1 / 62

פרק 2

פרק 2. מחומרי צבע לאורביטלים מולקולריים. רותי שטנגר. מדוע הפלמינגו ורוד? כיצד מנקה המלבין את החולצה הלבנה מכתמים צבעוניים? כיצד משנה פנולפתלאין את צבעו – מסגול לחסר צבע ובחזרה ? כיצד משתנה צבע העלים בשלכת?. בפרק ב':. צבעים בראי ההסטוריה. אדום ורמיליון HgS. מלכיט 2 CuCO 3 .Cu(OH) 2.

ryan-page
Download Presentation

פרק 2

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. פרק 2 מחומרי צבע לאורביטלים מולקולריים רותי שטנגר

  2. מדוע הפלמינגו ורוד? • כיצד מנקה המלבין את • החולצה הלבנה מכתמים צבעוניים? • כיצד משנה פנולפתלאין את צבעו – מסגול לחסר צבע ובחזרה? • כיצד משתנה צבע העלים בשלכת? בפרק ב':

  3. צבעים בראי ההסטוריה אדום ורמיליון HgS מלכיט 2 CuCO3.Cu(OH)2

  4. אינדיגו

  5. ארגמון קהה- קוצים (Murex Trunculus) http://www.jolique.com/dyes_colorants/purple_passion.htm

  6. מוזיאון המזגגה בנחשולים

  7. ראיית צבעים כאשר אור השמש פוגע בתפוח, קליפת התפוח האדומה בולעת את כל אורכי הגל שבאור הלבן, מלבד אורכי הגל המתאימים לצבע האדום. אורכי גל אלה מתפזרים ומגיעים לעינינו, וכך אנו רואים את התפוח אדום. האור הלבן פוגע בחולצה וחומרי הצבע שבבד בולעים את אורכי הגל המתאימים לאור הכחול, אך אינם בולעים את אורכי הגל המתאימים לאור האדום והירוק. אורכי גל אלה מתפזרים ומגיעים לעינינו. האור האדום והירוק יחד נקלטים על ידינו כצהוב. שאלה: מאירים כדור אדום, הנמצא בחדר חשוך לחלוטין, בעזרת נורה הפולטת אורכי גל המתאימים לצבע הכחול בלבד. באיזה צבע יראה הכדור לעינינו?

  8. מדוע חומרים מולקולרים מסויימים, כמו האינדיגו, הם בעלי צבע ואחרים- חסרי צבע? הצבע של חומרים מולקולריים תלוי במבנה האלקטרוני שלהם. הקשר הקוולנטי http://www2.chem.ucalgary.ca/Flash/density.html כאשר אטומי המימן רחוקים זה מזה, הם אינם משפיעים זה על זה, וכל אחד משני הגרעינים (המכיל פרוטון אחד בעל מטען חיובי) מוקף על ידי אלקטרון יחיד (בעל מטען שלילי) . במולקולה הדו-אטומית, כל גרעין חיובי מוקף על ידי שני האלקטרונים המשותפים. כאשר שני האלקטרונים נמצאים באזור שבין שני הגרעינים, המשיכה בין הגרעינים לאלקטרונים גדלה והאנרגיה יורדת.

  9. הרווח האנרגטי המתקבל בגלל שיתוף האלקטרונים, הוא אם כן "הכוח המניע" ליצירת קשרים קוולנטיים. האם ניתן לצפות מראש באילו מקרים תווצר מולקולה בין שני אטומים ובאילו לא? נכיר את תיאורית האורביטלים המולקולריים וננסה לבדוק שאלה זאת בעזרתה.

  10. תיאורית האורביטלים המולקולריים תיאורית האורביטלים המולקולריים (Molecular Orbitals, MO), היא מודל מקורב המסביר את המבנה האלקטרוני של מולקולות. מודל זה מאפשר לנבא את יציבותן היחסית של מולקולות, את המבנה המרחבי שלהן ונתונים ספקטרליים כגון: מדוע חומר מסויים בולע קרינה בתחום הנראה ואחר- בתחום האולטרה סגול, וכמובן, מדוע חומרים מולקולריים מסויימים הם צבעוניים. על פי מודל זה, האלקטרונים המשותפים לאטומים במולקולה נמצאים באורביטלים, בדומה לאלקטרונים באטום. אולם בעוד שאורביטל אטומי ממוקם סביב הגרעין של אטום מסוים, אורביטל מולקולרי ממוקם סביב שני גרעינים (או יותר) במולקולה. לכל מולקולה מערך אורביטלים מולקולריים האופייני לה כמו שלכל אטום בודד מערך אורביטלים אטומיים משלו.

