כימיה פיזיקלית 6

1. jeltovski/MorgueFile אורביטליםמולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות כימיה פיזיקלית 6 נושאי השיעור • קשרים קוולנטיים יחידים, כפולים ומשולשים • מולקולות אורגניות מצומדות • כרומופור • הקשר בין מבנה המולקולה לצבע החומר • פלואורסנציה מצגת זו מכילה אנימציות

2. קשרים קוולנטיים יחידים, כפולים ומשולשים במולקולות אורגניות יש קשרים קוולנטיים יחידים, כפולים ומשולשים בין אטומים שונים. קשר קוולנטי יחיד בין אטומי פחמן נוצר כאשר אלקטרונים מאכלסים אורביטל σ. אורביטל זה נוצר ע"י חפיפה ראש לראש של אורביטלי 2pהמכוונים על הציר המחבר את שני גרעיני האטומים. הקשר שנוצר נקרא קשר σ. בקשר קוולנטי כפול, אחד הקשרים הוא קשר σ והאחר נוצר כאשר אלקטרונים מאכלסים אורביטל π. אורביטל זה נוצר ע"י חפיפה צד לצד של אורביטלי 2p המכוונים בניצב לציר המחבר את שני גרעיני האטומים. קשר זה נקרא קשר π. בקשרים משולשים אחד הקשרים הוא קשר σ ושני הקשרים האחרים הם קשרי π.

3. קשרי σו- πבאֶתִילֵן היווצרות קשר ה- באתילן הנוסחה המולקולרית של אתילן היא C2H4ונוסחת המבנה היא: במולקולה זו חמישה קשרי σ (ארבעה קשרי C-H וקשר C-C) וקשר π אחד (הקשר השני בין שני אטומי הפחמן). הפעילו את האנימציה שלפניכם: לחצו על Reload Ball and Stick- לקבלת מודל של מולקולת אתילן. לחצו על Show remaining p orbitals- לקבלת שני אורביטלי p, הניצבים לציר המחבר את שני הגרעינים של אטומי הפחמן. לחצו שוב על Reload Ball and Stick- לקבלת המודל של מולקולת האתילן. לחצו על Show resulting pi orbital- לקבלת אורביטל ה- π הקושר המתקבל משני אורביטלי ה- p. כאשר אלקטרונים מאכלסים אורביטל קושר זה, נוצר קשר π. לחצו על Show sp2 framework – לקבלת אורביטלי ה- σ שנוצרו בין שני הפחמנים ובין כל מימן לפחמן. כאשר אלקטרונים מאכלסים אורביטלים קושרים אלו, נוצרים קשרי σ. 3

4. שאלה 1 שאלה 1: כמה קשרי σ וכמה קשרי π במולקולה C4H6?

5. תשובה לשאלה 1 שאלה 1: כמה קשרי σ וכמה קשרי π במולקולה C4H6? תשובה: בשלב הראשון יש לצייר את נוסחת המבנה המלאה של החומר: במולקולה זו תשעה קשרי σ: 6 קשרי C-H ושלושה קשריC-C . כמו כן במולקולה שני קשרי π: שני הקשרים הנוספים בין הפחמנים.

6. מולקולות מצומדות- כרומופור מולקולות מצומדות הן מולקולות שבהן קשרי פחמן- פחמן כפולים ובודדים לסירוגין. לדוגמה: ויטמין A היא מולקולה מצומדת שבה חמישה קשרים כפולים מצומדים. כְרוֹמוֹפוֹר הוא החלק המצומד במולקולה. הכרומופור בוויטמין A צבוע בצבע אדום.

7. שאלה 2 שאלה 2: רשמו כמה קשרים כפולים מצומדיםבכל אחת מהמולקולת הבאות. סמנו את הכרומופור בעיגול. 7

8. תשובה לשאלה 2 חמישה קשרים כפולים מצומדים הקשרים הכפולים אינם מצומדים רק שלושה קשרים כפולים מצומדים 11 קשרים כפולים מצומדים שאלה 2: רשמו כמה קשרים כפולים מצומדיםבכל אחת מהמולקולת הבאות. סמנו את הכרומופור בעיגול. תשובה: 8

9. • • • • • • אורביטלים מולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות במולקולה אורגנית שבה קשרים כפולים מצומדים, כל אטום פחמן משתף שלושה אלקטרוני ערכיות באורביטלי σ עם אטומים שכנים, ונותר אלקטרון ערכיות אחד לשיתוף בקשרי π. ראינו כי מכל שני אורביטלי p אטומיים, הניצבים לציר המחבר את גרעיני שני האטומים, אפשר לקבל שני אורביטלים מולקולריים: אורביטל קושר, π, הנמוך יותר באנרגיה, ואורביטל אנטי קושר, π*, הגבוה יותר באנרגיה. במולקולה אורגנית מצומדת, אורביטל p של אטום אחד יכול ליצור אורביטלים מולקולריים עם אורביטל p של האטום הנמצא משמאלו או של האטום הנמצא מימינו. • • כך שעקרונית, אפשר לצייר את הקשרים הכפולים הנוצרים במקומות שונים: למעשה, הקשרים הכפולים אינם מאותרים בין זוגות פחמנים: אלקטרוני ה- π מאוכלסים באורביטלים מולקולריים המשתרעים על כל האזור המצומד במולקולה.

