Ik ben helemaal uit vorm om erachter te komen wat de regel van Bent betekent. Ik heb er verschillende formuleringen van, en de meest gebruikelijke formulering is ook het moeilijkst te begrijpen.
Atomic s karakter concentreert zich in orbitalen gericht op elektropositieve substituenten
Waarom zou dit is waar? Overweeg $ \ ce {H3CF} $.
Zowel de koolstof als de fluor zijn ruwweg $ \ ce {sp ^ 3} $ gehybridiseerd. Gezien het feit dat koolstof elektropositiever is dan fluor, moet ik de conclusie trekken dat, omdat koolstof elektropositiever is dan fluor, er een groot deel van het s-karakter in de $ \ ce {CF} $ -binding zit en de meeste hiervan karakter is rond de koolstof?
Of is dit een misverstand over “orbitalen gericht op elektropositieve substituenten”? De fluor is $ \ ce {sp ^ 3} $ gehybridiseerd en deze orbitalen zijn “gericht” naar de koolstof doordat de grote lob van de hybride orbitaal naar de koolstof wijst. Dus concentreert de elektronendichtheid zich in de buurt van de fluor? Omdat dat logischer zou zijn.
En dit s-karakter geconcentreerd in de richting van de fluor heeft het effect van wat op de bindingshoek? Ik begrijp dat hoe meer s-tekens een binding heeft, hoe groter de hoek van de binding is. Overweeg $ \ ce {sp} $ vs $ \ ce {sp ^ 2} $. Maar aangezien de $ \ ce {C-F} $ -binding nu minder s-karakter heeft rond de koolstof, kan de $ \ ce {H-C-F} $ bindingshoek kleiner worden, correct?
Opmerkingen
- Fluor is zeker niet sp3-gehybridiseerd. Gewoonlijk gebruikt geen van de terminale atomen deze hybridisatie, ze worden meestal altijd sp-gehybridiseerd.
- Om het punt van Martin ‘ uit te werken: geometrie stimuleert hybridisatie. Hybridisatie stuurt geen geometrie aan.
- @MartinSo in CF4 / CH4 zal de hybridisatie van het terminale atoom zo zijn?
Antwoord
Dat is een goede, beknopte verklaring van de regel van Bent. We hadden natuurlijk net zo goed kunnen zeggen dat het p-teken de neiging heeft zich te concentreren in orbitalen die zijn gericht op elektronegatieve elementen. We zullen deze laatste formulering gebruiken wanneer we methylfluoride hieronder onderzoeken. Maar laten we eerst de definitie een beetje uitbreiden, zodat het voor iedereen duidelijk is.
De regel van Bent heeft het over de hybridisatie van het centrale atoom ($ \ ce {A} $) in het molecuul $ \ ce {XAY} $.
$ \ ce {A} $ levert gehybridiseerde atomaire orbitalen die $ \ ce {A} $ vormen maakt deel uit van zijn band met $ \ ce {X} $ en aan $ \ ce {Y} $. De regel van Bent zegt dat als we de elektronegativiteit van $ \ ce {X} $ en \ of $ \ ce {Y} $ veranderen, $ \ ce {A} $ de neiging heeft om zijn orbitalen te herschikken, zodat er meer s-tekens worden geplaatst in die orbitalen gericht op de meer elektropositieve substituent.
Laten we eens kijken hoe de regel van Bent kan worden toegepast op uw voorbeeld van methylfluoride. In de $ \ ce {CF} $ -binding, de koolstofhybride orbitaal is gericht op de elektronegatieve fluor. De regel van Bent suggereert dat deze koolstofhybride orbitaal rijker aan p-karakter zal zijn dan we anders misschien hadden vermoed. In plaats van dat de koolstofhybride orbitaal die in deze binding wordt gebruikt $ \ ce {sp ^ 3} $ gehybridiseerd is, heeft deze de neiging om meer p-karakter te hebben en daarom richting $ \ ce {sp ^ 4} $ hybridisatie.
Waarom is dit? s orbitalen zijn lager in energie dan p orbitalen. Daarom zijn elektronen stabieler (lagere energie) wanneer ze zich in orbitalen met meer s karakter bevinden. De twee elektronen in de $ \ ce {C-F} $ -binding zullen meer tijd besteden aan het elektronegatieve fluor en minder aan koolstof. Als dat het geval is (en dat is het zo), waarom zou je dan kostbaar, energiezuinig orbitaal karakter “verspillen” in een hybride koolstofbaan die niet veel elektronendichtheid heeft om te stabiliseren? Bewaar in plaats daarvan dat teken voor gebruik in hybride koolstof-orbitalen die meer elektronendichtheid hebben rond koolstof (zoals de $ \ ce {C-H} $ bindingen). Dus als gevolg van de regel van Bent verwachten we meer p-teken in de koolstofhybride orbitaal die wordt gebruikt om de $ \ ce {CF} $ -binding te vormen, en meer s-teken in de koolstofhybride-orbitalen die worden gebruikt om de $ \ ce {CH} $ bonds.
Het fysiek waarneembare resultaat van dit alles is wat we zouden verwachten een $ \ ce {HCH} $ hoek groter dan de tetraëdrische hoek van 109,5 ° (weerspiegeling van meer s karakter) en een $ \ ce {HCF} $ hoek iets kleiner dan 109,5 ° (weerspiegeling van meer p karakter). In termen van bandlengtes, verwachten we een verkorting van de $ \ ce {CH} $ binding (meer s karakter) en een verlenging van de $ \ ce {CF} $ binding (meer p karakter).
