Moduł 1, Lekcja 1
W trakcie

Wiązanie sigma oraz pi

29 marca 2024

1. Wiązanie chemiczne to nałożenie orbitali

Mówiliśmy już całkiem sporo o wiązaniach chemicznych, skupiając się na ich rodzajach, właściwościach i jak je rozpoznać.

Wiązanie jonowe Wiązanie kowalencyjne

Teraz zastanowimy się troszeczkę dokładniej, czym tak naprawdę jest wiązanie chemiczne. Pamiętając, że elektrony opisujemy za pomocą orbitali (➦ Orbital, czyli opis elektronu na sterydach ) moglibyśmy użyć tego do opisu wiązania chemicznego. I faktycznie :

Wiązanie chemiczne to nałożenie orbitali dwóch atomów.

A pamiętasz też, że mamy różne rodzaje (kształty i rozmiary) orbitali, prawda? Czyli też powinny być różne rodzaje wiązań, no i rzeczywiście masz rację, bardzo dobrze myślisz!

Na maturalnym poziomie poznamy tylko dwa rodzaje wiązań : sigma (?) oraz pi (?).

2. Wiązanie sigma (?) występuje w dwóch postaciach

Zobaczmy to sobie na cząsteczce wodoru, gdzie orbital 1s atomu wodoru, nakładał się z drugim takim orbitalem 1s, w efekcie czego powstało wiązanie! Zwróć uwagę, że na rysunku mamy właśnie taką ,,rozmytą chmurę” wokół jądra, która symbolizuje orbital

Nałożenie dwóch orbitali s daje wiązanie sigma

Jak widzisz, nałożenie orbitali s prowadzi do powstania jajka. Mówimy, że wiązanie sigma ma cylindryczny kształt (czy też symetrię cylindryczną).

Wiązanie chemiczne to w rzeczywistości nałożenie się na siebie dwóch orbitali.

I teraz tak, to nakładanie orbitali można porównać do przytulania. Powyżej widzieliśmy przytulanie się do siebie dwóch kul (orbitali s), a oczywiście przytulania nikomu nie zabronimy, więc do zabawy chciałyby dołączyć orbitale p

Wiązanie sigma może także powstać w wyniku czołowego nałożenia orbitali p.

Zwróć uwagę, że oba wiązania nie są identyczne −  to powstałe z orbitali s ma kształt jajka, a to powstałe z orbitali p ma kształt cukierka. Są jednak bardzo podobne do siebie (dość podobna symetria[1]), stąd oba mają nazwę sigma.

3. Z wiązaniem pi (?) jest już prościej

Mam nadzieję, że pamiętasz fakt, że orbitale p występują w trzech wersjach ułożenia przestrzennego. Każdy z nich znajduje się pod kątem 90 względem siebie (żeby elektrony znajdowały się jak najdalej od siebie −  przecież się odpychają!).

Przypomnienie orbitali p. Tutaj każdy z nich został pokazany osobno, ale tylko dla przejrzystości rysunku. Pamiętaj, że one są wszystkie zbite ,,w jedną kupę”.

Czyli mając takie trzy orbitale p , to jeśli będziemy łączyć dwa atomy,  możliwe jest utworzenie tylko jednego wiązania sigma! Bo żeby utworzyć wiązanie sigma z orbitali p, to muszą się one na siebie nałożyć czołowo, tak samo jak mamy np. czołowe zderzenie samochodów. Następne orbitale p będą się ze sobą nakładać bocznie! Zobaczmy :

Boczne nakładanie orbitali p to już zupełnie inna bajka, prowadząca do wiązania pi.

Obie sytuacje, nakładania czołowego i bocznego możemy przyrównać do przytulania twarzą w twarz (czoło w czoło = czołowo) lub bocznie, co możesz zobaczyć poniżej :

Idąc dalej analogią przytulania, powyższe dwa rysunki możemy zobrazować w taki sposób :

Przytulanie boczne (po lewej) oraz czołowe (po prawej).

My wiemy, że takie przytulanie czołowe jest po prostu mocniejsze (bo przytulamy się całym ciałem) niż boczne (gdzie tylko część ciała się ze sobą styka). Do czego zmierzam? To jaki mamy kształt orbitalu i jak one się względem siebie ułożą wpływa na moc wiązania. I teraz… tak, teraz wkracza hybrydyzacja!

Hybrydyzacja pozwoli nam na wymieszanie orbitali s oraz p, w wyniku czego powstanie orbital zhybrydyzowany o innym kształcie, co umożliwi jeszcze lepsze nałożenie orbitali na siebie, a w efekcie lepsze wiązanie. Inaczej mówiąc, będziemy mieć jeszcze lepsze przytulenie.

Image about love in Too cute by Wonderland Next ❤️

Takie teraz będzie przytulenie dzięki hybrydyzacji!

Przytulanie boczne (po lewej) oraz czołowe (po prawej).

Jak myślisz, które wiązanie jest zatem mocniejsze ? Inaczej zadając pytanie −  które przytulenie jest mocniejsze, w którym czujesz że ,,bardziej się przytulasz” ? Jeszcze na zajęciach nie zdarzyło mi się, by ktoś źle odpowiedział, więc mam nadzieję, że Ty też poprawnie wskazałeś czołowe przytulenie jako to mocniejsze. I faktycznie, wiązanie sigma jest mocniejsze niż wiązanie pi. Zauważ, że widzieliśmy to już tutaj (Długość, energia i rząd wiązania) , kiedy zaobserwowaliśmy, że moc wiązania nie rośnie liniowo (prościej mówiąc : wiązanie podwójne nie jest dwa razy mocniejsze niż pojedyncze, a teraz wiemy już dlaczego!)

4. Wiązanie sigma i pi na zwykłych rysunkach

Czas na część praktyczną, a więc jak rozpoznać ile będziemy mieć wiązań sigma oraz pi w dowolnej cząsteczce, która zostanie podana w postaci wzoru na przykład strukturalnego. Popatrzmy na rysunek, który nam to podsumuje na przykładzie wiązania podwójnego oraz potrójnego pomiędzy atomami węgla (oczywiście nie ma to znaczenia, pomiędzy jakimi atomami mamy takie wiązanie).

Jak liczyć wiązania sigma oraz pi?

Każde wiązanie pojedyncze to natomiast wiązanie sigma. Weźmy taką cząsteczkę :

Mamy tutaj 4 wiązania pi oraz 14 wiązań sigma (pamiętaj, że nie wszystkie wiązania będziesz mieć podane na tacy, czytaj narysowane, a niektóre sam musisz sobie dorysować).


[1] Chodzi generalnie o to, że w obu rodzajach wiązań sigma dozwolona jest rotacja, a zatem w przypadku występowania takiego wiązania(czy sigma s , czy sigma p), nie będziemy mieć możliwości różnego ułożenia podstawników w przestrzeni. Spokojnie, jeszcze nie wiadomo co tu jest grane i tak to zostawimy, dopóki nie zajmiemy się chemią organiczną.