9789612415396

a. co m

Verige in obroči Janez Cerkovnik

kn

jig

ar n

Špela Tršek

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 1

11.7.2011 14:34:10

Verige in obroči Učbenik za kemijo v gimnaziji Avtorja Špela Tršek, dr. Janez Cerkovnik

a. co m

Recenzentke dr. Berta Košmrlj, Sanja Cvar, Renata Capuder Urednica Špela Fortuna Lektorica Zala Mikeln

Tehnične risbe Darko Simeršek Modeli Igor Cerar

Fotografije Tomaž Lunder, Špela Tršek, © Bigstock, © Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt, arhiv založbe Modrijan

ar n

Oprema in oblikovanje Branka Smodiš Prelom Goran Čurčič

jig

Izdala in založila Modrijan založba, d. o. o.

Za založbo Branimir Nešović Natisnjeno v Sloveniji Naklada 2000 izvodov Ljubljana 2011 Prva izdaja

kn

Strokovni svet RS za splošno izobraževanje je na seji dne 16. 6. 2011 s sklepom št. 6130-1/2011/64 potrdil učbenik Verige in obroči, učbenik za kemijo v gimnaziji, ki sta ga napisala Špela Tršek in Janez Cerkovnik.

© Modrijan založba, d. o. o.

CIP – Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 54(075.3) TRŠEK, Špela Verige in obroči : učbenik za kemijo v gimnaziji / Špela Tršek, Janez Cerkovnik ; [tehnične risbe Darko Simeršek ; modeli Igor Cerar ; fotografije Tomaž Lunder ... et al.]. – 1. izd. – Ljubljana : Modrijan, 2011 ISBN 978-961-241-539-6 1. Cerkovnik, Janez 255825664

www.modrijan.si

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 2

11.7.2011 14:34:11

Vsebina Zgradba molekul organskih spojin

Izomerija Izomerija organskih spojin Strukturne izomerije Stereoizomerije

Organske reakcije Osnove organskih reakcij

Ogljikovodiki Zgradba in lastnosti ogljikovodikov Reaktivnost alkanov Reaktivnost alkenov Reaktivnost arenov

ar n

Halogenirani ogljikovodiki

Lastnosti in pridobivanje Reaktivnost halogeniranih ogljikovodikov Uporaba in vplivi na okolje

Organske kisikove spojine

jig

Pregled organskih kisikovih spojin Alkoholi Aldehidi in ketoni Karboksilne kisline in njihovi derivati

Ogljikovi hidrati

Nastanek in razširjenost ogljikovih hidratov Delitev in različni strukturni zapisi ogljikovih hidratov Vloga ogljikovih hidratov v prehrani

Lipidi

kn

Zgradba in lastnosti lipidov Pomen lipidov v prehrani Površinsko aktivna sredstva

Organske dušikove spojine Zgradba in lastnosti organskih dušikovih spojin Amini Aminokisline Peptidi Beljakovine

Polimeri Zgradba in lastnosti polimerov Pridobivanje polimerov Polimeri in okolje

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 3

5 6 8 15 18 32

a. co m

Razširjenost organskih spojin Zgradba ogljikovega atoma Formule organskih molekul Zgradba organskih molekul in njihovo poimenovanje Osnovne funkcionalne skupine v organskih molekulah in njihovo poimenovanje

45 46 48 52 59 60

69 70 80 84 91

95 96 100 104

107 108 109 120 129 143 144 146 156 159 160 165 167 171 172 174 177 181 183 187 188 191 195

11.7.2011 14:34:11

Pomoč pri prebiranju učbenika

a. co m

Avtorja želiva, da bi bil dijakom in učiteljem učbenik v dobrodošlo pomoč pri učenju kemije. Skupaj z založbo sva si prizadevala, da bi naredila sodoben, privlačen in zanimiv kemijski učbenik, ki bo mogoče koga med vami prepričal, da bi se resneje posvetil naravoslovnim in tehničnim vedam.