  11. Valence bond theory תיאורית ה- Valence Bond (VB), היא תיאוריה נוספת, המצליחה להסביר בצורה נכונה את צורתן של מולקולות, אם מניחים כי לפני החפיפה בין אורביטלי האטומים השונים, האורביטלים האטומיים של האטום המרכזי במולקולה עוברים הכלאה (hybridization) ויוצרים מערך (set) חדש של אורביטלים, הנקראים אורביטלים היברידיים (מוכלאים). למורים

  12. מהם אורביטלים מוכלאים? במולקולת המתאן, CH4, לדוגמה, האטום המרכזי הוא אטום הפחמן. אכלוס האלקטרונים באטום הפחמן הוא 1s22s22px12py1. ברמת הערכיות ישנם ארבעה אלקטרונים. כדי להיקשר לארבעה אטומי מימן, בארבעה קשרים הזהים זה לזה, ארבעת האורביטלים האטומיים ברמה השניה של אטום הפחמן: 2s, 2px, 2py, 2pz מוחלפים בארבעה אורביטלים היברידיים הנוצרים מהכלאה של האורביטלים האטומיים. אורביטלים מוכלאים אלה מסומנים ב- sp3- כלומר אורביטלים שנוצרו מ"ערבוב" אורביטל s אחד ושלושה אורביטלי p. למורים

  13. למורים מספר האורביטלים ההיברידיים שווה למספר האורביטלים האטומיים שהוכלאו. כל אחד מאורביטלי sp3 אלה ייצור חפיפה עם אורביטל 1s של אטום מימן, ובמולקולת המתאן המתקבלת יהיו ארבעה קשרי H-C זהים, שהזוית ביניהם 109o28’- טטרהדר.

  14. תיאורית האורביטלים המולקולריים MO על פי גישה זו, בעת היווצרות המולקולה, יוצרים האורביטלים האטומיים של האטומים המתקרבים זה לזה, מערך של אורביטלים חדשים- אורביטלים מולקולריים. לכל מולקולה מערך אורביטלים מולקולריים משלה כמו שלכל אטום בודד מערך אורביטלים אטומיים משלו. האורביטלים המולקולריים לא קשורים לאטום ספציפי, אלא למולקולה כולה. בניגוד לתאוריית ה- VB המייחסת אלקטרונים לאורביטלים אטומיים, תאוריית ה- MO מתייחסת לאכלוס האלקטרונים המשותפים למולקולה, לאחר קבלת מערך האורביטלים המולקולריים.

  15. המטרה לחשב את האזור במרחב שהאלקטרון עשוי לתפוס בהסתכלות על המולקולה כולה. השיטה המקובלת בתאורייה זו היא קומבינציה לינארית של אורביטלים אטומיים (חיבור וחיסור)- LCAO . • אינטראקציות בין אורביטלים אטומיים אפשריות כאשר מתקיימים מספר תנאים: • קיימת סימטריה דומה לאורביטלים אטומיים • קיימת חפיפה טובה בין אורביטלים אטומיים • קיימת קרבה יחסית באנרגיה של אורביטלים אטומיים

  16. למורים ומה נכון יותר? תאוריית MO או תאוריית VB? שתי התאוריות משלימות זו את זו ומסבירות יחד תוצאות ניסויות רבות. אם נתייחס למולקולת המתאן, CH4, על פי תאוריית ה- VB, ארבעת האורביטלים המולקולריים המתקבלים זהים. על פי תאוריית ה- MO, מתקבלים שלושה אורביטלים מולקולריים מנוונים σ2p ואורביטל מולקולרי אחד שונה באנרגיה מסוג σ2s. בדיקות ספקטרוסקופיות מראות כי קיימים הבדלים אנרגטיים בין האורביטלים המולקולריים, ולכן בהקשר זה נתפסת תאוריית ה- MO כמדויקת יותר. ככל שהמולקולה מורכבת יותר, קשה יותר לתאר על פי תאוריית ה- MO את קבלת האורביטלים המולקולריים והטיפול הוא באמצעות כלים מתמטיים מסובכים.

