Sigma ja Pi Bonds
Sigma- ja Pi-sidokset ovat kahta tyyppiä kovalenttiset sidokset löytyy molekyyleistä ja yhdisteistä. Sigma- ja Pi-sidoksilla on ratkaiseva rooli monien kemiallisten lajien rakenteen, stabiilisuuden ja reaktiivisuuden ymmärtämisessä. Sigma-sidoksille on tunnusomaista niiden päällekkäisyys, suurempi elektronitiheys sidosakselilla ja kyky pyöriä vapaasti. Pi-sidoksiin puolestaan liittyy rinnakkainen p-orbitaalinen päällekkäisyys, elektronitiheys ytimien välisen akselin ylä- ja alapuolella ja rajoittaa pyörimistä jossain määrin.
Tässä artikkelissa keskustelemme sigma- ja pi-sidosten käsitteestä, mukaan lukien niiden erilaiset esimerkit, ominaisuudet ja tärkeimmät erot molempien sidosten välillä. Tämän artikkelin loppuun mennessä sinulla on vankka käsitys näistä oleellisista kovalenttisista sidoksista eli Sigma- ja Pi-sidoksista; ja niiden merkitys kemian maailmassa.
Sisällysluettelo
- Mikä on Sigma Bond?
- Sigma Bondin tyypit
- Mitä ovat Pi Bonds?
- Sigma- ja Pi-obligaatioiden erot
- Sigma- ja Pi-sidosten merkitys kemiallisessa sitomisessa
Mikä on Sigma Bond?
Sigma-sidos muodostuu sidosorbitaalien päästä päähän päällekkäisyydellä ytimien välistä akselia pitkin. Tätä kutsutaan päällekkäiseksi päällekkäisyydeksi tai aksiaaliseksi limitykseksi. S-orbitaalien päällekkäisyys, samoin kuin p-orbitaalien päällekkäisyys yksittäisessä sidoksessa, johtaa sigmasidoksiin. Sigma-sidokset mahdollistavat vapaan pyörimisen sidosakselin ympäri, koska elektronitiheys keskittyy sidosakselia pitkin.
Sigma Bondsin ominaisuudet
Sigma-sidosten tärkeimmät ominaisuudet ovat:
- Sigma-sidos on vahva sidos, jolla on hyvin määritelty suunta.
- Sigma-sidoksen elektronitiheys keskittyy ytimien välistä akselia pitkin.
- Sigma-sidokset mahdollistavat vapaan pyörimisen sidosakselin ympäri.
- Sigma-sidokset voivat olla yksi-, kaksois- tai kolmoissidoksia.
- Sigma-sidoksilla on sylinterimäinen symmetria sidoksen akselia pitkin.
Esimerkkejä Sigma Bondista
Sigma-lainoista on useita esimerkkejä, koska kaikki yksittäiset joukkovelkakirjat ovat vain simaga-obligaatioita. Joitakin yleisiä esimerkkejä ovat:
- Metaanissa (CH 4 ), hiili-vety-yksinkertaiset sidokset ovat sigmasidoksia.
- Eteenissä (C 2 H 4 ), hiili-hiili-kaksoissidos sisältää yhden sigma-sidoksen ja yhden pi-sidoksen.
- Vesimolekyylissä (H 2 O), on kaksi sigmasidosta: yksi kunkin vetyatomin ja happiatomin välillä.
- Ammoniakissa (NH 3 ), sigmasidoksia on kolme, yksi kullekin typpiatomiin sitoutuneelle vetyatomille.
Sigma Bonds molekyylikiertoteoriassa
- Molekyyliratateoriassa sigmasidokset selitetään atomiorbitaalien välisellä vuorovaikutuksella molekyyliorbitaalien muodostamiseksi.
- Molekyyliratateoriassa lähtökohtana on molekyylin yksittäisten atomien atomiorbitaalien tarkastelu.
- Sigma-sidosten muodostumiseen liittyy atomiorbitaalien päällekkäisyys kahdesta atomista.
- Kun kaksi atomiorbitaalia menevät päällekkäin, ne yhdistyvät muodostaen molekyyliradat.