10. אורביטלים מולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות • • • • • • • • • • • • • • • • אנרגיה אנרגיה אפשר לחלק את אורביטלי ה- p האטומיים לזוגות, לחבר ולחסר כל זוג אורביטלים אטומיים ולקבל מהם שני אורביטלים מולקולריים: אחד גבוה יותר באנרגיה והאחר נמוך יותר באנרגיה. נחבר ונחסר זוגות אורביטלי p על פי החצים הכחולים: משמונה אורביטלי p, על שמונה אטומי הפחמן שבציור, נקבל שמונה אורביטלים מולקולריים: ארבעה אורביטלי π (הנראים בציור למעלה) המאוכלסים באלקטרונים, וארבעה אורביטלי π* שאינם מאוכלסים באלקטרונים. *בציור נראים ארבעת האורביטלים הקושרים בלבד. בדיאגרמות רמות האנרגיה נראות רמות האנרגיה של האורביטלים הקושרים וגם של האורביטלים האנטי קושרים. 10

11. אורביטלים מולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות- המשך • • • • • • • • • • • • • • • • אנרגיה אנרגיה כעת אפשר להמשיך בתהליך זה, ולחבר ולחסר את האורביטלים המולקולריים שהתקבלו. מכל שני אורביטלים מולקולריים כאלה, נקבל שני אורביטלים מולקולריים חדשים: אחד נמוך יותר באנרגיה והאחר גבוה יותר באנרגיה. *בציור נראים שני אורביטלים קושרים בלבד (הנמוכים ביותר באנרגיה מבין הארבעה שנוצרו). בדיאגרמות רמות האנרגיה נראות רמות האנרגיה של כל האורביטלים הקושרים וגם של כל האורביטלים האנטי קושרים. אפשר לחזור על התהליך פעמים נוספות ולחבר את האורביטלים המולקולריים שוב ושוב, עד שהם ישתרעו על כל האזור המצומד במולקולה. 11

12. אורביטלים מולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות- המשך אנרגיה אנרגיה אנרגיה משני השלבים שכבר ראינו, אפשר לראות כי ככל שנחזור על התהליך פעמים רבות יותר, תצטופפנה רמות האנרגיה, אורביטל ה- HOMO יעלה באנרגיה ואורביטל ה- LUMO ירד באנרגיה. הפרש האנרגיה בין אורביטלי ה- HOMO וה- LUMO יצטמצם. המסקנה: ככל שהכרומופור ארוך יותר, הפרש האנרגיה בין אורביטלי ה- HOMO וה- LUMO מצטמצם יותר. LUMO LUMO HOMO HOMO 12

13. אורביטלים מולקולריים של מולקולות אורגניות מצומדות- המשך אנרגיה אנרגיה LUMO LUMO HOMO HOMO 2. 3. 1. הפרש אנרגיה גדול בין HOMO ל- LUMO. עירור אלקטרוני מתרחש כאשר נבלעת קרינה בתחום העל סגול. הפרש אנרגיה יותר קטן בין HOMO ל- LUMO. עירור אלקטרוני מתרחש כאשר נבלעת קרינה בתחום העל סגול, באורכי גל ארוכים יותר. הפרש אנרגיה קטן בין HOMO ל- LUMO. עירור אלקטרוני מתרחש כאשר נבלעת קרינה בתחום הנראה. אנרגיה LUMO HOMO הפרש האנרגיה בין אורביטל ה- HOMO לאורביטל ה- LUMO הולך ומצטמצם ככל שמספר הקשרים הכפולים המצומדים עולה. מכיוון שקיים יחס הפוך בין אורך הגל לאנרגיה, ככל שהאנרגיה הנדרשת לעירור אלקטרון מה- HOMO ל- LUMO קטנה, אורך הגל גדל. 13

14. שאלה 3 טבלה 1 טבלה 2 שאלה 3: איזו מן הטבלאות הבאות מתארת כהלכה את הקשר בין מבנה המולקולות ואורך הגל הנבלע כאשר האלקטרון מעורר מה- HOMO ל- LUMO? 14