  17. אורביטלים מולקולריים עבור מולקולות דו אטומיות פעילות באתר: http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/H2/1s1s-sigma/index.html http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/H2/1s1s-sigma-star/index.html

  18. אורביטל מולקולרי בו צפיפות המטען באזור שבין הגרעינים גדלה נקרא אורביטל קושר (bonding orbital). אורביטל מולקולרי שבו צפיפות המטען באזור שבין הגרעינים קטנה נקרא אורביטל אנטי-קושר (antibonding orbital). אורביטלים אנטי קושרים מסומנים בכוכבית *.

  19. בשורה השנייה בטבלה המחזורית, לאטומים אלקטרוני ערכיות באורביטלים ברמה השנייה: 2S ו- 2P. כאשר נוצרות מולקולות דו אטומיות, האלקטרונים מאוכלסים באורביטלים מולקולריים הנוצרים גם מאורביטלים אלה. חיבור או חיסור בין שני אורביטלי 2S יוצרים שני אורביטלים מולקולריים: σ2s ו- σ*2s, בדומה למתקבל מאורביטלי 1S. לדוגמה: האם המולקולה Li2 יציבה? לכל אטום ליתיום שלושה אלקטרונים: שניים ברמה הראשונה, ואלקטרון אחד ברמת הערכיות, באורביטל 2S. שני אלקטרוני הערכיות של שני אטומי הליתיום מאכלסים את האורביטל הקושר σ2sבעוד שהאורביטל האנטי קושר σ*2s ריק מאלקטרונים. מכאן שהמולקולה יציבה, והיא ואכן התגלתה בפאזה הגזית.

  20. האם המולקולה Be2יציבה? הרווח האנרגטי לאלקטרונים באורביטל הקושר מתבטל ע"י העלייה באנרגיה של האלקטרונים באורביטל האנטי קושר, ולכן המולקולה Be2 אינה יציבה.

  21. אורביטלים מולקולריים עבור מולקולות דו אטומיות מהשורה השנייה בטבלה המחזורית

  22. http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/N2/2pz2pz-sigma/index.htmlhttp://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/N2/2pz2pz-sigma/index.html http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/N2/2px2px-pi/index.html

  23. דיאגרמות רמות האנרגיה עבור מולקולות דו אטומיות בעלות שני אטומים זהים (מולקולות דו אטומיות הומונוקלאריות) מהשורה השנייה בטבלה המחזורית: O2, F2, Ne2

  24. שאלה: האם המולקולה Ne2יציבה? (10-10)/2=0 האם המולקולה F2 יציבה? (10-8)/2=1

  25. O2, F2, Ne2 B2, C2, N2

  26. לפניכם דיאגרמות רמות האנרגיה של החומרים NO ו- -NO. מי מהחומרים יציב יותר? נמקו. NO- NO

  27. אורביטלים מולקולריים במולקולות רב-אטומיות דוגמה:C2H4

  28. HOMO ו- LUMO האורביטל הגבוה ביותר באנרגיה שמאוכלס באלקטרונים נקרא HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital). האורביטל שמעליו, שהוא האורביטל הנמוך ביותר באנרגיה שאינו מאוכלס באלקטרונים, נקרא LUMO ( Lowest Unoccupied Molecular Orbital). שני אורביטלים אלה, הנקראים גם אורביטלי החזית (frontier orbitals), חשובים להבנת מנגנוני תגובות בכימיה ולהסבר של נתונים ספקטרליים, ובפרט הצבע של חומרים מולקולריים. בתגובות חמצון חיזור, לדוגמה, מולקולת המחזר מוסרת את האלקטרונים הנמצאים באורביטל ה- HOMO שלה. אלקטרונים אלה נמסרים למולקולת המחמצן ונכנסים לאורביטל ה- LUMO שלה. כאשר מעררים מולקולה, האלקטרונים הנמצאים באורביטל ה- HOMO עולים לרמות גבוהות יותר: אורביטל ה- LUMO או האורביטלים שמעליו.

  29. רשמו מי הם אורביטלי ה- HOMO וה-LUMO עבור המולקולה F2. אורביטלי ה- HOMO הם האורביטלים המנווניםπ*2pxו- π*2p. אורביטל ה- LUMO הוא σ*2pz.