Seveda pa bova vesela vseh vaših morebitnih pripomb in predlogov, ki bi pripomogli k temu, da bi bil učbenik še boljši.

Avtorja

Zgradba molekul organskih spojin

30

od imena ločena z vezajem. Če so na benzen vezani trije ali več substituentov, takšnega načina označevanja ne smemo uporabljati.

Če sta skupini vezani na sosednja ogljikova atoma benzenovega obroča, rečemo, da sta v orto položaju (zapis o-).

Zapisa predstavljata identično spojino.

Ni pomembno, na katera ogljikova atoma benzenovega obroča vežemo skupini, pomembno je, da sta vezani na sosednjih ogljikovih atomih. Podobno velja za vse ciklične spojine.

Ozon – prijatelj ali sovražnik?

O ozonu se danes veliko piše in govori. Toda kaj ozon sploh je in koliko vemo o njem?

Dovolj velika koncentracija stratosferskega ozona ščiti pred nevarnim kratkovalovnim sevanjem. Nasprotno je povečana koncentracija ozona v nižjih plasteh atmosfere, v troposferi, za nas škodljiva, saj poveča možnost bolezni dihal. Pri tem so ogroženi zlasti otroci in odrasli s kroničnimi dihalnimi obolenji, nevarnost pa preti tudi rastlinam in živalim. Ozon v troposferi nastane iz dušikovih oksidov in ogljikovodikov pod vplivom sončne svetlobe, torej je produkt fotokemičnih reakcij. Rečemo mu tudi fotokemični smog. Koncentracija troposferskega ozona se lahko močno poveča v sončnem vremenu na območjih, onesnaženih z izpušnimi plini in emisijami industrijskih obratov. Na raven onesnaženosti zraka z ozonom pa pomembno prispeva tudi prenos koncentracij ozona prek meja, posebej na Primorsko, saj je Padska nižina eno izmed območij v Evropi, kjer nastajajo največje količine ozona.

Če sta skupini vezani na nasprotno ležeča ogljikova atoma (med njima sta dva ogljikova atoma benzenovega obroča), rečemo, da sta skupini v para položaju (zapis p-).

V skladu z navodili Svetovne zdravstvene organizacije (WHO – World Health Organization) za Evropo je pri povečanih koncentracijah ozona treba opozoriti ljudi.

ar n S krogličnimi modeli sestavite model molekule benzena, naftalena in antracena. Sestavite tudi modele različno velikih monocikličnih konjugiranih molekul (ciklobutadien, benzen, ciklooktatetraen, ciklodekapentaen) in primerjajte geometrijo (planarnost in simetrijo) teh molekul.

Enoumnega odgovora na vprašanje, ali je ozon naš prijatelj ali sovražnik, torej ni. Troposferski ozon je tako rekoč naš sovražnik, stratosferski ozon pa prijatelj.

vprašanja za ponavljanje in utrjevanje

1. Katero spojino bi bilo najbolj smiselno uporabiti v gasilnih sredstvih?

Odgovor utemeljite.

A benzen C aceton B butan Č dibromodifluorometan 2. V okviru sodelovalno-projektnega dela pripravite krajše projekte (3–6 strani) na temo uporabe halogeniranih ogljikovodikov in njihovega vpliva na okolje. Za posamezne projekte si izberite eno področje uporabe oziroma en ekološki problem. Pri delu uporabite različne vire. Pripravite tudi krajšo (računalniško) predstavitev.

