8.3 Fjölföld tengi

Líkan blendingsvigrúma virðist gera vel grein fyrir rúmfræði sameinda sem innihalda stök samgild tengi. Getur það einnig lýst sameindum sem innihalda tví- og þrítengi? Við höfum þegar rætt að fjölföld tengi samanstanda af σ- og π-tengjum. Næst getum við skoðað hvernig við sjáum þessa hluti fyrir okkur og hvernig þeir tengjast blendingsvigrúmum. Lewis-bygging etens, C₂H₄, sýnir okkur að hvert kolefnisatóm er umkringt einu öðru kolefnisatómi og tveimur vetnisatómum.

A Lewis structure is shown in which two carbon atoms are bonded together by a double bond. Each carbon atom is bonded to two hydrogen atoms by a single bond.

Þrjú tengisvæðin mynda þríhyrningsflatneskju rafeindapara-rúmfræði. Því gerum við ráð fyrir að σ-tengin frá hverju kolefnisatómi séu mynduð með setti af sp²-blendingsvigrúmum sem verða til við blöndun tveggja af 2p-svigrúmunum og 2s-svigrúminu (Mynd 8.22). Þessi svigrúm mynda C–H stök tengi og σ-tengið í ${\text{C}=\text{C}}$ tvítenginu (Mynd 8.23). π-tengið í ${\text{C}=\text{C}}$ tvítenginu verður til vegna skörunar þriðja (eftirstandandi) 2p-svigrúmsins á hverju kolefnisatómi sem tekur ekki þátt í blönduninni. Þetta óblandaða p-svigrúm (bleðlar sýndir í rauðu og bláu á Mynd 8.23) er hornrétt á plan sp²-blendingssvigrúmanna. Þannig skarast óblönduðu 2p-svigrúmin hlið við hlið, fyrir ofan og neðan tengiásinn (Mynd 8.23) og mynda π-tengi.

Mynd 8.22 Í eten er hvert kolefnisatóm sp²-blandað og sp²-svigrúmin og p-svigrúmið eru hálffull. Blendingssvigrúmin skarast til að mynda σ-tengi, á meðan p-svigrúmin á hverju kolefnisatómi skarast til að mynda π-tengi.

Two diagrams are shown labeled, “a” and “b.” Diagram a shows two carbon atoms with three purple balloon-like orbitals arranged in a plane around them and two red balloon-like orbitals arranged vertically and perpendicularly to the plane. There is an overlap of two of the purple orbitals in between the two carbon atoms, and the other four purple orbitals that face the outside of the molecule are shown interacting with spherical blue orbitals from four hydrogen atoms. Diagram b depicts a similar image to diagram a, but the red, vertical orbitals are interacting above and below the plane of the molecule to form two areas labeled, “One pi bond.” — Mynd 8.23 Í etensameindinni, C₂H_4, eru (a) fimm σ-tengi. Eitt C–C σ-tengi verður til vegna skörunar sp²-blendingssvigrúma á kolefnisatóminu við eitt sp²-blendingssvigrúm á hinu kolefnisatóminu. Fjögur C–H tengi verða til vegna skörunar milli sp²-svigrúma kolefnisatómanna og s-svigrúma á vetnisatómum. (b) π-tengið myndast við hlið-við-hlið skörun tveggja óblandaðra p-svigrúma í kolefnisatómum tveimur. Tveir bleðlar π-tengisins eru fyrir ofan og neðan plan σ-kerfisins.

Í etensameind eru fjögur vetnisatóm og tvö kolefnisatóm öll í sama plani. Ef plön sp²-blendingssvigrúmanna tveggja hölluðu hvort miðað við annað, myndu p-svigrúmin ekki vera í þeirri stöðu að skarast á skilvirkan hátt til að mynda π-tengið. Flatneskjuskipan etensameindarinnar á sér stað vegna þess að hún er stöðugasta tengifyrirkomulagið. Þetta er marktækur munur á σ- og π-tengjum; snúningur um stök (σ) tengi á sér auðveldlega stað vegna þess að enda-til-enda skörun svigrúma er ekki háð afstæðri stefnu svigrúmanna á hverju atómi í tenginu. Með öðrum orðum, snúningur um tengiásinn breytir ekki umfangi skörunar σ-tengisvigrúmanna vegna þess að rafeindaþéttleiki tengisins er samhverfur um ásinn. Snúningur um tengiásinn er mun erfiðari fyrir fjölföld tengi þar sem það myndi draga verulega úr skörun π-tengisvigrúmanna utan ássins og í raun rjúfa π-tengið.

Í sameindum með sp-blendingssvigrúm eru tvö óblönduð p-svigrúm eftir á atóminu (Mynd 8.24). Við finnum þetta ástand í asetýleni, ${\text{H−C≡C−H},}$ sem er línuleg sameind. sp-blendingssvigrúm kolefnisatómanna tveggja skarast enda til enda til að mynda σ-tengi milli kolefnisatómanna (Mynd 8.25). Eftirstandandi sp-svigrúmin mynda σ-tengi við vetnisatóm. Óblönduðu p-svigrúmin tvö á hverju kolefni eru staðsett þannig að þau skarast hlið við hlið og mynda þar með tvö π-tengi. Kolefnisatómin tvö í asetýleni eru því bundin saman með einu σ-tengi og tveimur π-tengjum, sem gefur þrítengi.