Opmerkingen
- Houd in gedachten dat de regel van Bent ‘ betrekking heeft op hybride orbitalen – een deel van een band, niet de hele band. Ik zou zeggen, 1) het atoom zal zijn hybride orbitalen opnieuw hybridiseren om het karakter verstandig te verdelen (bijv.om de regel van Bent ‘ te volgen, gebruik meer s karakter (stabiliseer orbitalen) in orbitalen met meer elektronendichtheid in tegenstelling tot orbitalen met minder elektronendichtheid) en 2) de s karakterinhoud in totaal van de hybride orbitalen voor een bepaald atoom moet opgeteld 1 zijn.
- (1) Er bestaat niet zoiets als rehybridisatie, aangezien het een wiskundig concept is dat het resultaat is van een bepaalde bindingssituatie. (2) De regel van Bent ‘ s is niet specifiek van toepassing op hybride orbitalen, maar op de lineaire combinatie van atomaire orbitalen. (Het is een klein maar alles bepalend verschil.) (3) Het is geen regel a priori, veel meer een algemene waarneming.
- @Martin 1) I ” begrijp “, maar het is een handig woord. Wanneer een watermolecuul trilt en de HOH-hoek verandert, verandert de elektronendistributie rond zuurstof. Ik zou zeggen dat de zuurstof rehybridiseert tijdens de vibratie. Voor mij is het ‘ een verkorte manier om een verandering in elektronendichtheid aan te duiden met een daaruit voortvloeiende verandering in fysische eigenschappen. 2) Ik dacht dat een koolstof sp3 hybride orbitaal een lineaire combinatie was van de koolstof 2s en 2p AOs. Als ik het ‘ mis heb, kun je daar dan wat meer over vertellen? 3) Ik ben het ermee eens, ik bedoelde te zeggen dat het een tendens was in mijn oorspronkelijke post, maar vergat het. Bewerkt en toegevoegd.
- @AnuragBaundwal Ja, de $ \ ce {CF} $ obligatielengte in $ \ ce {CH3F} $ is langer (139 uur) dan die in $ \ ce {CF4} $ (132 uur). De $ \ ce {CH} $ obligatielengte in $ \ ce {CH3F} $ (108,7 uur) is iets korter dan die in methaan (109,1 uur).
- Waarom kan ‘ t is het sp5 …… hoe heb je besloten dat het sp4 is?
Antwoord
Heb je het Wikipedia-artikel naar de regel van Bent gelezen (vooral de Rechtvaardiging paragraaf). Ik denk dat het de dingen redelijk goed uitlegt. In de voorbeeld van $ \ ce {H3CF} $ the $ \ ce {H} $ is elektropositiever dan $ \ ce {C} $ en $ \ ce {F} $ is elektronegatiever dan $ \ ce {C} $. Dus , uitgaande van de aanname dat net als in $ \ ce {CH4} $ het $ \ ce {C} $ atoom $ \ mathrm {sp} ^ 3 $ gehybridiseerd is als uitgangspunt, vertelt de regel van Bent ons dat de $ \ ce {C} $ – orbitalen die worden gebruikt om bindingen te vormen tussen $ \ ce {C} $ en $ \ ce {H} $ zullen niet “puur” $ \ mathrm {sp} ^ 3 $ orbitalen zijn, maar zullen een hogere $ bevatten \ mathrm {s} $ teken terwijl de $ \ ce {C} $ – orbitaal die wordt gebruikt om de band tussen $ \ ce {C} $ en $ \ ce {F} $ te vormen, een hogere $ \ mathrm {p zal bevatten } $ karakter dan een “pure” $ \ mathrm {sp} ^ 3 $ orbitaal. Wat betreft bindingshoeken: de consequenties van de regel van Bent voor de bindingshoeken worden ook redelijk goed uitgelegd in het Wikipedia-artikel.
Opmerkingen
- Hoger s karakter voor de CH-bindingen omdat de H ‘ s de elektronendichtheid niet kunnen stabiliseren en een hoger p-karakter voor de CF-binding omdat de fluor elektronen beter kan stabiliseren?
- @ Dissenter In wezen ja. In plaats van equivalente sp ³ orbitalen naar alle vier substituenten te sturen, zal het verschuiven van het karakter naar de CH-bindingen die bindingen aanzienlijk stabiliseren vanwege de verhoogde elektronendichtheid nabij de (meer elektronegatieve ) koolstof, terwijl het verschuiven van s karakter weg van de CF-binding de energie met een kleinere hoeveelheid zal verhogen, omdat de elektronendichtheid van die binding ‘ s toch meer gelokaliseerd is op de meer elektronegatieve F en dus verder van de koolstof.
- Hoe bepalen we de oriëntatie van de orbitalen – dwz waar t hey zijn geregisseerd?
- @Dissenter Het gaat meer om de hechtingspartners. Als je verschillende bindingspartners hebt, zeg elektropositieve A en elektronegatieve B, voor een centraal atoom C, dan hebben de bindingen / bindingsorbitalen van C naar A meer s karakter dan verwacht en de bindingen van C naar B zullen minder s-teken hebben dan verwacht. Dus het s-karakter concentreert zich in bindingen / orbitalen die zijn gericht op elektropositieve substituenten. Dat is de betekenis waarin het woord ” gericht ” in de definitie wordt gebruikt.
- @Dissenter Ja, omdat s orbitalen ” ” dichter bij de kern doordringen, zodat de hogere elektronegativiteit ze sterker beïnvloedt dan p-orbitalen.