D O D AT N A Z N A N J A

V aromatskih molekulah so elektroni v π-vezeh enakomerno porazdeljeni po celotnem obroču. Vse vezi so enako močne in dolge, kar razlagamo z delokalizacijo elektronov v dvojnih vezeh. Delokalizacijo elektronov v konjugiranih π-vezeh lahko razložimo s prostorsko usmerjenostjo orbital p, ki sodelujejo v π-vezeh. Vsi ogljikovi atomi, ki so vključeni v izmenjajoče se enojne in dvojne vezi, imajo po tri hi2 bridne orbitale sp , ki zaradi trikotne geometrije ležijo v isti ravnini, in po eno orbitalo p, ki je pravokotna na to ravnino ter sega nad in pod ravnino hibridnih orbital. Ker vse orbitale p segajo v isto smer prostora, se med seboj bočno prekrivajo, kar omogoča neoviran »pretok« elektronov v π-vezeh po vseh ogljikovih atomih, ki so vključeni

jig

vsebine, ki jih učni načrt ne zajema, nadgradijo dijakovo znanje in so pomembne s stališča medpredmetnih povezav

zanimivost

Zapišimo nekaj primerov poimenovanja disubstituiranih benzenovih derivatov.

delo z modeli dodatna znanja

Če je med vezanima skupinama en ogljikov atom benzenovega obroča, rečemo, da sta skupini v meta položaju (zapis m-).

Halogenirani ogljikovodiki

106

10

povzetek

Zgradba molekul organskih spojin

Reaktivnost alkenov

V organski kemiji je treba za razumevanje zgradbe spojin poznati zgradbo razmeroma majhnega števila elementov v periodnem sistemu.

osnovna znanja

Halogenirani ogljikovodiki so spojine ogljika, vodika in halogenov. Pri običajnih reakcijskih pogojih so samo halogenoalkani reaktivni za izmenjavo atoma halogena. Pri njih potekajo reakcije eliminacije in nukleofilne substitucije. Zaradi svojih lastnosti so se halogenirani ogljikovodiki uveljavili na številnih področjih uporabe (kot topila v kemičnih čistilnicah, gasilna sredstva, anestetiki, surovina za sintezo polimerov, pesticidi, hladilna sredstva, potisni plini), a je zdaj njihova uporaba zaradi škodljivosti za okolje in človeka močno omejena.

Ogljik ima štiri valenčne elektrone in tvori štiri kovalentne vezi (8 elektronov v vezeh).

85

Vsi nenasičeni ogljikovodiki (razen arenov) z bromom dokaj hitro reagirajo. Brom z alkeni reagira že pri sobnih pogojih. Produkti so večinoma brezbarvne spojine. Pri reakciji se koncentracija broma zmanjšuje. Po določenem času ga v reakcijski zmesi ni več, zato se raztopina razbarva. Razbarvanje bromovice je najpreprostejši dokaz za nenasičenost organskih spojin.

Raztopino broma, Br2, v vodi imenujemo bromovica.

Kako okusna (sladka) bo pijača, ki jo pripravimo iz instantnega napitka, lahko ocenimo že po njeni barvi.

Med reakcijo se koncentracija broma postopno zmanjšuje, zato tudi barva reakcijske zmesi bledi. Ko broma zmanjka, se raztopina popolnoma razbarva.

Dušik ima pet valenčnih elektronov. Tvori tri kovalentne vezi (6 elektronov v vezeh) in ima en nevezni elektronski par.

Kisik ima šest valenčnih elektronov. Tvori dve kovalentni vezi (4 elektrone v vezeh) in ima dva nevezna elektronska para.

Halogeni (F, Cl, Br, I) imajo sedem valenčnih elektronov. Tvorijo eno kovalentno vez (2 elektrona v vezi) in imajo tri nevezne elektronske pare.

kn

Vodik ima en valenčni elektron in tvori tvori eno kovalentno vez (napolnjena je prva lupina).

posebna znanja

O polarnosti in elektronegativnosti preberite v učbeniku Atomi in molekule na str. 60 in 61, o metodi VSEPR pa na str. 62.

Včasih poskušajo zgradbo in geometrijo molekul razlagati z odbojem valenčnih elektronskih parov, s t. i. metodo VESPR, vendar se je v novejšem času v organski kemiji uveljavila razlaga s hibridnimi orbitalami.