15. תשובה לשאלה 3 שאלה 3: איזו מן הטבלאות הבאות מתארת כהלכה את הקשר בין מבנה המולקולות ואורך הגל הנבלע כאשר האלקטרון עובר מה- HOMO ל- LUMO? תשובה: הטבלה הנכונה היא טבלה 1: ככל שהכרומופור ארוך יותר, הפרש האנרגיה בין ה- HOMO ל- LUMO קטן. פחות אנרגיה נדרשת לעירור אלקטרון מאורביטל ה- HOMO לאורביטל ה- LUMO. ככל שהאנרגיה הנחוצה קטנה יותר, אורך הגל של הקרינה המתאימה לעירור ארוך יותר (שכן יש יחס הפוך בין אורך הגל של הקרינה לאנרגיית הפוטונים). 15

16. שאלה 4 coopah/MorgueFile שאלה 4 לנוצות הפלמינגו צבע ורוד- אדום בגלל הצבען קנתקסנתין הנמצא במזון שמאכילים בו את הפלמינגו. בלא מזון מתאים, תהיינה נוצות הפלמינגו אפורות. לפניכם נוסחת הקנתקסנתין. הסבירו מדוע הקנתקסנתין הוא חומר צבעוני. 16

17. שאלה 4 שאלה 4 לנוצות הפלמינגו צבע ורוד- אדום בגלל הצבען קנתקסנתין הנמצא במזון שמאכילים בו את הפלמינגו. בלא מזון מתאים, תהיינה נוצות הפלמינגו אפורות. לפניכם נוסחת הקנתקסנתין. הסבירו מדוע הקנתקסנתין הוא חומר צבעוני. תשובה: לקנתקסנתין כרומופור ארוך. הפרש האנרגיה בין ה- HOMO ל- LUMO קטן, ולכן החומר בולע אורכי גל ארוכים- בתחום הנראה- הגורמים לעירור אלקטרון מה- HOMO ל- LUMO. הקנתקסנתין בולע אורכי גל מסוימים בתחום הנראה. שאר אורכי הגל מתפזרים ונראים לעינינו בתור הצבע המשלים לצבע שנבלע. פתרו את שאלה 3 בעמוד 70 ושאלות 5,6,7 בעמוד 77 בספר "כימיה מכל וחול". 17

18. ozden/MorgueFile כיצד המלבין מנקה כתמים? המלבין הוא חומר מחמצן. כאשר מוסיפים אותו לכתם צבעוני, אטומי חמצן פעילים גורמים לשבירת חלק מהקשרים הכפולים של הכרומופור והכרומופור מתקצר. הפרש האנרגיה בין ה-HOMO ל-LUMO גדל והחומר הצבעוני שיוצר את הכתם כבר אינו בולע בתחום הנראה, אלא בתחום העל- סגול, ולכן כבר אינו נראה לעינינו. בהמשך התהליך מולקולות המחמצן שוברות עוד קשרים של מולקולות הכתם, ונוצרות מולקולות קטנות יותר שאינן בולעות בתחום הנראה. פתרו את שאלה 2ב' בעמוד 70 בספר "כימיה מכל וחול".

19. שאלה 5: עכנאי יהודה עכנאי יהודה/ דר' נורית קינן/ מטח שאלה 5: פרחי הצמח עכנאי יהודה משנים את צבעם במהלך חיי הפרח מוורוד לכחול, עקב שינוי ה- pH בעלי הכותרת של הפרח. השינוי ב-pH גורם לשינוי במבנה מולקולות הצבען שבפרח, ולשינוי באורך הכרומופור. האם הכרומופור של הצבעןמתארך או מתקצר במהלך חיי הפרח? נמקו. 19

20. תשובה לשאלה 5 שאלה 5: פרחי הצמח עכנאי יהודה משנים את צבעם במהלך חיי הפרח מוורוד לכחול, עקב שינוי ה- pH בעלי הכותרת של הפרח. השינוי ב-pH גורם לשינוי במבנה מולקולות הצבען שבפרח, ולכן לשינוי באורך הכרומופור. האם הכרומופור של הצבעןמתארך או מתקצר במהלך חיי הפרח? נמקו. תשובה: *כדאי להיעזר בטבלה הבאה: גלגל הצבעים כתום 597-622nm צהוב 577-597nm אדום 622-780nm ירוק 492-577nm סגול 390-455nm כחול 455-492nm 20

