valensbnd kan elektroner ikke bevege seg derimot kan et hull bevege seg. T=0: Ingen ledningselektroner eller hull. Isolator. T>0: Entropi frer til fordeling av elektroner p valens- og

ledningsbndene: Halvleder. Avhenger av T og Eg MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Doping Elektronrike fremmede species (dopanter) som holder drlig p elektronene introduserer elektronniver med hyere energi enn vertskapets egne: vi fr donorniver hyt i bndgapet. Kan ved T>0 lett donere elektroner til ledningsbndet: n-leder Elektronfattige fremmede species som nsker elektroner introduserer tomme elektronniver: vi fr akseptorniver lavt i bndgapet.

Kan ved T>0 lett akseptere elektroner fra ledningsbndet: p-leder MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Grunnstoffene bindinger og egenskaper Atomre Atomre He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Molekylre; Molekylre;diatomre: diatomre: H2 (H-H) H2 (H-H) F2, Cl2, Br2, I2 F2, Cl2, Br2, I2 O2, S2 O2, S2 N2 (N N) N2 (N N) (F-F osv.) (F-F osv.) (O=O osv.) (O=O osv.)

Molekylre; Molekylre;polyedre polyedre O3, S8, Se8 O3, S8, Se8 P4 P4 C60 C60 Molekylre; Molekylre;kjeder kjeder Sn Sn (P4)n(rdt) (P4)n(rdt) Makromolekylre Makromolekylre C(diamant) C(diamant) Molekylre; Molekylre;lag lag P(sort) P(sort) C(grafitt) C(grafitt)

Halvmetaller Halvmetaller B, Si, Ge, As, Se B, Si, Ge, As, Se Metaller Metaller ..Al, Ga, Sn, Sb, ..Al, Ga, Sn, Sb, MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Forbindelser To ikke-metaller: Kovalent forbindelse H2O, HCl, SO2, CH4, CS2, NI3, SiO2, SiC, BN, osv. To metaller: Metallisk forbindelse NiAl, LaNi5, osv. Metall og ikke-metall: Ionisk NaCl, SrO, LaF3, osv. Minkende forskjell i elektronegativitet gir minkende ionisk og kende kovalent karakter; TiB2, WC, NiAs, osv. Hydrogen: Variabel rolle (metall/ikke-metall)

HCl (polar kovalent), CH4 (kovalent), PdH2 (metallisk), CaH2 (ionisk) Hyere forbindelser: Komplisert, men grupper kan ofte ses p som kovalente internt og ioniske eksternt H3O+, NO3-, PO43-, NH4+, osv. MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi Organiske forbindelser Kovalente forbindelser med karbon, C >30 millioner kjente organiske forbindelser bare noen f, enkle karbonforbindelser regnes om uorganiske karbonater CO32-, karbider C4-, cyanider CN-, CO, CO2-. De enkleste; hydrokarboner; alkaner metan CH4 etan C2H6 propan C3H8 butan C4H10 iso-butan n-butan Generelt: CnH2n+2

MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Hydrokarboner Alkaner bare enkeltbindinger (mettede) metan CH4 etan C2H6 CnH2n+2 Alkener med dobbelbindinger (umettede) eten C2H4 H2C=CH2 CH2=CH2 propylen C3H6 H2C=CH-CH3 Alkyner med trippelbindinger etyn (acetylen) C2H2 HCCHCHCH Aromater ringformede forbindelser sykloheksan C6H12 benzen C6H6

MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Hydrokarboner Upolare ulselige i vann Smelte- og kokepunkt ker med antall karbonatomer Hovedbestanddel i olje og gass raffineres fraksjonert destillasjon cracking dehydrogenering til asfaltsmreoljerparaffin, diesel, bensinbutan, propan, etan, metan

Hyt energi-innhold MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Andre organiske forbindelser med oksygen alkoholer aldehyder ketoner karboksylsyrer -OH -HC=O -CO-COOH med nitrogen aminosyrer; proteiner urea benzimidazol

polymerer polyetylen (PE) polypropylen (PP) polybenzimidazol (PBI) MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Lsninger Gasser Vsker Alltid blandbare Ofte blandbare Likt lser likt Faste stoffer

Faste lsninger: oftest begrenset blandbarhet Likt lser likt Substitusjonell lsning Interstitiell lsning Fast lsning og konkurrerende alternativer: Faseseparasjon; Lav entropi, negativ entalpi Danne ordnet forbindelse; Lav entropi, negativ entalpi Fast lsning; Hy entropi (uorden), positiv entalpi Fast lsning begunstiges derfor av hy temperatur MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry Fasediagram - tilstandsdiagram n komponent

Ett grunnstoff eller n forbindelse P vs T Viser stabilitetsomrder for forskjellige faser av komponenten Et resultat av minimalisering av Gibbs energi for systemet Hyere temperatur og lavere trykk: Mindre kondenserte faser Trippelpunkt: Likevekt mellom fast stoff, vske og gass Kritisk punkt; grense for forskjell mellom vske og gass. Over dette: Superkritisk. CO2 Fe MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra M.A. White: Properties of Materials og A.A. Nss: Metalliske materialer Binrt fasediagram to komponenter Oftest X vs T X:

Atomfraksjon eller atom-% eller Vektfraksjon eller vekt-% Eksempel p fullt blandbart system: CuNi Cu-Ni Liquidus- og solidus-kurver Eksempel p system med ikke full lselighet i fast fase: Sn-Pb To faste lsninger S1 og S2 Eutektikum; eutektisk sammensetning (B) Sn-Pb Diagrammer viser stabilitetsomrder Lsninger og to-faseomrder Sammensetning av lsningen i enfaseomrde Blandingsforhold av faser i 2faseomrder MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra M.A. White: Properties of Materials Vektstangregelen

m1 ( q a1 ) m2 ( a 2 q ) a1 eller m1 a 2 q m2 q a1 a2 q q-a1 a2-q MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figur omarbeidet fra M.A. White: Properties of Materials Fasediagram med intermedire forbindelser Intermedire forbindelser mellom komponentene (her A og B) for eksempel A2B, AB, AB3 kalles ofte stkiometriske, men er det i prinsippet ikke

Eksempel (figuren): n intermedir fase AB. Smelter (kongruent) til vske med samme sammensetning Diagram satt sammen av to binre fasediagrammer MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Figurer fra M.A. White: Properties of Materials Oppsummering Molekylorbitaler Forenklede modeller: VB, Lewis, VSEPR Bindingstyper Kovalent, Metallisk, Ionisk Energibetraktninger for ioniske stoffer Bnd og bndgap Metaller, halvledere (&doping), isolatorer Forbindelser Kovalente, ioniske, metalliske Organiske forbindelser; stor gruppe Lsninger Fasediagram MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Oppsummering bindinger og forbindelser

Type forbindelse Aggregattilstand, mekaniske egenskaper Typiske elektriske egenskaper Molekyler Gasser, vsker, faste stoffer med lave smeltepunkt Oftest isolerende 2-dim. sjikt Myke, sjiktstrukturer, smremidler 3-dim. nettverk Svrt harde Isolatorer, halvledere Metalliske

Myke, duktile Metalliske ledere Metallisk glans Ioniske Harde, spr Isolatorer ved lav temperatur, ionisk ledning i smelte, lses i vann som ioner Saltaktige Kovalente MENA 1000 Materialer, energi og nanoteknologi Andre typiske egenskaper

Recently Viewed Presentations

  • 3.1 & 3.2: Fundamentals of Probability - Seneca Valley School ...

    3.1 & 3.2: Fundamentals of Probability - Seneca Valley School ...

    We could flip a coin 100 times and let Heads represent girls and tails represent boys, but who wants to do this? ... Recall that we can use randInt in the graphing calculator. Go to Math PRB randInt ... Fundamentals...
  • catastolot.weebly.com

    catastolot.weebly.com

    The Renaissance (1300-1600) Early Modern Period. Europe, 1453 - 1789. ... The Bronze Age (3200 BCE - 1100 BCE) The Bronze Age is a historical period characterized by the use of bronze, proto-writing, and other early features of urban civilization.
  • Disaster Medical Operations  Part 1 CERT Basic Training

    Disaster Medical Operations Part 1 CERT Basic Training

    Change from 2016: emphasize treating only the 3 killers * FEMA 3-7 - top 3 bullets only * * Not FEMA - RPM is not in FEMA manuals. Caryn (3-25 comment): RPM is part of START system developed long before...
  • Simple Machine Test Bed Investigation

    Simple Machine Test Bed Investigation

    The Screw (Replace the hook with the bumper on the Force Meter and use the 50.0 g mass as the F. E) 1.) Measure the diameter and calculate the circumference of the "head" of the screw. 2.) Measure the distance...
  • Pourquoi parle-t-on de langues créoles - Free

    Pourquoi parle-t-on de langues créoles - Free

    Qu'est-ce qu'une langue créole ? Marie-Christine Hazaël-Massieux Université de Provence [email protected] Les principaux créoles français dans le monde (ZAC puis OI) Louisiane 4 000 000 habitants (mais peu de créolophones) Haïti 7 000 000 habitants Guadeloupe 422 496 habitants La...
  • 幻灯片 1 - Indiana University Bloomington

    幻灯片 1 - Indiana University Bloomington

    Caches images for greater performance Agent Server Architecture Caching Server The agent server runs offline to harvest map images from county map servers. Images are stored as tiles. Tiles at county boundaries may be combined for greater storage and performance...
  • wilbourndms.weebly.com

    wilbourndms.weebly.com

    What is a major body of water? The Volga river is one of the major bodies of water in Russia
  • Acids and Bases

    Acids and Bases

    Titration. is a procedure used to determine the concentration of an acid or base. Neutralization HCl+NaOH NaCl+H. 2. ONeed to know. The initial concentration of the base. The initial volume of acid . The amount of base that is used...