- Sigmasidoksen tapauksessa kahden atomiorbitaalin aaltofunktioiden konstruktiivinen interferenssi johtaa sigmamolekyyliorbitaaliin (σ MO).
- Molekyyliorbitaaliteoria ennustaa sekä sitoutuvien että sitovien molekyyliorbitaalien muodostumista.
- Sidostavalla MO:lla (σ bonding) on pienempi energia ja se liittyy ytimien väliseen elektronitiheyteen, mikä stabiloi molekyylin.
- Antisidoksella MO (σ* antibonding) on korkeampi energia ja se sisältää elektronitiheyttä ytimien välisen alueen ulkopuolella.
Sigma Bondin tyypit
Sigma-sidokset voidaan luokitella eri tyyppeihin mukana olevien atomiorbitaalien luonteen ja niiden päällekkäisyyden perusteella. Sigma-obligaatioiden päätyyppejä ovat:
s-s päällekkäinen
Ss-päällekkäisyydessä kaksi s-orbitaalia kahdesta atomista menevät päällekkäin suoraan ytimien välistä akselia pitkin (pään päällekkäisyys).
Esimerkiksi vetymolekyylissä (H2) kaksi vetyatomia muodostavat sigma-sidoksen ss-limityksen kautta.
Tässä tapauksessa kaksi puoliksi täytettyä s-orbitaalia menevät päällekkäin ytimien välistä akselia pitkin, kuten alla on esitetty:
s-p Päällekkäisyys
Tässä tapauksessa yhden atomin puoliksi täytettyjen s-orbitaalien ja toisen atomin puoliksi täytettyjen p-orbitaalien välillä on päällekkäisyyttä. Sp-limityksessä yksi s-orbitaali ja yksi p-orbitaali kahdesta eri atomista limittyvät suoraan ytimien välistä akselia pitkin.
Klassinen esimerkki sp:n päällekkäisyydestä löytyy hiili-vety (C-H) -sidoksesta metaanissa (CH 4 ), jossa hiiliatomin 2s-orbitaali limittyy vetyatomin 1s-orbitaalin kanssa muodostaen sigma-sidoksia.
p-p Päällekkäisyys
Tämän tyyppinen päällekkäisyys tapahtuu kahden lähestyvän atomin puoliksi täytettyjen p-orbitaalien välillä. Päällekkäisyydessä pp kaksi yhdensuuntaista p-orbitaalia kahdesta atomista menevät päällekkäin ytimien välisen akselin ylä- ja alapuolella.
Esimerkiksi molekyylissä, kuten eteeni (C 2 H 4 ), hiili-hiili-kaksoissidos koostuu sekä sigma-sidoksesta että pi-sidoksesta, jotka muodostuvat pp:n päällekkäisyyden kautta.
Mitä ovat Pi Bonds?
Pi-sidoksen muodostumisessa atomiradat menevät päällekkäin siten, että niiden akselit pysyvät yhdensuuntaisina toistensa kanssa ja kohtisuorassa ytimien välisiin akseleihin nähden. Pi-sidokset muodostuvat yleensä sigma-sidosten lisäksi kaksois- tai kolmoissidoksissa (kuten alkyyneissä tai alkyyneissä), ja niihin liittyy ei-hybridisoituneiden p-orbitaalien päällekkäisyyttä. Pi-sidokset rajoittavat jossain määrin pyörimistä sidosakselin ympäri, koska elektronien tiheys on suurempi ja pienempi. ytimien välinen akseli.
Pi-joukkovelkakirjojen ominaisuudet
- Pi-sidokset rajoittavat atomien välistä pyörimistä molekyylissä.
- Pi-sidoksessa elektronitiheys keskittyy ytimien välisen akselin ylä- ja alapuolelle.
- Pi-sidokset ovat yleensä heikompia kuin sigma-sidokset, koska ne ovat päällekkäisiä.
- Pi-sidoksissa elektronitiheys on jakautunut suuremmalle alueelle.
- Pi-sidoksia esiintyy yleensä kaksois- ja kolmoissidoksissa.
Esimerkkejä Pi-obligaatioista
- Eteeni (tunnetaan myös nimellä eteeni) sisältää kaksoissidoksen kahden hiiliatomin välillä. Tässä sidoksessa on yksi sigma-sidos (σ) ja yksi pi-sidos (π), jotka muodostuvat p-orbitaalien päällekkäisyydestä.