BROMIRANJE CIKLOHEKSANA IN CIKLOHEKSENA

Razlaga zgradbe organskih molekul s hibridnimi orbitalami Najprej ponovimo zgradbo elektronske ovojnice, v kateri se gibljejo elektroni. Elektroni so razvrščeni v lupine, ki jim rečemo tudi glavni energijski nivoji. Vsaka lupina je sestavljena iz podlupin, ki jih označimo s črkami s, p, d in f. Orbitale iste podlupine so energijsko enakovredne in imajo značilno obliko ter usmeritev v prostoru.

Orbitala s ima obliko krogle.

Podobno lahko po barvi bromovice ocenimo, v kateri raztopini je koncentracija broma večja.

Pripravite dve stojali za epruvete, štiri epruvete, štiri kovinske pokrovčke, dve kapalki in škatlo iz kartona.

POSEBNA ZNANJA

dodatna ali poglobljena znanja, ki jih učitelj obravnava glede na zmožnosti in zanimanja dijakov

poskus

V digestoriju v dve epruveti s kapalko odmerite približno 2 mL cikloheksana, v dve epruveti pa z drugo kapalko približno 2 mL cikloheksena. Spojini sta hlapni, neprijetnega vonja, dražljivi in zdravju škodljivi, zato je treba epruvete takoj pokriti s kovinskim pokrovčkom.

Epruvete ustrezno označite.

cikloheksan cikloheksen bromovica

V vsako stojalo postavite eno epruveto s cikloheksanom in eno epruveto s cikloheksenom. V vse štiri epruvete dodajte po 1 mL razredčene bromovice, premešajte in ponovno pokrijte s kovinskimi pokrovčki.

Eno izmed stojal takoj po dodajanju bromovice pokrijte s škatlo, drugo stojalo pa postavite na okensko polico. Čez 20 minut pokrito stojalo odkrijte in opazujte spremembe. Zapišite opažanja.

V katerih epruvetah je prišlo do reakcije in na podlagi česa lahko to sklepate?

Kaj dokazuje ta eksperiment?

Tri orbitale p so usmerjene okrog osi x, y in z. Označimo jih s px, py in pz.

Oblika orbitale p – prostorska pentlja

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 4

V večini kovalentnih vezi, ki nastopajo v organskih spojinah, elektroni niso enakomerno porazdeljeni med atoma, ki nastopata v skupni vezi, temveč so običajno bližje atomu, ki je bolj elektronegativen.

Takšne vezi imenujemo polarne kovalentne vezi.

Za razlago nastanka kovalentnih vezi med ogljikovimi atomi oziroma med ogljikovim atomom in drugimi atomi si največkrat pomagamo z matematičnim modelom hibridnih orbital. Temu postopku pravimo hibridizacija orbital. To je sicer teoretični model, ki pa se v praksi

11.7.2011 14:34:11

jig

ar n

a. co m

Zgradba molekul organskih spojin

kn

Spoznali bomo: zgradbo in lastnosti ogljikovega atoma načine povezovanja ogljikovih atomov med seboj in z atomi elementov, ki najpogosteje nastopajo v organskih molekulah različne zapise formul organskih molekul razliko med organskimi molekulami glede na njihovo zgradbo (skelet) funkcionalne skupine pravila poimenovanja preprostih organskih molekul

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 5

11.7.2011 14:34:11

Zgradba molekul organskih spojin

6

RAZŠIRJENOST ORGANSKIH SPOJIN

a. co m

S hrano naše telo dobi potrebno energijo in snovi za obnavljanje celic v obliki maščob, sladkorjev in proteinov.

Organska kemija je kemija ogljika, C, in njegovih spojin, ki jih imenujemo organske spojine in med drugim sestavljajo gradnike življenja.

