Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 33.

Kategoria: Hybrydyzacja orbitali i kształt cząsteczek Typ: Uzupełnij/narysuj wykres, schemat lub tabelę Zamknięte (np. testowe, prawda/fałsz)

Na poniższych rysunkach przedstawiono schemat oddziaływania orbitali zhybrydyzowanych atomów węgla i orbitali 1s atomów wodoru, w którego wyniku powstają wiązania chemiczne w cząsteczkach pewnych węglowodorów.

Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2011, s. 157.

a)	Wypełnij tabelę, wpisując literę P, jeżeli zdanie jest prawdziwe, lub literę F – jeżeli jest fałszywe.

	Zadanie	P/F
1.	Rysunek I przedstawia przestrzenne rozmieszczenie wiązań chemicznych w cząsteczce, w której każdy atom węgla ma hybrydyzację sp³.
2.	Rysunek II przedstawia przestrzenne rozmieszczenie wiązań chemicznych w cząsteczce, w której każdy atom węgla ma hybrydyzację sp.
3.	Odległość między jądrami atomu węgla w cząsteczce, której kształt przedstawiono na rysunku I, jest mniejsza niż odległość między jądrami atomu węgla w cząsteczce, której kształt przedstawiono na rysunku II.

b)	Wypełnij tabelę, wpisując liczbę wiązań σ i liczbę wiązań π w cząsteczkach, których kształt przedstawiono na rysunkach I i II.

Numer rysunku	Liczba wiązań σ	Liczba wiązań π
I
II

Rozwiązanie

Poprawna odpowiedź

(0-1)
1. F
2. P
3. F

(0-1)

Numer rysunku	Liczba wiązań σ	Liczba wiązań π
I	5	1
II	3	2

Wskazówki

Na rysunku I przedstawiono schemat powstawania wiązań w cząsteczce węglowodoru, w której skład wchodzą 2 atomy węgla i 4 atomy wodoru. Oba atomy węgla są równocenne (mają identyczne właściwości). Każdy z nich jest połączony z 2 atomami wodoru i z atomem węgla. Z przedstawionego schematu wynika, że w powłoce walencyjnej każdego atomu węgla są 3 równocenne orbitale zhybrydyzowane (hybrydy), których oddziaływanie z orbitalami 1s 2 atomów wodoru i orbitalem zhybrydyzowanym drugiego atomu węgla prowadzi do powstania cząsteczki płaskiej: wszystkie tworzące ją atomy leżą w jednej płaszczyźnie, a osie wiązań C–H i C–C budujących jej szkielet przecinają się pod kątem 120°. Stan, w którym w powłoce walencyjnej atomu węgla istnieją 3 równocenne orbitale zhybrydyzowane, wymaga założenia, że powstały one w wyniku „wymieszania” również 3 (różnych) walencyjnych orbitali atomowych: 1 podpowłoki 2s i 2 podpowłoki 2p, co zapisujemy symboliczne jako sp².

Na rysunku II przedstawiono schemat powstawania wiązań w cząsteczce węglowodoru, w której skład wchodzą 2 atomy węgla i 2 atomy wodoru. Oba atomy węgla są równocenne. Każdy z nich jest połączony z atomem wodoru i z atomem węgla. Z przedstawionego schematu wynika, że w powłoce walencyjnej każdego atomu węgla są dwa równocenne orbitale zhybrydyzowane, których oddziaływanie z orbitalem 1s atomu wodoru i orbitalem zhybrydyzowanym drugiego atomu węgla prowadzi do powstania cząsteczki liniowej: wszystkie tworzące ją atomy leżą na jednej prostej. Stan, w którym w powłoce walencyjnej atomu węgla istnieją 2 równocenne orbitale zhybrydyzowane, wymaga założenia, że powstały one w wyniku „wymieszania” również 2 (różnych) walencyjnych orbitali atomowych: 1 podpowłoki 2s i 1 podpowłoki 2p, co zapisujemy symboliczne jako sp. Na tej podstawie możemy stwierdzić, że zdanie 1. jest fałszywe – atomom węgla w cząsteczce związku chemicznego I przypisuje ono hybrydyzację sp³ zamiast sp², zaś zdanie 2. jest prawdziwe.

Aby rozstrzygnąć, czy prawdziwe jest zdanie 3., powinniśmy rozważyć budową cząsteczki każdego związku. Widzimy, że w przypadku cząsteczki, której schemat przedstawiono na rysunku I, przy każdym atomie węgla pozostaje 1 elektron walencyjny orbitalu 2p, a oś tego orbitalu jest prostopadła do płaszczyzny cząsteczki. W wyniku oddziaływania 2 orbitali 2p obu atomów węgla (bocznego „nałożenia”) powstaje orbital molekularny typu π. W cząsteczce tej atomy węgla są więc połączone wiązaniem podwójnym. W cząsteczce, której szkielet ilustruje rysunek II, przy każdym atomie węgla pozostają 2 orbitale podpowłoki 2p, w wyniku ich oddziaływania powstaną zatem 2 orbitale molekularne typu π, a więc w tym przypadku wiązanie między atomami węgla jest potrójne i dlatego wiązanie między atomami węgla cząsteczce związku II jest krótsze. Zdanie 3. jest wobec tego fałszywe.

Rozważania przeprowadzone w części a) zadania pomogą w rozwiązaniu jego części b). Wiemy już, że w cząsteczce I występuje 1 wiązanie π, a w cząsteczce II – 2 wiązania π. Musimy jeszcze policzyć wiązania typu σ w każdej cząsteczce, pamiętając, że tego typu wiązanie zawsze powstaje jako pierwsze, więc wszystkie wiązania pojedyncze są wiązaniami σ. W cząsteczce I jest ich 5 (4 wiązania C–H i 1 C–C), a w cząsteczce II są one 3 (2 wiązania C–H i 1 C–C).