- Bentseeni on kuusijäseninen rengasrakenne, jossa on vuorotellen yksinkertaisia ja kaksoissidoksia. Siinä on kolme sigma-sidosta (C-C) ja kolme pi-sidosta (C=C).
- Happimolekyylissä (O 2 ), kahden happiatomin välillä on kaksoissidos. Tämä kaksoissidos sisältää yhden sigma-sidoksen ja yhden pi-sidoksen. Pi-sidos muodostuu, kun happiatomien p-orbitaalit menevät päällekkäin.
- Typpimolekyylissä (N 2 ), kahden typpiatomin välillä on kolmoissidos, joka koostuu yhdestä sigma-sidoksesta (σ) ja kahdesta pi-sidoksesta.
Sigma- ja Pi-obligaatioiden erot
Erot sigma- ja pi-sidoksen välillä ovat seuraavat:
| Ominaista | Sigma (σ) Bond | Pi (π) Bond |
|---|---|---|
| Sidosten muodostuminen | Muodostuu atomiorbitaalien päällekkäisistä tai päästä päähän päällekkäisyyksiin. | Muodostuu atomikiertoratojen päällekkäisyydestä. |
| Joukkovelkakirjojen määrä yksittäisessä joukkovelkakirjalainassa | Yksittäinen sigmasidos on aina läsnä yhdessä kovalenttisessa sidoksessa. | Yksittäisen pi-sidoksen mukana on tyypillisesti sigma-sidos yksittäisessä sidoksessa. |
| Elektronien jakautuminen | Elektronit keskittyvät kahden ytimen välistä akselia pitkin. | Elektronit jakautuvat sidosakselin ylä- ja alapuolelle ja muodostavat elektronipilven. |
| Sidoksen vahvuus | Sigma-sidokset ovat yleensä vahvempia ja vakaampia kuin pi-sidokset. | Pi-sidokset ovat heikompia ja herkempiä häiriöille kuin sigma-sidokset. |
| Kierto | Sigma-sidokset mahdollistavat vapaan pyörimisen sidosakselin ympäri. | Pi-sidokset rajoittavat pyörimistä ja luovat kaksoissidoksen tai kolmoissidoksen. |
| Hybridisaatio | Sigma-sidokset voivat muodostua s- ja p-orbitaalien kanssa ja niihin voi liittyä sp, sp 2 , tai sp 3 hybridisaatio. | Pi-sidoksiin liittyy tyypillisesti p-p päällekkäisyys ja ne voivat vaatia hybridisoimattomien p-orbitaalien käyttöä. |
| Sijainti useissa joukkovelkakirjoissa | Sigma-sidoksia löytyy yksittäisistä sidoksista ja ensimmäinen sidos monista sidoksista (esim. kaksoissidoksessa tai kolmoissidoksessa). | Pi-sidoksia löytyy useista sidoksista, kuten toinen ja kolmas sidos kaksoissidoksessa tai kolmoissidoksessa. |
| Päällekkäisyystyyppi | Orbitaalien päällekkäisyys. | Orbitaalien päällekkäisyys sivulta toiselle. |
| Esimerkkejä | C-C Single Bond, C-H Bond, C=C Double Bond, C≡C Triple Bond | C=C kaksoissidos, C≡C kolmoissidos, N=N kolmoissidos |
| Vahvuus | Yleensä vahvempi | Yleensä heikompi |
| Numero useissa joukkovelkakirjoissa | Yksi sigma-sidos yksittäisessä sidoksessa; yksi sigma-sidos kaksoissidoksessa (plus yksi pi-sidos); yksi sigma-sidos kolmoissidoksessa (plus kaksi pi-sidosta) | Yksi pi-sidos kaksoissidoksessa; kaksi pi-sidosta kolmoissidoksessa |
| Elektronien tiheys | Keskittynyt ydinvoimanväliseen akseliin | Keskittynyt ytimenvälisen akselin ylä- ja alapuolelle |
| Kierto | Mahdollistaa vapaan pyörimisen Bond-akselin ympäri | Rajoittaa pyörimistä sivulta toiselle tapahtuvan päällekkäisyyden vuoksi |
| Orbitaalien geometria | Sigma-orbitaalit ovat sylinterimäisesti symmetrisiä. | Pi-orbitaaleissa on kaksi keilaa sidosakselin ylä- ja alapuolella. |
| Esiintyminen | Löytyy kaikista kovalenttisista sidoksista, mukaan lukien yksi-, kaksois- ja kolmoissidokset | Löytyy kaksois- ja kolmoissidoksesta |
Esimerkkejä Sigma- ja Pi-obligaatioista
On olemassa useita esimerkkejä sigma- ja pi-sidoksista. Keskustellaanpa joistakin esimerkeistä seuraavasti:
Sigma ja Pi Bonds Eteenissä (C 2 H 4 )
Molekyyleissä, joissa on kaksois- (π) tai kolmoissidos (σ), pi-sidosten lisäksi on myös sigma-sidoksia. Esimerkiksi eteenissä (C 2 H 4 ), hiili-hiili-sidos sisältää yhden sigma-sidoksen ja yhden pi-sidoksen.
