Jeg er alle bøyd ut av formen og prøver å finne ut hva Bents regel betyr. Jeg har flere formuleringer av den, og den vanligste formuleringen er også den vanskeligste å forstå.
Atomic s karakter konsentrerer seg i orbitaler rettet mot elektropositive substituenter
Hvorfor ville dette er sant? Vurder $ \ ce {H3CF} $.
Både karbon og fluor er omtrent $ \ ce {sp ^ 3} $ hybridisert. Gitt at karbon er mer elektropositivt enn fluor, skal jeg konkludere med at fordi karbon er mer elektropositivt enn fluor, er det mye s-karakter i $ \ ce {CF} $ -bindingen og det meste av dette karakter er rundt karbon?
Eller er dette en misforståelse av «orbitaler rettet mot elektropositive substituenter»? Fluoren er $ \ ce {sp ^ 3} $ hybridisert og disse orbitalene er «rettet» mot karbonet ved at den store lappen i hybridbanen peker mot karbonet. Så konsentrerer elektrondensitet seg nær fluor? Fordi det ville være mer fornuftig.
Og denne s-karakteren konsentrert mot fluor har effekten av hva på bindingsvinkelen? Jeg forstår at jo mer s-karakter en obligasjon har, jo større obligasjonsvinkel – vurder $ \ ce {sp} $ vs $ \ ce {sp ^ 2} $. Men siden obligasjonen $ \ ce {C-F} $ nå har mindre s-karakter rundt karbonet, kan $ \ ce {H-C-F} $ obligasjonsvinkelen krympe, ikke sant?
Kommentarer
- Fluor er definitivt ikke sp3-hybridisert. Vanligvis bruker ingen av terminalatomene denne hybridiseringen. De hybridiseres vanligvis alltid.
- For å utdype Martin ' s poeng: Geometri driver hybridisering. Hybridisering driver ikke geometri.
- @MartinSo i CF4 / CH4 vil hybridiseringen av terminalatom være slik?
Svar
Det er en god, kortfattet uttalelse om Bents regel. Selvfølgelig kunne vi like riktig ha sagt at p-karakter har en tendens til å konsentrere seg i orbitaler rettet mot elektronegative elementer. Vi bruker denne sistnevnte formuleringen når vi undersøker metylfluorid nedenfor. Men la oss først utvide definisjonen litt slik at den er tydelig for alle.
Regelen til Bent snakker om hybridisering av det sentrale atomet ($ \ ce {A} $) i molekylet $ \ ce {XAY} $.
$ \ ce {A} $ gir hybridiserte atomorbitaler som danner $ \ ce {A} $ er en del av obligasjonen til $ \ ce {X} $ og til $ \ ce {Y} $. Bents regel sier at når vi endrer elektronegativiteten til $ \ ce {X} $ og \ eller $ \ ce {Y} $, vil $ \ ce {A} $ ha en tendens til å hybridisere sine orbitaler slik at mer s karakter blir plassert i de orbitalene som er rettet mot den mer elektropositive substituenten.
La oss undersøke hvordan Bents regel kan bli brukt på eksemplet ditt på metylfluorid. I $ \ ce {CF} $ -binding er karbonhybrid orbital er rettet mot den elektronegative fluoren. Bents regel antyder at denne karbonhybrid-orbitalen vil være rikere på p-karakter enn vi ellers kunne ha mistenkt. I stedet for at karbonhybridbanen som brukes i denne bindingen er $ \ ce {sp ^ 3} $ hybridisert, vil den ha mer p-karakter og derfor bevege seg mot $ \ ce {sp ^ 4} $ hybridisering.
Hvorfor er dette? s orbitaler har lavere energi enn p-orbitaler. Derfor er elektroner mer stabile (lavere energi) når de er i orbitaler med mer s karakter. De to elektronene i $ \ ce {C-F} $ -binding vil bruke mer tid rundt den elektronegative fluoren og mindre tid rundt karbon. Hvis det er tilfelle (og det er det), hvorfor «kaste bort» dyrebar, lavenergi, orbitalkarakter i en karbonhybridbane som ikke har mye elektrontetthet for å stabilisere seg. Lagre i stedet dette tegnet for bruk i karbonhybrid-orbitaler som har mer elektrontetthet rundt karbon (som $ \ ce {C-H} $ obligasjoner). Så som en konsekvens av Bents regel, ville vi forvente mer p-karakter i karbonhybridbanen som ble brukt til å danne $ \ ce {CF} $ -bindingen, og mer s-karakter i karbonhybrid-orbitalene som ble brukt til å danne $ \ ce {CH} $ obligasjoner.
Det fysisk observerbare resultatet av alt dette er at vi forventer en $ \ ce {HCH} $ vinkel større enn den tetraedrale vinkelen på 109,5 ° (reflekterende med mer s karakter) og en $ \ ce {HCF} $ vinkel litt mindre enn 109,5 ° (reflekterende med mer p karakter). Når det gjelder obligasjonslengder, forventer vi en forkortelse av $ \ ce {CH} $ obligasjonen (mer s tegn) og en forlengelse av $ \ ce {CF} $ obligasjonen (mer p tegn).