Maščobe, sladkorji, proteini in aminokisline so spojine, v katerih nastopa ogljik kot glavni element. Podobno velja za številne spojine, ki jih imamo pri vsakdanji rabi za samoumevne. Tako rekoč vsa oblačila, ki jih nosimo, bodisi naravna ali sintetična, so iz organskih vlaken in barv. Enako velja za mila, detergente, kozmetiko, parfume, pohištvo, zavese, preproge, plastične predmete, slike, hrano in še številne druge stvari. Prav tako je organska kemijska industrija, ki med drugim vključuje petrokemijo, agrokemijo, polimerno kemijo, farmacevtsko kemijo, proizvodnjo barv in različnih premazov ter ne nazadnje živilsko industrijo, med največjimi na svetu.

jig

ar n

Mnoge organske spojine in zmesi, kot so zdravila, pesticidi, polimeri, bencin in druga goriva, so bistveno izboljšale kvaliteto človeškega življenja. Če organski kemiki poznajo zgradbo in lastnosti molekul ter razumejo njihovo reagiranje, lahko pripravijo različne uporabne molekule in vplivajo na njihove lastnosti. Za to morajo poznati in uporabiti le nekaj osnovnih načel organske kemije.

Veliko otroških igrač in igral je narejenih iz organskih polimernih materialov.

kn

Barve vsebujejo organske molekule, ki se različno odzovejo na naravno in umetno svetlobo.

Zdravila in prehranska dopolnila so nepogrešljivi spremljevalec človeškega življenja.

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 6

Ocenjujejo, da je skoraj polovica vsega ogljika na zemlji v celulozi, ki je najpomembnejša sestavina lesa.

Vsa živa narava je sestavljena iz organskih molekul.

11.7.2011 14:34:11

Razširjenost organskih spojin

a. co m

7

Pohištvo, bodisi iz naravnih ali umetnih materialov, vsebuje organske molekule.

ar n

Moderne, okolju prijazne hiše so grajene iz naravnih materialov, od katerih jih velika večina vsebuje organske molekule.

Naftni derivati so glavni pogonski vir energije.

S snovmi organskega izvora se srečujemo na vsakem koraku.

Snovi organskega izvora lahko naredijo naše življenje prijetnejše.

kn

jig

Ime »organske spojine« izvira iz prvotnega prepričanja, da takšne spojine lahko nastanejo samo v živih organizmih. Leta 1828 je Friderich Wöhler kot prvi kemik v laboratoriju izven živega organizma sintetiziral organsko spojino, sečnino, iz anorganskih spojin (svinčevega cianata, vode in amonijaka) ter s tem ovrgel dotedanje prepričanje, da lahko organske spojine nastanejo samo pod vplivom neke življenjske sile. Sečnina je organski produkt v metabolizmu proteinov pri sesalcih.

Danes na svetu vsake 2,6 sekunde izolirajo ali sintetizirajo novo spojino. Nekatere od teh so v naravi, mnoge pa so pripravljene povsem na novo.

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 7

11.7.2011 14:34:12

Zgradba molekul organskih spojin

8

ZGRADBA OGLJIKOVEGA ATOMA

Energija vezi [kJ/mol]

H–H

432

C–C

346

Cl–Cl

240

Si–Si

222

Br–Br

190

N–N

167

O–O

Če na splošno pogledamo povezavo ogljikovih atomov v organskih spojinah, ugotovimo, da poleg osnovnih strukturnih vzorcev vezi C−C in C–H nastopata samo še dva bistveno drugačna splošna strukturna vzorca, in sicer: – povezava ogljikovega atoma z drugimi atomi nekovin, kot so kisik, dušik, klor, brom, fosfor in žveplo (atom, drugačen od ogljika ali vodika, v organski kemiji imenujemo tudi heteroatom);

ar n

Vez

a. co m

Jakost vezi med istovrstnimi atomi

Osnovne značilnosti organske kemije so tesno povezane z zgradbo in lastnostmi ogljikovega atoma. Poglejmo nekaj značilnosti, ki dajejo ogljiku in njegovim spojinam posebno mesto v kemiji: – ogljik je v več znanih spojinah kot katerikoli drug element razen vodika; – večina organskih spojin ima večje število vezi C−C in vsebuje tudi vodik; – primerjava jakosti vezi pokaže, da je med enojnimi vezmi med istovrstnimi atomi vez C−C druga najmočnejša vez (močnejša je samo vez H−H), od enojnih vezi ogljika z drugimi atomi pa je vez C−H druga najmočnejša, za vezjo C−F.