21. המשך תשובה לשאלה 5 שאלה 5: פרחי הצמח עכנאי יהודה משנים את צבעם במהלך חיי הפרח מוורוד לכחול, עקב שינוי ה- pH בעלי הכותרת של הפרח. השינוי ב-pH גורם לשינוי במבנה מולקולות הצבען שבפרח, ולכן לשינוי באורך הכרומופור. האם הכרומופור של הצבען מתארך או מתקצר במהלך חיי הפרח? נמקו. תשובה: בראשית חייו הפרח הוא וורוד, ולכן הוא בולע בתחום המשלים לאדום- כלומר בתחום הירוק. בהמשך חייו הפרח הוא כחול, ולכן הוא בולע בתחום המשלים לכחול- כלומר בתחום הכתום. לאורכי הגל בתחום הירוק אורך גל קצר יותר מלאורכי הגל בתחום הכתום. מכיוון שיש יחס הפוך בין אורך גל לאנרגיה, לפוטון של קרינה בתחום הירוק אנרגיה גדולה יותר מאשר לפוטון של קרינה בתחום הכתום. לכן, בראשית חיי הפרח נדרשת אנרגיה גדולה יותר לעירור אלקטרון מה- HOMO ל- LUMO, הפרש האנרגיה בין ה- HOMO ל- LUMO גדול יותר ולכן הכרומופור קצר יותר. בהמשך חיי הפרח השינוי ב- pH גורם להתארכות הכרומופור. גלגל הצבעים כתום 597-622nm צהוב 577-597nm אדום 622-780nm ירוק 492-577nm סגול 390-455nm כחול 455-492nm 21

22. חומרים מולקולריים פולטי אור- פְלוּאוֹרֶסֶנְצְיָה בפרק הראשון בספר הכרנו אטומים המעוררים בדרך מאולצת (בעזרת חימום, מתח חשמלי, קרינה), ופולטים אור כאשר האלקטרונים חוזרים לאורביטלים בעלי רמות אנרגיה נמוכות יותר. בפרק השני הכרנו חומרים מולקולריים צבעוניים, שצבעם נובע מבליעה של חלק מאורכי הגל בתחום הנראה. אורכי הגל שלא נבלעו מתפזרים ומגיעים לעינינו יש גם חומרים מולקולריים שפולטים אור, לדוגמה, המדבקות הזוהרות בחדרי ילדים. במדבקות הזוהרות יש חומר מולקולרי שעובר עירור אלקטרוני על ידי קרינה בתחום העל סגול. הקרינה העל-סגולה מגיעה מן השמש או מחלק מן הנורות בבית. מקצת האנרגיה הפנימית אובדת, בגלל תנודות הקשרים הכימיים במולקולה, ולכן הפליטה תהיה באנרגיה נמוכה מזו שנקלטה לצורך העירור, כלומר באורך גל ארוך יותר- שלעתים הוא בתחום הנראה. תופעה זו נקראת פְלוּאוֹרֶסֶנְצְיָה. גם במקל התאורה ( Light Stick) שבשימוש החיילים יש חומרים מולקולריים הפולטים אור. בתגובה הכימית המתרחשת במקל נוצר חומר מולקולרי מעורר. כשהאלקטרונים יורדים לאורביטלים נמוכים יותר נפלטת אנרגיה בצורת אור. תופעה זו נקראת כֶּמִילוּמִינֶסֶנְצְיָה. כשתופעה דומה מתרחשת בבעלי חיים כמו בגחליליות היא נקראת בִּיוֹלוּמִינֶסֶנְצְיָה. פתרו את שאלה 18 מבחינת הבגרות תשס"ו. 22

23. סיכום • קשר קוולנטי יחיד הוא קשר σ. בקשר קוולנטי כפול קשר σ וקשר π. • מולקולות מצומדות הן מולקולות שבהן קשרים קוולנטיים כפולים ובודדים לסירוגין. • החלק המצומד במולקולה נקרא כרומופור. • הפרש האנרגיה בין אורביטל ה- HOMO לאורביטל ה- LUMO הולך ומצטמצם ככל שמספר הקשרים הכפולים המצומדים במולקולה עולה. • כאשר הפרש האנרגיה בין ה- HOMO ל- LUMO קטן, מספיקה בליעה בתחום הנראה כדי לעורר אלקטרון מה- HOMO ל- LUMO. מכיוון שהחומר בולע בתחום הנראה הוא יהיה צבעוני. צבעו יהיה הצבע המשלים לצבע שנבלע. • יש חומרים מולקולריים הפולטים אור: האנרגיה הנפלטת קטנה מן האנרגיה שנבלעה בגלל איבוד מקצת האנרגיה הפנימית. תופעה זו נקראת פלואורסנציה. מושגים חשובים: קשר σ, קשר π, קשרים כפולים מצומדים, כרומופור, הפרש האנרגיה בין אורביטל ה- HOMO לאורביטל ה- LUMO, פלואורסנציה