Kommentarer
- Husk at Bent ' s regel snakker til hybridorbitaler – en del av en binding, ikke hele obligasjonen. Jeg vil si, 1) atomet vil hybridisere sine hybridorbitaler på nytt for å fordele karakteren klokt (f.eks.for å følge Bent ' s regel, bruk mer s-tegn (stabiliser orbitaler) i orbitaler med mer elektrontetthet i motsetning til orbitaler med mindre elektrontetthet) og 2) s karakterinnhold i alt av hybridorbitalene for et gitt atom må oppsummere til 1.
- (1) Det er ikke noe som heter hybridisering, da det er et matematisk konsept som er et resultat av en viss bindingssituasjon. (2) Bøyd ' s regel gjelder ikke spesifikt for hybridorbitaler, men for den lineære kombinasjonen av atomorbitaler. (Det er en liten men all definerende forskjell.) (3) Det er ikke en regel på forhånd, mye mer en generalisert observasjon.
- @Martin 1) I " forstå ", men det er et praktisk ord. Når et vannmolekyl vibrerer og HOH-vinkelen endres, er det en endring i elektronfordelingen rundt oksygen. Jeg vil si at oksygenet hybridiserer under vibrasjonen. For meg er det ' en kortfattet måte å betegne en endring i elektrontetthet med en påfølgende endring i fysiske egenskaper. 2) Jeg trodde at en karbon sp3 hybrid orbital var en lineær kombinasjon av karbon 2s og 2p AO. Hvis jeg ' tar feil, kan du utdype litt? 3) Jeg er enig, jeg mente å si at det var en tendens i mitt opprinnelige innlegg, men glemte det. Redigert og lagt til.
- @AnuragBaundwal Ja, $ \ ce {CF} $ obligasjonslengde i $ \ ce {CH3F} $ er lengre (139 pm) enn den i $ \ ce {CF4} $ (Kl. 132). $ \ Ce {CH} $ obligasjonslengde i $ \ ce {CH3F} $ (108,7 pm) er litt kortere enn i metan (109,1 pm).
- Hvorfor kan ' t det være sp5 …… hvordan bestemte du deg for at det skulle være sp4?
Svar
Har du lest Wikipedia-artikkelen til Bents regel (spesielt Begrunnelse -avsnittet). Jeg tror det forklarer ting ganske bra. I eksempel på $ \ ce {H3CF} $ $ \ ce {H} $ er mer elektropositiv enn $ \ ce {C} $ og $ \ ce {F} $ er mer elektronegativ enn $ \ ce {C} $. Så , ved å anta at som i $ \ ce {CH4} $ $ \ ce {C} $ -atomet er $ \ mathrm {sp} ^ 3 $ hybridisert som utgangspunkt, forteller Bents regel oss at $ \ ce {C} $ – orbitaler som brukes til å danne obligasjoner mellom $ \ ce {C} $ og $ \ ce {H} $ vil ikke være «rene» $ \ mathrm {sp} ^ 3 $ orbitaler, men vil inneholde en høyere $ \ mathrm {s} $ tegn mens $ \ ce {C} $ – bane som brukes til å danne obligasjonen mellom $ \ ce {C} $ og $ \ ce {F} $ vil inneholde en høyere $ \ mathrm {p } $ tegn enn en «ren» $ \ mathrm {sp} ^ 3 $ bane. Når det gjelder bindingsvinkler: konsekvensene av Bents regel for bindingsvinklene blir også forklart ganske godt i Wikipedia-artikkelen.
Kommentarer
- Høyere s karakter for CH-bindingene fordi H ' s ikke kan stabilisere elektrondensitet og høyere p-karakter for CF-binding fordi fluor bedre kan stabilisere elektroner?
- @ Dissenter I hovedsak ja. I stedet for å rette ekvivalent sp ³ orbitaler mot alle fire substituentene, vil skifting av s-karakter mot CH-bindingene stabilisere disse bindingene sterkt på grunn av den økte elektrontettheten nær (mer elektronegativ ) karbon, mens du skifter s karakter bort fra CF-bindingen, vil øke energien sin med en mindre mengde fordi den bindingen ' s elektrontetthet er mer lokalisert på den mer elektronegative F uansett og dermed videre fra karbonet.
- Hvordan bestemmer vi orienteringen til orbitalene – dvs. hvor t hei blir dirigert?
- @Dissenter Det handler mer om obligasjonspartnere. Når du har forskjellige bindingspartnere, si elektropositve A og elektronegativ B, for et sentralt atom C, vil bindinger / bindingsorbitaler fra C til A ha mer s karakter enn forventet og obligasjonene fra C til B vil ha mindre s karakter enn forventet. Så, s karakter konsentrerer seg i bindinger / orbitaler rettet mot elektropositive substituenter. Det er den forstand ordet " rettet " brukes i definisjonen.
- @Dissenter Ja, fordi s orbitaler " trenger inn " nærmere kjernen slik at høyere elektronegativitet påvirker dem sterkere enn p-orbitaler.