142

Jakost vezi med različnimi atomi Vez C–F

485 411

– povezava dveh ogljikovih atomov z dvojno ali trojno vezjo (v organski kemiji molekule, v katerih so ogljikovi atomi med seboj povezani z dvojno ali trojno vezjo, imenujemo nenasičene molekule).

jig

C–H

Energija vezi [kJ/mol]

358

C–Si

318

C–N

305

kn

C–O

Obe strukturni spremembi bistveno vplivata na lastnosti, z njimi pa so povezane tudi reakcije, v katerih lahko organske molekule sodelujejo.

Ker so vezi med ogljikovimi atomi, C−C, ter med ogljikovimi in vodikovimi atomi, C−H, med najmočnejšimi znanimi vezmi med elementi, je mogočih in dejansko znanih veliko ogljikovodikov, zaradi česar je tudi veliko organskih spojin.

Povezovanje ogljikovega atoma Ogljikov atom ima šest elektronov, od katerih sta dva razporejena v orbitali 1s, v prvi lupini, drugi štirje elektroni pa so v drugi lupini, in sicer dva v orbitali 2s in preostala dva v orbitalah 2p.

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 8

11.7.2011 14:34:13

Zgradba ogljikovega atoma

9

Za nastanek kemijskih vezi in kemijsko reaktivnost vsakega atoma so pomembni elektroni, ki zasedajo zunanjo lupino v atomu. V primeru ogljika so to elektroni druge lupine. Te elektrone imenujemo zunanji ali tudi valenčni elektroni. Sodelujejo pri nastanku kemijskih vezi in določajo število vezi, ki jih atom lahko tvori z drugimi atomi.

a. co m

Tvorbo vezi med atomi in njihovo število najlažje razložimo z oktetnim pravilom: Atomi težijo k tvorjenju molekul tako, da pri tem dosežejo oktet (osem elektronov) na zunanji, valenčni lupini in s tem pridobijo elektronsko konfiguracijo žlahtnega plina. Izjema je vodik, ki lahko v prvi lupini sprejme največ dva elektrona.

Razporeditev elektronov v atomu ogljika

Pri tvorbi ionskih vezi atomi dosežejo osem valenčnih elektronov na zunanji lupini s prenosom elektronov, v kovalentnih vezeh pa z medsebojno delitvijo valenčnih elektronov, tako da ti postanejo skupni obema atomoma, ki sodelujeta v vezi.

Z učbenikom Atomi in molekule ponovite zgradbo elektronske ovojnice, str. 27–33.

jig

ar n

Atomi v organskih spojinah se v veliki večini primerov med seboj povezujejo s kovalentnimi vezmi, pri čemer nastanejo molekule.

Ogljikov atom ima v drugi lupini štiri valenčne elektrone in najlažje doseže oktetno število tako, da si s štirimi sosednjimi atomi deli svoje štiri valenčne elektrone. V metanu na primer, ki je najpreprostejša organska molekula, ogljikov atom svoje štiri valenčne elektrone deli s štirimi elektroni štirih vodikovih atomov in tako pride do oktetnega števila. Hkrati pa ima vsak vodikov atom napolnjeno prvo lupino z dvema elektronoma.

Z učbenikom Atomi in molekule ponovite ionsko in kovalentno vez, str. 49–59.

Ogljikov atom v organskih spojinah vedno tvori štiri kovalentne vezi.

kn

Poleg ogljika in vodika v organskih spojinah najpogosteje najdemo razmeroma majhno število drugih elementov. Največkrat so to atomi dušika, kisika, fosforja, žvepla in halogenov (F, Cl, Br, I), torej elementi nekovin, ki tvorijo spojine s kovalentno vezjo.