Sigma-sidos on suoraan kahden hiiliatomin (C-C) välissä, ja pi-sidos muodostuu sigma-sidoksen ylä- ja alapuolelle hiiliatomien p-orbitaaleissa.
Sigma- ja Pi-sidokset asetyleenissä (C 2 H 2 )
Asetyleeni (C 2 H 2 ) sisältää kolmoissidoksen kahden hiiliatomin välillä. Tämä kolmoissidos koostuu yhdestä sigma-sidoksesta ja kahdesta pi-sidoksesta:
Tässä tapauksessa kaksi pi-sidosta on läsnä sigma-sidoksen ylä- ja alapuolella. Pi-sidokset muodostuvat hiiliatomien p-orbitaalien lateraalisesta limityksestä.
Sigma ja Pi Bonds bentseenissä
Bentseenissä (C 6 H 6 ), on olemassa kuusi sigma (σ) sidosta, jotka muodostuvat atomiorbitaalien päällekkäisyydestä, mikä tarjoaa rakenteellista vakautta. Lisäksi kuusikulmaisen renkaan vuorotteleviin kaksoissidoksiin liittyy kolme pi (π) -sidosta, mikä edistää molekyylin ainutlaatuista stabiilisuutta ja reaktiivisuutta renkaan ylä- ja alapuolella olevan delokalisoidun elektronipilven vuoksi.
Sigma- ja Pi-sidosten merkitys kemiallisessa sitomisessa
Sigma- ja Pi-sidoksilla on jonkin verran merkitystä kemiallisessa sidoksessa, ja nämä ovat:
- Sigma- ja pi-sidosten lukumäärä ja tyypit molekyylissä ovat ratkaisevia määritettäessä sen stoikiometriaa.
- Niiden merkitys on niiden panoksessa molekyylien rakenteeseen, stabiilisuuteen ja reaktiivisuuteen.
- Sigma-sidokset mahdollistavat vapaan pyörimisen sidosakselin ympäri, mikä on ratkaisevan tärkeää konformationaalisen isomerian tutkimuksessa orgaanisessa kemiassa. Pi-sidokset puolestaan rajoittavat pyörimistä, mikä lisää kaksois- tai kolmoissidoksia sisältävien molekyylien jäykkyyttä.
Esimerkkikysymys Sigma- ja Pi-obligaatioista
Kysymys 1: Keskustele Sigmasta ja Pi Bondista yksityiskohtaisesti.
Vastaus:
Sigma (σ) ja pi (π) sidokset ovat kaksi perustyyppiä kovalenttisia sidoksia, jotka muodostuvat atomien välille, kun ne jakavat elektroneja. Sigma-sidokset ovat yleensä vahvempia kuin pi-sidokset, koska kiertoradat ovat suoremmassa päällekkäisyydessä, mikä johtaa suurempaan elektronitiheyteen sidosakselilla.
Kysymys 2: Selitä Sigman ja Pi Bondin väliset erot.
