Οργανική Χημεία της Συντήρησης (Θ) Ενότητα 2: Ο σχηματισμός των δεσμών στις οργανικές χημικές ενώσεις Σταμάτης Μπογιατζής, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Συντήρησης Αρχαιοτήτων & Έργων Τέχνης Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Χημικοί τύποι (δομές) Lewis Είναι εξαιρετικά χρήσιμοι στην πρόβλεψη της δομής των μορίων. Είναι το «απόλυτο» εργαλείο στην πρόβλεψη των χημικών αντιδράσεων. Λαμβάνεται υπόψη η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στα μόρια όπου ανήκουν. 1

Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis 1/3 Μεθάνιο 2

Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis 2/3 3

Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis 3/3 Κάθε δεσμός αναπαριστάται ως ζεύγος ηλεκτρονίων (.. ) που μοιράζεται μεταξύ 2 ατόμων Ηλεκτρόνια εξωτερικών στιβάδων που δεν συμμετέχουν σε δεσμούς αναπαριστώνται ως ασύζευκτο ζεύγος ηλεκτρονίων (.. ), εντοπισμένο σε ένα άτομο. Προπανόλη-2, ισοπροπυλική αλκοόλη, ή ισοπροπανόλη.. 4

Ηλεκτρονιακή δομή (Lewis) Κανόνες για τη γραφή των δομών Lewis 1.Αθροίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους όλων των ατόμων του μορίου 2.Συνδέουμε τα άτομα με γραμμές (=δεσμούς) 3.Σε κάθε δεσμό καταλογίζουμε 2 ηλεκτρόνια. 4.Αφαιρούμε τον αριθμό των δεσμικών ηλεκτρονίων από τον συνολικό αριθμό των ηλεκτρονίων (στο CH 4 η διαφορά είναι 0) άνθρακαςάζωτο φθόριο Η. υδρογόνο : : : : 5

Να γραφούν οι τύποι Lewis των ενώσεων H. * 6

Ενέργεια δεσμού ΔεσμόςΜήκος, (pm)Ενέργεια, (kJ/mol) H — Υδρογόνο H–H74436 H–O96366 H–F92568 H–Cl C — Άνθρακας C–H C–C C–C=151 =C–C≡147 =C–C=148 C=C C≡C C–N C–O C–F C–Cl N — Άζωτο N–H N–N N≡N O — Οξυγόνο O–O O=O F, Cl, Br, I — Αλογόντα F–F Cl–Cl Br–H Br–Br I–H I–I

Τυπικό φορτίο στα άτομα: νερό Το τυπικό φορτίο ενός ατόμου σε μια ένωση εξαρτάται από τη φύση του στοιχείου και το είδος των δεσμών που συμμετέχει [αριθμός ασύζευκτων ηλεκτρονίων] ½ [ηλεκτρονίων που συμμετέχουν σε κάθε δεσμό] Τυπικό φορτίο ατόμου [ηλεκτρόνια σθένους] = _ + Τυπικό φορτίο στο 8

Τυπικό φορτίο στα άτομα: φορμαλδεϋδη [αριθμός ασύζευκτων ηλεκτρονίων] ½ [ηλεκτρονίων που συμμετέχουν σε κάθε δεσμό] Τυπικό φορτίο ατόμου [ηλεκτρόνια σθένους] = _ + Τυπικό φορτίο στο 9

Τυπικό φορτίο στα άτομα: [αριθμός ασύζευκτων ηλεκτρονίων] ½ [ηλεκτρονίων που συμμετέχουν σε κάθε δεσμό] Τυπικό φορτίο ατόμου [ηλεκτρόνια σθένους] = _ + Τυπικό φορτίο στο να βρεθούν τα τυπικά φορτία της δομής:

Ασύζευκτα ηλεκτρόνια Τα άτομα του οξυγόνου πρέπει να υπακούουν στον κανόνα της οκτάδας

Ατομικά Τροχιακά 12 “AOs-3D-dots”, από Benjah-bmm27 διαθέσιμο ως κοινό κτήμαAOs-3D-dotsBenjah-bmm27

Σχετική ενέργεια των ατομικών τροχιακών 1s1s 2s 2p x 2p y 2p z 2p 13

Ο άνθρακας 14 “Carbon-atom”, Alejandro Porto διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Carbon-atomAlejandro PortoCC BY-SA 3.0

Άνθρακας διαμάντι γραφίτης 15 “Diamond-and-graphite-with-scale”, από Jynto διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Diamond-and-graphite-with-scale JyntoCC BY-SA 3.0