Atomi si lahko med seboj delijo tudi več kot samo en elektronski par. Tako poleg dveh elektronov v enojni vezi ogljik in tudi nekateri drugi elementi tvorijo dvojne vezi s štirimi elektroni in trojne vezi s šestimi elektroni ter tako izpolnijo oktetno število v zadnji, valenčni lupini.

Elementi nekovin, ki tvorijo spojine s kovalentno vezjo.

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 9

11.7.2011 14:34:13

Zgradba molekul organskih spojin

10

V organski kemiji je treba za razumevanje zgradbe spojin poznati zgradbo razmeroma majhnega števila elementov v periodnem sistemu.

a. co m

Ogljik ima štiri valenčne elektrone in tvori štiri kovalentne vezi (8 elektronov v vezeh).

Dušik ima pet valenčnih elektronov. Tvori tri kovalentne vezi (6 elektronov v vezeh) in ima en nevezni elektronski par.

Kisik ima šest valenčnih elektronov. Tvori dve kovalentni vezi (4 elektrone v vezeh) in ima dva nevezna elektronska para.

Halogeni (F, Cl, Br, I) imajo sedem valenčnih elektronov. Tvorijo eno kovalentno vez (2 elektrona v vezi) in imajo tri nevezne elektronske pare.

Vodik ima en valenčni elektron in tvori eno kovalentno vez (zapolnjena je prva lupina).

O polarnosti in elektronegativnosti preberite v učbeniku Atomi in molekule na str. 60 in 61, o metodi VSEPR pa na str. 62–65.

V večini kovalentnih vezi, ki nastopajo v organskih spojinah, elektroni niso enakomerno porazdeljeni med atoma, ki nastopata v skupni vezi, temveč so običajno bližje atomu, ki je bolj elektronegativen.

Takšne vezi imenujemo polarne kovalentne vezi.

ar n

Včasih poskušajo zgradbo in geometrijo molekul razlagati z odbojem valenčnih elektronskih parov, s t. i. metodo VESPR, vendar se je v novejšem času v organski kemiji uveljavila razlaga s hibridnimi orbitalami.

POSEBNA ZNANJA

jig

Razlaga zgradbe organskih molekul s hibridnimi orbitalami

kn

Najprej ponovimo zgradbo elektronske ovojnice, v kateri se gibljejo elektroni. Elektroni so razvrščeni v lupine, ki jim rečemo tudi glavni energijski nivoji. Vsaka lupina je sestavljena iz podlupin, ki jih označimo s črkami s, p, d in f. Orbitale iste podlupine so energijsko enakovredne in imajo značilno obliko ter usmeritev v prostoru.

Orbitala s ima obliko krogle.

Oblika orbitale p – prostorska pentlja

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 10

Tri orbitale p so usmerjene okrog osi x, y in z. Označimo jih s px, py in pz.

Za razlago nastanka kovalentnih vezi med ogljikovimi atomi oziroma med ogljikovim atomom in drugimi atomi si največkrat pomagamo z matematičnim modelom hibridnih orbital. Temu postopku pravimo hibridizacija orbital. To je sicer teoretični model, ki pa se v praksi

11.7.2011 14:34:13

Zgradba ogljikovega atoma

11

dobro ujema z eksperimentalno določenimi dolžinami in energijami vezi ter geometrijo molekul.

1. Nastanek štirih enakovrednih hibridnih orbital na ogljiku

a. co m

Od štirih valenčnih elektronov v atomu ogljika dva tvorita elektronski par (v orbitali 2s), dva pa sta samska (v dveh orbitalah 2p, ker se s tem zmanjša odboj med njima). Z dodatkom energije lahko en elektron v orbitali 2s spodbudimo k temu, da preide v prazno orbitalo 2p. Tako pride do elektronske razporeditve, pri kateri je v drugi lupini v vsaki orbitali (2s, 2px, 2py, 2pz) en elektron. Tako imamo za tvorbo vezi na voljo štiri samske elektrone v štirih orbitalah.