Vastaus:
Sigma-sidokset (σ) muodostuvat atomiorbitaalien päällekkäisillä limityksillä, mikä mahdollistaa vapaan pyörimisen sidosakselia pitkin. Pi-sidokset (π) syntyvät p-orbitaalien sivusuunnassa limittäin, mikä rajoittaa pyörimistä ja muodostaa kaksois- tai kolmoissidoksen. Sigma-sidokset ovat vahvempia ja ensisijaisia, kun taas pi-sidokset ovat heikompia ja toissijaisia monissa sidoksissa.
Kysymys 3: Miten minkä tahansa molekyylin stabiilius määritetään?
Vastaus:
Molekyylin stabiilisuus määräytyy ensisijaisesti kovalenttisten sidosten vahvuuden ja näiden sidosten järjestelyn perusteella molekyylin rakenteessa. Sigma-sidokset muodostavat ensisijaisen yhteyden atomien välillä ja ovat yleensä vahvempia kuin pi-sidokset. Pi-sidokset vaikuttavat kuitenkin sidoksen kokonaislujuuteen ja voivat vaikuttaa molekyylin geometriaan ja reaktiivisuuteen. Sigma- ja pi-sidosten yhdistelmä mahdollistaa stabiilien molekyylien muodostumisen, joilla on hyvin määritellyt rakenteet, ja niiden läsnäolo on ratkaisevaa määritettäessä yhdisteiden kemiallisia ominaisuuksia ja reaktiivisuutta.
Sigma- ja Pi-obligaatiot: UKK
1. Mikä on Sigma- ja Pi-obligaatiot?
Sigma-sidokset (σ) syntyvät päiden välisestä atomiradan päällekkäisyydestä ja sallivat vapaan pyörimisen. Pi (π) -sidokset muodostuvat rinnakkaisesta p-kiertoradan limityksestä, mikä rajoittaa pyörimistä.
2. Kuinka monta Sigma- ja Pi-joukkovelkakirjalainaa voi olla yksittäisellä joukkovelkakirjalainalla?
Yksi kovalenttinen sidos koostuu yhdestä sigma-sidoksesta, eikä yksittäisessä sidoksessa ole pi-sidoksia.
3. Voiko kaksoissidoksessa olla sekä Sigma- että Pi-obligaatioita?
Kaksoissidos koostuu yhdestä sigma (σ) sidoksesta ja yhdestä pi (π) sidoksesta.
4. Minkä tyyppiset kiertoradat voivat muodostaa Sigma-obligaatioita?
Sigma-sidokset voivat muodostua s-s-, s-p-, p-p- ja joidenkin d-orbitaalien päällekkäisyydestä.
5. Millaiset kiertoradat voivat muodostaa Pi-obligaatioita?
Pi-sidokset muodostuvat rinnakkaisten p-p- tai d-p-orbitaalien limityksestä.
6. Voivatko Sigma- ja Pi-sidokset esiintyä rinnakkain samassa molekyylissä?
Kyllä, sigma- ja pi-sidokset voivat esiintyä rinnakkain samassa molekyylissä, kuten kaksois- ja kolmoissidoksissa.
7. Onko kaikilla molekyyleillä Sigma- ja Pi-sidoksia?
Kaikissa molekyyleissä ei ole sekä sigma- että pi-sidoksia; joillakin on vain sigma-obligaatioita.
8. Ovatko Sigma- ja Pi-obligaatiot yhtä vahvoja?
Sigma-sidokset ovat yleensä vahvempia kuin pi-sidokset johtuen sigmasidosten orbitaalien suuremmasta päällekkäisyydestä.
9. Kuinka selvittää Sigma- ja Pi-obligaatiot?
Piirtämällä Lewis-rakenne ja tunnistamalla yksittäis-, kaksois- ja kolmoissidokset.
10. Mikä on sigma- (σ)- ja Pi (π) -sidosten lukumäärä bentseenissä?
Sigma (σ) -sidokset: Bentseenissä on yhteensä 12 sigmasidosta. Näitä ovat kuusi hiili-hiili-yksinkertaista sidosta ja kuusi hiili-vety-yksöistä sidosta.
Pi (π) -sidokset: Bentseenissä on kolme pi-sidosta (π-sidosta), jotka edistävät sen aromaattisuutta.