  30. אורביטלים מולקולריים של HF

  31. תאוריית ה- MO עבור חומרים יוניים תאוריית ה- MO מתייחסת לאופי הקוולנטי של הקשר הכימי אך ניתן באמצעותה להתיחס גם לקשרים בין יונים. לדוגמה: LiF. לליתיום רק אורביטל אטומי אחד מאוכלס באלקטרונים ברמת הערכיות, והוא יוצר אינטראקציה עם האורביטל האטומי 2px של אטום הפלואור. האלקטרונים הנמצאים באורביטלים שאינם נקשרים לאטום הליתיום, הם שלושת הזוגות הבודדים על F. אורביטל ה- σ שנוצר קרוב יותר באנרגיה לאורביטלי 2p של ה-F, כך שהקשר מקוטב מאד לכיוון ה-F, מקוטב יותר מאשר הקשר H-F, ולמעשה, מסירת אלקטרון.

  32. סתיו- מתוך "ארבע העונות" של ויולדי

  33. עלי שלכת עלי שלכת ניסוי וירטואלי: הפרדת חומרי הצבע שבעלה http://video.uni-regensburg.de:8080/ramgen/fakultaeten/chemie/org_chemie/demonstratimexperimente/column_chromatograohy.rm מדוע, לדעתכם, מרבית העלים הם ירוקים למרות שהם מכילים חומר צבע נוספים? נסו לבצע את הניסוי עם עלים שצבעם אינו ירוק. האם גם הם מכילים חומר צבע ירוק?

  34. ירוק סגול Anthocyanin צהוב לפניכם נוסחאות של מספר חומרים צבעוניים המצויים בעלים: התבוננו בנוסחאות המולקולות של שלושת החומרים הצבעוניים: האם תוכלו לחשוב על גורמים משותפים לחומרים אלה, שבעזרתם נוכל להבין מדוע כולם צבעוניים? רשמו כל גורם שנראה לכם רלוונטי. השתדלו לרשום לפחות שלושה גורמים.

  35. תשובות התלמידים: מולקולות גדולות מולקולות אורגניות (או מולקולות המכילות אטומי פחמן ומימן רבים) הרבה טבעות מולקולות המכילות קשרים כפולים C=C רבים מולקולות המכילות קשרים כפולים ויחידים לסירוגין על פי תשובתכם לשאלה הקודמת, נסו לקבוע האם החומרים הבאים יהיו צבעוניים. נמקו בקצרה לגבי כל אחד מהם.

  36. האם קיים קשר בין מבנה המולקולה לצבעה? במולקולות של חומרי צבע אורגניים מערכת של קשרי פחמן- פחמן בודדים וכפולים לסירוגין. מולקולה שבה מערכת כזאת של קשרים נקראת מולקולה מצומדת (conjugated molecule). לדוגמה, צבעם הכתום של גזר ודלעת נובע מנוכחות החומר בטה- קרוטן: במולקולה של בטה- קרוטן ישנם אחד עשר קשרים כפולים מצומדים.

  37. תזכורת...

  38. תזכורת... אורביטלים מולקולריים במולקולות רב-אטומיות דוגמה:C2H4

  39. אל איתור הקשר הכפול C=C במולקולה C2H4, מכיל שני אלקטרונים באורביטל קושר מסוג σ ושני אלקטרונים באורביטל קושר מסוג . נתבונן בפחמימן לא רווי בעל שרשרת ארוכה המכילה קשר כפול וקשר יחיד לסירוגין. בין כל שני פחמנים קיים קשר מסוג σ. אך בין אילו פחמנים יוצרו קשרי ה- ? האם פחמן מסויים ייצור את קשר ה-  עם הפחמן שמשמאלו או מימינו? האלקטרונים באורביטלי ה-  במולקולה המצומדת אינם מאותרים בין שני פחמנים מסויימים. אורביטלי ה-  של כל הפחמנים בשרשרת המצומדת יוצרים רצף של אורביטלים מולקולריים המשתרע על כל המערכת המצומדת והאלקטרונים מאכלסים רצף אורביטלים זה. כיצד ניתן להסביר את היווצרות רצף אורביטלי ה- ?

  40. CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2

  41. אורביטלים מולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות – אל איתור

  42. ההפרש האנרגטי בין אורביטל ה- HOMO לאורביטל ה- LUMO הולך ומצטמצם ככל שמספר הקשרים הכפולים המצומדים עולה, ומכיוון שקיים יחס הפוך בין אורך הגל לאנרגיה, ככל שהאנרגיה הנדרשת לעירור * -->  קטנה, אורך הגל גדל.

  43. I II III אחד מן החומרים שלפניכם הוא בעל צבע כתום- אדום. שני החומרים האחרים הם לבנים במצב צבירה מוצק. מיהו החומר הכתום- אדום? נמקו.

More Related