A diagram of a carbon atom with two balloon-like purple orbitals labeled, “sp” arranged in a linear fashion around it is shown. Four red balloon-like orbitals are aligned in pairs in the y and z axes around the carbon and are labeled, “unhybridized p orbital,” and, “Second unhybridized p orbital.” — Mynd 8.24 Skýringarmynd af tveimur línulegum sp-blendingssvigrúmum kolefnisatóms, sem liggja í beinni línu, og tveimur óblönduðum p-svigrúmum sem eru hornrétt á þau.

Two diagrams are shown and labeled, “a” and “b.” Diagram a shows two carbon atoms with two purple balloon-like orbitals arranged in a plane around each of them, and four red balloon-like orbitals arranged along the y and z axes perpendicular to the plane of the molecule. There is an overlap of two of the purple orbitals in between the two carbon atoms. The other two purple orbitals that face the outside of the molecule are shown interacting with spherical blue orbitals from two hydrogen atoms. Diagram b depicts a similar image to diagram a, but the red, vertical orbitals are interacting above and below and to the front and back of the plane of the molecule to form two areas labeled, “One pi bond,” and, “Second pi bond,” each respectively. — Mynd 8.25 (a) Í asetýlensameindinni, C₂H_2, eru tvö C–H σ-tengi og ${\text{C}≡\text{C}}$ þrítengi sem felur í sér eitt C–C σ-tengi og tvö C–C π-tengi. Stiplalínurnar, sem hver um sig tengir tvo bleðla, gefa til kynna hlið-við-hlið skörun fjögurra óblandaðra p-svigrúma. (b) Þetta sýnir heildarútlínur tengjanna í C₂H₂. Tveir bleðlar hvers π-tengis eru staðsettir hvor á móti öðrum umhverfis línu C–C σ-tengisins.

Blending nær aðeins til σ-tengja, stakra rafeindapara og stakra óparaðra rafeinda (radíkala). Byggingar sem gera grein fyrir þessum eiginleikum lýsa réttri blendingu atómanna. Hins vegar innihalda margar byggingar einnig samgildisform. Mundu að samgildisform koma fram þegar ýmsar uppraðanir á π-tengjum eru mögulegar. Þar sem uppröðun π-tengja felur aðeins í sér óblenduð svigrúm hefur samgildi ekki áhrif á ákvörðun blendingar.

Til dæmis hefur sameindin bensen tvö samgildisform (Mynd 8.26). Við getum notað hvort þessara forma sem er til að ákvarða að hvert kolefnisatóm sé tengt þremur öðrum atómum án stakra rafeindapara, þannig að rétt blending er sp². Rafeindirnar í óblönduðu p-svigrúmunum mynda π-tengi. Hvorugt samgildisformið lýsir rafeindunum í π-tengjunum að fullu. Þær eru ekki staðsettar í einni stöðu eða annarri, heldur eru þær í raun óstaðbundnar um allan hringinn. Gildisrafeindatengjafræðin á erfitt með að útskýra óstaðbundnar rafeindir. Tengsl í sameindum með samgildisformum er betur lýst með sameindasvigrúmafræði. (Sjá næsta kafla.)

Mynd 8.26 Hvert kolefnisatóm í benseni, C₆H₆, er sp²-blandað, óháð því hvaða samgildisform er skoðað. Rafeindirnar í π-tengjunum eru ekki staðsettar í einu setti af p-svigrúmum eða öðru, heldur eru þær óstaðbundnar um alla sameindina.

Dæmi 8.4

Ákvörðun blendingar með samgildi

Súrt regn verður að hluta til vegna hvarfs brennisteinsdíoxíðs við vatnsgufu í andrúmsloftinu og síðari myndunar brennisteinssýru. Brennisteinsdíoxíð, SO₂, er stór hluti af eldfjallagösum auk þess að vera afurð bruna á brennisteinsríkum kolum. Hver er blending brennisteinsatómsins í SO₂?

Lausn

Samgildisform SO₂ eru

Brennisteinsatómið er umkringt tveimur tengjum og einu stöku rafeindapari í hvoru samgildisforminu sem er. Þess vegna er rúmfræði rafeindaparanna þríhyrnd og flöt og blending brennisteinsatómsins er sp².

Kannaðu þekkingu þína

Önnur sýra í súru regni er saltpéturssýra, HNO₃, sem myndast við hvarf köfnunarefnisdíoxíðs, NO₂, við vatnsgufu í andrúmsloftinu. Hver er blending köfnunarefnisatómsins í NO₂? (Athugið: staka rafeindin á köfnunarefni tekur blandað svigrúm alveg eins og stakt rafeindapar myndi gera.)

Námsmarkmið