Transcript קשר קוולנטי
ד"ר מרסל פרייליך ד"ר זהבה שרץ השתלמות בשלומי ,נובמבר 2012 המרכז הארצי במדע וטכנולוגיה למורי חט"ב © כל הזכויות שמורות למכון ויצמן למדע שפת הכימיה :חזרה והעמקה (באמצעות פעילות) * אטום *מולקולה *יסוד *תרכובת *צבר של מולקולות *נוסחה כימית *נוסחה מולקולרית תרגול שפת הכימיה: סמל אטום המימן הואH : רשמו את הסמלים הכימיים של: א .אטום מימן ____ ב .מולקולה של מימן שמורכבת משני אטומי מימן ___ ג .היסוד מימן (המורכב ממולקולות דו אטומיות) במצב גזי _____ *תרכובות יוניותCuCl2 ,MgO ,NaCl : * תרכובות מולקולריותSO2 ,CO2 ,H2O : מה ההבדל ביניהם מבחינת המבנה? חומר יוני פשוט מורכב ממתכת ומאל-מתכת חומר יוני פשוט נוצר על ידי מעבר של אלקטרון /ים מהמתכת לאל מתכת. דוגמה :מלח בישול נוסחה כימית( NaCl :מה מביעה הנוסחה?) מבנה :סריג יוני במבנה ענק מבנה של נתרן כלורי מה מחזיק את היונים בסריג היוני? *קשר יוני = משיכה חשמלית בין יונים חיוביים ליונים שליליים. *דוגמה :במלח בישול ,NaClקיימים כוחות משיכה חשמליים בין יוני הנתרן החיוביים ליוני הכלור השליליים. *חומרים יוניים נוספים בהם מתקיים קשר יוני :סידן כלורי ,CaCl2מגנזיום חמצני ,MgOאשלגן כלורי .KCl חומרים מולקולריים יסודות H2, O2 תרכובות H2O, CO2 דוגמה :מימן נוסחה כימית( H2 :מה מביעה הנוסחה?) מבנה :מולקולות (צבר של מולקולות) בין אלו חלקיקים מתקיימים כוחות משיכה במולקולה אחת של מימן? מה מביע הסימול?2H : מה מביע הסימול?H2 : מה המשותף לסימולים הללו? מה ההבדל בין הסימולים הללו? מה מחבר את שני אטומי המימן במולקולה אחת של גז המימן? לאטום מימן יש פרוטון אחד בגרעין ואלקטרון אחד מחוץ לגרעין שנמצא בתנועה מתמדת היוצר ענן אלקטרוני. סימולציה מבנה אטום המימן נוסחה מולקולריתH2 : ייצוג של מולקולת המימן מה "מחזיק" את שני אטומי המימן כך שנוצר חלקיק חדש – מולקולה? * * * כוחות משיכה בין הגרעין לאלקטרונים. כוחות דחייה בין האלקטרונים. כוחות דחייה בין הגרעינים. 12 *האלקטרונים נמשכים על ידי שני גרעיני אטומים בעת ובעונה אחת ובכך גורמים לשני אטומים להיות "מחוברים" .הם נקראים אלקטרוני קשר ומהווים את הקשר בין האטומים – קשר קוולנטי. *קשר קוולנטי=קשר שיתופי *יש זוג (או יותר עד 3זוגות) אלקטרונים משותפים לשני האטומים המחוברים. סימולציה להיווצרות הקשר הקוולנטי בין שני אטומי מימן ליצירת מולקולת מימן. *היסודות מימן ,חמצן ,חנקן ,פלואור ,כלור ,ברום ויוד הם מולקולריים ,כלומר בנויים ממולקולות. * יסודות אלו בנויים ממולקולות דו-אטומיות .I2 ,Br2 ,Cl2 ,F2 ,N2 ,O2 ,H2 מדוע יסודות אלו מולקולריים? מדוע הם בנויים ממולקולות דו אטומיות? * החומרים מצויים בטבע בצורה היציבה ביותר שלהם. *יציב -מצב שאינו משתנה. *קשר בין אטומים יוצר מצב יציב שאינו נוטה להשתנות אלא אם נשקיע אנרגיה לשבירתו. *יציבות בכימיה קשורה להשוואה בין שני מצבים ולמושג אנרגיה. *מינימום אנרגיה ,מקסימום יציבות. יציבות אנרגיה על פי תוכנית הלימודים אומרים לתלמידים את יכולת הקישור של האטומים השונים סוג האטום יכולת קישור מימן 1 כלור 1 ברום 1 פלואור 1 חמצן 2 גפרית 2 חנקן 3 זרחן 3 פחמן 4 צורן 4 * הצעה לפתיחה :היעזרו ביכולת הקישור של חמצן והציעו כיצד קשורים אטומי החמצן במולקולה של חמצן?O2 , *קשר קוולנטי כפול :שיתוף של 2זוגות אלקטרונים. *כיצד קשורים אטומי החנקן במולקולה של חנקן?N2 , *קשר קוולנטי משולש :שיתוף של 3זוגות אלקטרונים. סימולציה ליצירת קשר קוולנטי יחיד ,כפול ומשולש *תרכובת מולקולרית מורכבת ממולקולות. *בדרך כלל המולקולות בנויות מאטומים של יסודות אל-מתכתיים. לדוגמהHCl, HBr, H2O, NH3 : בין האטומים האל-מתכתיים במולקולה יש קשר קוולנטי יישומון" :בנה מולקולה" ניתן לבנות פעילות מתאימה המסכמת את הנלמד עד כה בנושא הקשר הכימי. חשוב ביותר לדון במגבלות המודלים! מאפיינים קשר יוני קשר קוולנטי יצירת הקשר מעבר של אלקטרון/ים שיתוף של זוג/ות אלקטרונים ממתכת לאל מתכת משיכה חשמלית בין היונים החיוביים ליונים השליליים בין זוג אלקטרוני הקשר לגרעיני האטומים גודל המטען גדול יותר קטן יותר חוזק הקשר חזק מאוד חזק הקשר היוני חזק יותר מהקשר הקוולנטי (בדרך כלל) מה הקשר בין הקשר הכימי לפליטת/קליטת אנרגיה בתהליכים כימיים? *בתהליך כימי מתחוללים שינויים במגיבים ומקבלים תוצרים חדשים. *בתהליך כימי יש שבירת קשרים כימיים במגיבים ויצירת קשרים כימיים חדשים תוך כדי קבלת תוצרים חדשים. *בשבירת קשר מושקעת אנרגיה. *ביצירת קשר נפלטת אנרגיה. *סכום אנרגיות הקשר של המגיבים והתוצרים בתהליך יכתיבו אם יתרחש תהליך אנדותרמי או אקסותרמי. * בתהליך קולט אנרגיה (אנדותרמי) :האנרגיה המושקעת בניתוק הקשרים במגיבים גדולה מהאנרגיה המשתחררת ביצירת הקשרים בתוצרים. דוגמה :אלקטרוליזה של נחושת כלורית * בתהליך פולט אנרגיה (אקסותרמי) :האנרגיה המשתחררת ביצירת הקשרים בתוצרים גדולה מהאנרגיה המושקעת בניתוק הקשרים במגיבים. דוגמה :בעירה של גז בישול מרחק בין האטומים אנרגיה של המערכת יציבות המערכת גדול מאוד גבוהה נמוכה קטן מאוד גבוהה נמוכה מינימאלית גבוהה שווה לאורך הקשר במרחק השווה לאורך הקשר סך כוחות הדחייה משתווה לסך כוחות המשיכה זוהי נקודת האיזון נדרשת פעולה להרחיק השקעת אנרגיה לקרב השקעת אנרגיה להניח - עליה באנרגיה עליה באנרגיה מצב יציב (אינו משתנה) 27 הפריט באנלוגיה מייצג את... כדורים גרעיני האטומים הקשורים קפיץ המרחק (והקשר) בין גרעיני האטומים במצב של קפיץ רפוי הכדורים לא זזים המרחק בין הגרעינים שווה לאורך הקשר. יציבות ,אנרגיה נמוכה קפיץ מתוח המרחק בין הגרעינים גדול מאורך הקשר. (מצב לא יציב ,אנרגיה גבוהה) קפיץ מכווץ המרחק בין הגרעינים קטן מאורך הקשר. (מצב לא יציב ,אנרגיה גבוהה) זהירות ,אנלוגיה עלולה ליצור טעויות המשגה על- כן ,יש להתייחס למגבלותיה! *על-פי מכניקת הקוונטים שפותחה בתחילת המאה ה – ,20 ניתן לתאר את מיקום האלקטרון באטום רק באופן הסתברותי! * ניתן להתייחס רק לסיכוי למצוא את האלקטרון בנקודה מסוימת במרחב. *לאלקטרון יש כמות אנרגיה מוגדרת המכונה רמת אנרגיה. *"ענני אלקטרונים" מתארים את המקומות במרחב האטום בהם יש סיכוי למצוא אלקטרון בעל אנרגיה מסוימת. *ענני האלקטרונים בעלי צורות מרחביות מוגדרות המכונות אורביטלים. *אורביטלים של סקנדיום: http://www.youtube.com/watch?v=sMt5Dcex0kg&feature=plcp&list=PL395F526 6BC351BFC איור מתוך ויקיפדיה אורביטל מייצג את המרחב בו יש סיכוי גבוה למצוא אלקטרונים 30 שיתוף של אלקטרוני קשר=חפיפה של אורביטלים • האלקטרונים יכולים להיות בעלי אנרגיות מסוימות – ברמות אנרגיה מסוימות. • ככל שאלקטרון הוא בעל רמת אנרגיה יותר גבוהה, יש סיכוי למצוא אותו במרחק גדול יותר מהגרעין, והוא נמשך אל הגרעין בכוחות משיכה יותר חלשים וההיפך. דיאגרמת אנרגיה לאטום נתרן אנרגיה n=4 n=3 n=2 n=1 טבלה מחזורית אינטראקטיביתhttp://www.ptable.com/?lang=he : אלקטרון מאכלס קודם אורביטל ריק אורביטל מלא יציב יותר O Cl • נמצאים ברמה החיצונית באטום. • מספרם נע בין 1ל – .8 • בעלי פוטנציאל להשתתף ביצירת קשר כימי. ייצוג אלקטרוני על-פי לואיס מייצג את אלקטרוני הערכיות – האלקטרונים שנמצאים ברמה החיצונית. לדוגמה :ייצוג של אטומים: ייצוג אלקטרוני על-פי לואיס מסייע לחזות כמה קשרים אטום יכול ליצור. 