Άνθρακας: αλλοτροπικές μορφές Διαμάντι φουλλερένια (C60, C540, C70) Άμορφος άνθρακας Νανοσωλήνες άνθρακα γραφίτης 16 “Eight Allotropes of Carbon”, από Mahahahaneapneap διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Eight Allotropes of Carbon MahahahaneapneapCC BY-SA 3.0

Δεσμοί μεταξύ ατόμων άνθρακα Διαμάντι Γραφίτης Στις μορφές του στοιχειακού άνθρακα που είδαμε υπάρχουν μοριακοί δεσμοί μεταξύ ατόμων άνθρακα (C-C). Οι δεσμοί αυτοί, ανάλογα με το είδος τους καθορίζουν τις μορφές του άνθρακα. Στο διαμάντι κάθε άτομο C έχει τετραεδρική γεωμετρία. Στον γραφίτη κάθε άτομο C αποκτά επίπεδη τριγωνική γεωμετρία. 17

Πώς ερμηνεύονται οι δομές και η δραστικότητα των μορίων; Πώς ερμηνεύεται η δομή του γραφίτη και του διαμαντιού; Πώς ερμηνεύεται η δομή των μορίων κάθε οργανικής χημικής ένωσης; 18

Ατομικά τροχιακά του άνθρακα Σωστή περιγραφή Λανθασμένη περιγραφή Δύο ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό είναι στριμωγμένα και απωθούνται Δύο ηλεκτρόνια σε δύο τροχιακά: έχουν περισσότερο χώρο – η άπωση είναι μικρότερη ποια είναι η σωστή περιγραφή; 19

x y z 2p ατομικά τροχιακά του άνθρακα Σύνθετη εικόνα 20 “Px py pz orbitals”, από Adrignola διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Px py pz orbitalsAdrignolaCC BY-SA 3.0

Σε ένα μόριο, όλα τα τροχιακά είναι μοριακά; Τα ηλεκτρόνια που δεν συμμετέχουν σε δεσμούς κατοικούν σε ατομικά τροχιακά 21 “Neon orbitals”, από Mortadelo2005 διαθέσιμο ως κοινό κτήμαNeon orbitalsMortadelo2005

Πώς σχηματίζονται οι δεσμοί; Επικάλυψη μεταξύ των δυο s ατομικών τροχιακών Σημείο ελάχιστης ενέργειας Μήκος του δεσμού στο σημείο ελάχιστης ενέργειας Προσέγγιση των 2 ατόμων Δυναμική ενέργεια Απόσταση μεταξύ των ατόμων (Α) Τα 2 άτομα αρχικά απομονωμένα Το μόριο του υδρογόνου Σχηματισμός ενός σ μοριακού δεσμού 22

Τροχιακή εικόνα του ατόμου του άνθρακα C 23

Πώς σχηματίζονται οι δεσμοί C-H; 1/2 Πώς θα σχηματίζονταν δεσμοί μεταξύ Η και ατομικών τροχιακών του C; Επικάλυψη μεταξύ των τριών p ατομικών τροχιακών του άνθρακα και των τεσσάρων s τροχιακών τεσσάρων ατόμων υδρογόνου Είναι όμως αυτή η πραγματική διάταξη του μορίου του μεθανίου; C x y z 24

Ο άνθρακας sp 3 1/2 Ο άνθρακας μπορεί να αποκτήσει υβριδισμό sp 3. Τα 4 (πρώην) ατομικά τροχιακά του υβριδίζονται (=ομογενοποιούνται) με σκοπό να σχηματίσουν σταθερότερους δεσμούς. 25 “Hybrydyzacja sp3”, από Joanna Kośmider διαθέσιμο ως κοινό κτήμαHybrydyzacja sp3Joanna Kośmider

Ο άνθρακας sp 3 2/2 Ο άνθρακας μπορεί να αποκτήσει υβριδισμό sp 3. Σχηματίζονται 4 ισοδύναμα υβριδικά τροχιακά sp 3. Η γεωμετρία των τροχιακών καθορίζει την κατεύθυνση των δεσμών που θα σχηματιστούν. 26 “Sp3-Orbital”, από Sven διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Sp3-OrbitalSvenCC BY-SA 3.0

C Πώς σχηματίζονται οι δεσμοί C-H; 2/2 Προσέγγιση τεσσάρων ατόμων Η Συνδυασμός των τεσσάρων sp 3 και των τεσσάρων s τροχιακών Τέσσερα sp 3 ατομικά τροχιακά σε τετραεδρική διάταξη σχηματίζονται τέσσερα όμοια μοριακά τροχιακά με συμμετρία σ C H H H H 27

Σχηματισμός μοριακού τροχιακού σ μεταξύ άνθρακα και υδρογόνου Η C ΗC 28 Αναδημιουργία από: “Molecular orbitals sq”, από Sponk διαθέσιμο ως κοινό κτήμαMolecular orbitals sqSponk