jig

ar n

Ogljikov atom bi v tem primeru lahko tvoril štiri energijsko neenakovredne vezi. Zato orbitalo 2s in tri orbitale 2p preoblikujemo v štiri energijsko enakovredne hibridne orbitale 2sp3, ki so po obliki in velikosti enake.

kn

Orbitale sp3 imajo 25-odstotni delež značaja s in 75-odstotni delež značaja p. Vsaka od teh štirih hibridnih orbital ima po en valenčni elektron in je tako pripravljena za tvorbo vezi z orbitalo sosednjega 3 atoma. Štiri energijsko enakovredne hibridne orbitale sp so v prostoru med seboj maksimalno oddaljene druga od druge, kar pomeni, da je med njimi kot 109,5 °. Hibridne orbitale segajo v smeri oglišč tetraedra, geometrijskega telesa s štirimi oglišči.

S prekrivanjem atomskih ali hibridnih orbital enega atoma z atomskimi ali hibridnimi orbitalami drugega atoma nastanejo molekulske orbitale, ki predstavljajo vezi med atomi.

Hibridne orbitale sp3

V primeru metana se prekrivajo hibridne or3 bitale 2sp ogljika z atomskimi orbitalami 1s vodika. Med ogljikovim in vodikovim atomom nastane σ-vez s čelnim prekrivanjem hibridne 3 orbitale 2sp ogljikovega atoma in krogelno simetrične atomske orbitale 1s vodikovega atoma.

Tetraeder

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 11

11.7.2011 14:34:13

Zgradba molekul organskih spojin

12

Enako velja za prekrivanje hibridnih orbital dveh sosednjih ogljikovih atomov, kot je to v primeru molekule etana. Pri čelnem prekrivanju hibridnih orbital nastane prav tako kot pri prekrivanju hibridnih orbital z atomskimi orbitalami σ-vez.

a. co m

O prekrivanju orbital in tvorbi različnih vezi ponovite v učbeniku Atomi in molekule na str. 55–58.

2. Nastanek treh enakovrednih hibridnih orbital na ogljiku

ar n

V primerih, ko ogljikov atom s sosednjim atomom tvori dvojno vez, si pri razlagi pomagamo s hibridnimi orbitalami tako, da preoblikujemo eno orbitalo 2s in dve orbitali 2p v tri energijsko enakovredne 2 hibridne orbitale 2sp , ki imajo 33-odstotni delež značaja s in 67-odstotni delež značaja p. Štiri valenčne elektrone ogljikovega atoma razporedimo tako, da so trije elektroni v treh hibridnih orbitalah, četrti elektron pa ostane v nehibridizirani orbitali 2p.

kn

jig

Tri energijsko enakovredne hibridne orbitale so v prostoru med seboj maksimalno oddaljene tako, da ležijo v isti ravnini in je med njimi kot 120°, se pravi, da segajo v smeri oglišč enakostraničnega trikotnika. Četrta, nepopolno zasedena, nehibridizirana orbitala 2p je pravo2 kotna na ravnino orbital sp in je na voljo za bočno prekrivanje z orbitalo p sosednjega atoma, s tem pa omogoča nastanek π-vezi. V tem primeru morata biti orbitali 2p sosednjih ogljikovih atomov v prostoru enako usmerjeni. Narišimo primer prekrivanja orbital pri etenu.

3. Nastanek dveh enakovrednih hibridnih orbital na ogljiku

Ko ogljikov atom s sosednjim atomom tvori trojno vez, si pri razlagi vezi pomagamo s hibridnimi orbitalami tako, da preoblikujemo eno orbitalo 2s in eno orbitalo 2p v dve energijsko enakovredni hibridni orbitali 2sp, ki imata 50-odstotni delež značaja s in 50-odstotni delež značaja p. Štiri valenčne elektrone ogljikovega atoma razporedimo

kemija za gimnazije 3 ucb 001.indd 12

11.7.2011 14:34:13