35 מס' הטור = מס' אלקטרוני הערכיות = מס' האלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה.. מס' השורה = מס' רמות האנרגיה המאוכלסות. יכולת קישור היא מספר הקשרים היחידים שאטום יכול ליצור .היא שווה למספר האלקטרונים הבלתי-מזווגים של האטום. מספר הקשרים שייצור האטום לאטומים אחרים הוא על פי יכולת הקישור שלו. טבלה מחזורית אינטראקטיבית: http://www.ptable.com/?lang=he 8 7 6 5 4 3 2 1 טור האטום Ne F O N C B Be Li יכולת הקישור ---- 1 2 3 4 3 2 1 כלור Cl2 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Ar בדרך כלל יצירת הקשר מובילה לקבלת אורביטלים מלאים יציבים יותר רמת אנרגיה מלאה בדומה לגזים האצילים 8 ,אלקטרונים ברמה החיצונית כלל האוקטט 38 (לא תמיד!) נוסחת ייצוג אלקטרונית לפי לואיס ייצוג אלקטרוני הקשר באמצעות קו Cl Cl זוג אלקטרוני הקשר Cl Cl נוסחת מבנה מודל Cl Cl חלק מהתרכובות יוצאות מן הכלל: XeF4 BF3 SF4 NeF2 מה מספר האלקטרונים סביב האטום המרכזי? חמצן O O O O O O O2 חנקן N N N N N N 41 N2 *אלקטרושליליות -מדד למשיכה של האטום את אלקטרוני הקשר (לפי פאולינג). *לכל אטום חושב מספר .המספרים נמצאים בטווח .4 - 0 *ההפרש בין המספרים מהווה מדד לקוטביות. *ככל שההפרש גדול יותר הקוטביות של הקשר גדולה יותר. ליסודות שונים ערכי אלקטרושליליות שונים *אטומים של אל-מתכת עם אלקטרושליליות שווה - קשר קוולנטי טהור *אטומים של אל-מתכת עם אלקטרושליליות שונה - קשר קוולנטי קוטבי *אטומים של אל-מתכת ומתכת עם אלקטרושליליות שונה מאוד -קשר יוני אך זה לא שחור או לבן ,יש רצף דוגמאות למולקולות שבהן יש קשר קוולנטי קוטבי בין האטומים: HCl, HBr, H2O, NH3 45 אלקטרושליליות שווה וגדולה קשר קוולנטי טהור שונה קוולנטי קוטבי שונה מאוד יוני קישור לסרטון :הכנת מודלים מבקבוקים אתר ובו הסברים ,איורים וסימולציות בנושא הקשר הכימי: http://wphschem.webs.com/bonding.htm http://www.youtube.com/watch?v=QqjcCvz Wwww http://www.youtube.com/watch?v=vlVtbXZO PXs http://www.youtube.com/watch?v=k3w6oTlI Wt8&feature=related http://www.miamisci.org/af/sln/phantom/sp ectroscope.html Build a Molecule בניית מודלים של מולקולות.5 http://phet.colorado.edu/en/simulations/translated/iw * מבנה של נתרן כלורי.6 * http://www.avogadro.co.uk/structure/chemstruc/ionic/g-ionic.htm Reactants, Products רמת הסמל והרמה החלקיקית של תהליכים כימיים.7 * and Leftovers http://pHet.colorado.edu/en/simulations/translated/iw * : מודלים ממוחשבים של מולקולות.8 http://www.edinformatics.com/interactive_molecules/water.htm : קשר קוולנטי יחיד כפול ומשולש.9 https://www.youtube.com/watch?v=UR4eG60jjQQ : שיר על קשרים כימיים ומודלים.10 https://www.youtube.com/watch?v=oNBzyM6TcK8 https://www.youtube.com/watch?v=j1e-f1W-0UA : קשר קוולנטי.11 דף עבודה בנושא הקשר הכימי על פי רצף ההוראה.