Το τετραεδρικό μόριο του μεθανίου H H H H 29 “Sp3-Orbital”, από Sven διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0Sp3-OrbitalSvenCC BY-SA 3.0

Η πραγματική διάταξη του μορίου του μεθανίου στο χώρο: ένα τετράεδρο Οι κορεσμένες οργανικές ενώσεις αποτελούνται μόνο από τετραεδρικούς άνθρακες (με υβριδισμό sp 3 ). “Representaciones del metano”, Representaciones del metano από Villasephiroth διαθέσιμο ως κοινό κτήμα 30

Τετραχλωρομεθάνιο: ένα τέλειο τετράεδρο τετραεδρικός άνθρακας (sp 3 ) 31

Πώς σχηματίζονται οι δεσμοί C-C; Επικάλυψη μεταξύ p ατομικών τροχιακών: Υπάρχουν δύο τρόποι προσέγγισης: (α) κατά μήκος του άξονα κίνησης (β) κάθετα προς τον άξονα κίνησης Σχηματισμός σ δεσμού Προσέγγιση κατά μήκος του άξονα κίνησης. H H H H H H 32

Σχηματισμός δεσμού C –C: Προσέγγιση κατά μήκος του άξονα κίνησης. Ε Δεσμικό σ τροχιακό (συμμετρικό γύρω από τον άξονα) Αντιδεσμικό σ* τροχιακό (συμμετρικό γύρω από τον άξονα) 33

Ανθρακικές αλυσίδες Η ‘ευθεία’ αλυσίδα του n-εξανίου. Έξη τετραεδρικοί (sp 3 ) άνθρακες 34

Μεγαλύτερες αλυσίδες: εικοσάνιο Είκοσι τετραεδρικοί (sp 3 ) άνθρακες 35

Το αιθυλένιο: ο πρώτος αντιπρόσωπος των ακόρεστων ενώσεων Το μόριο του αιθυλενίου 36

Ακόρεστες ενώσεις: Υβριδισμός τροχιακών: sp 2 1/2 pzpz pzpz 37 Αναδημιουργία από: “Hybrydyzacja sp2”, από Joanna Kośmider διαθέσιμο ως κοινό κτήμαHybrydyzacja sp2 Joanna Kośmider

Ακόρεστες ενώσεις: Υβριδισμός τροχιακών: sp 2 2/2 38 “ 3sp2 ”, από Amelliug διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0 3sp2 AmelliugCC BY-SA 3.0

σ-δεσμοί από sp 2 τροχιακά 2 σ-δεσμοί σ-δεσμός από επικάλυψη τροχιακών sp 2 με sp 2 2 σ-δεσμοί + H H HH 39

π-δεσμοί από p ατομικά τροχιακά σ-δεσμός από επικάλυψη τροχιακών sp 2 με sp 2 π- ατομικό τροχιακό (δεν έχει υποστεί υβριδισμό) pzpz + δεσμικό Αντι-δεσμικό Ε 40

π-δεσμοί μεταξύ 2 ανθράκων 41

π-δεσμοί μεταξύ άνθρακα και οξυγόνου ΟC καρβονύλιο φορμαλδεΰδη 42 Αναδημιουργία από: “Formaldehyde-3D-balls”, από Benjah-bmm27 διαθέσιμο ως κοινό κτήμαFormaldehyde-3D-ballsBenjah-bmm27

Βιβλιογραφία Α. Βάρβογλη. ΕΠΙΤΟΜΗ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Εκδόσεις Ζήτη, Εύδοξος: Βιβλίο [10998] J. McMurry, Οργανική Χημεία Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, (σε ένα τόμο), Εύδοξος: Βιβλίο [ ] 43

Τέλος Ενότητας

Σημειώματα

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αθήνας, Σταμάτης Μπογιατζής Σταμάτης Μπογιατζής. «Οργανική Χημεία της Συντήρησης (Θ). Ενότητα 2: Ο σχηματισμός των δεσμών στις οργανικές χημικές ενώσεις». Έκδοση: 1.0. Αθήνα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: ocp.teiath.gr.ocp.teiath.gr

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό. Οι όροι χρήσης των έργων τρίτων επεξηγούνται στη διαφάνεια «Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων». Τα έργα για τα οποία έχει ζητηθεί και δοθεί άδεια αναφέρονται στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. © διαθέσιμο με άδεια CC-BY διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain διαθέσιμο ως κοινό κτήμα Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. χωρίς σήμανσηΣυνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει:  το Σημείωμα Αναφοράς  το Σημείωμα Αδειοδότησης  τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων  το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.