π-saite: definīcija, īpašības un piemēri ķīmijā
Uzzini π-saite: definīcija, īpašības un piemēri ķīmijā — pi saites veidošanās, orbitāļu pārklāšanās, stiprums un rotācijas ierobežojumi ar skaidriem piemēriem.
Ķīmijā π saite (raksturota ar simbolu π) ir kovalenta ķīmiskā saite, kas veidojas, kad divu atomu p-tipa orbitāles pārklājas sāniski (neburtiski “mālās” pārklāšanās vietās). P orbitāles nav astoņstūra formas — tās parasti ir divu lobu (dumbbell) formas, un pi saišu gadījumā šo lobu sāniskais pārklājums rada elektronblīvuma zonas virs un zem saites ass (sk. attēlu). Rezultātā veidojas divas pārklāšanās zonas, un molekulā viena no mezglu plaknēm parasti iet caur saites asi, kur elektronblīvums ir tuvu nullei.
Simetrija un nosaukums
Grieķu burts π saites nosaukumā norāda uz to, ka iesaistītās orbitāles ir p tipa. No saites ass skatoties, pi saišu orbitāļu simetrija atgādina p orbitāles simetriju — ir viena mezglu plakne, kas maina viļņu funkcijas zīmi. Lai gan dažkārt tiek apspriesta arī d orbitāļu iesaiste π veida mijiedarbībā (pi-tipisku saišu veidošana hypervalentu vai metālu komplekšu ķīmijā), praksē d orbitāļu efektivitāte sāniska pārklāšanās radīšanā ir ierobežotāka un atkarīga no elementa un ķīmiskā vides.
Salīdzinājums ar σ (sigma) saiti
Sigma saites veidojas, ja orbitāles pārklājas tieši galviņās (head-on) gar saites asi. Pi saites parasti ir vājākas nekā sigma saites, jo sāniskais pārklājums nodrošina mazāku orbitāļu pārklāšanās pakāpi. Kvantu mehānikā to skaidro ar to, ka p orbitāļu ceļi ir paralēli viens otram (sāniska orientācija), tāpēc stabilizējošā pārklāšanās ir mazāka nekā tiešā (sigma) pārklāšanās.
Īpašības
- Elektronblīvums: π saites elektronblīvums koncentrējas virs un zem saites ass (vai priekšā/atpakaļ atkarībā no orbitāļu orientācijas), nevis tieši starp kodoliem kā σ saitēs.
- Divas pārklāšanās zonas: pi saišu gadījumā parasti pastāv divas atsevišķas reģionālas pārklāšanās zonas (pi un pī), kas dod īpašu formu molekulārajiem molekulārajiem orbitāļiem.
- Rotācijas ierobežojums: molekulārie fragmenti, kas saistīti ar π saiti (pi + sigma sistēma, piemēram dubultsaišu gadījumā), nevar brīvi rotēt ap šo saiti, nepārtraucot π pārklāšanos. Tas rada ģeometriskas izomērijas iespējas (cis/trans).
- Reaktivitāte: π elektroni parasti ir pieejamāki reakcijām (pi-sistēmas ir reaktīvākas pret elektrofilām pievienošanām), un π→π* vai n→π* pārejas ir svarīgas spektroskopijā (UV–Vis).
- Delokalizācija: ja vairākas π orbitāles savstarpēji pārklājas (konjugācija), elektroni var delokalizēties pa visu sistēmu, palielinot stabilitāti (pi-konjugācija, aromātiskums).
Bond order un daudzveidība (vienkārši piemēri)
Pi saišu klātbūtne palielina saišu kārtu (bond order): vienkāršā saite parasti ir tikai σ; dubultsaišu sastāvā ir viena σ + viena π; trīskāršas saites — viena σ + divas π. Piemēri:
- Etēns (C2H4) — viena π saite (kopā ar σ), veido dubultsaiti.
- Etīns (C2H2) — divas π saites (kopā ar vienu σ) — trīskārša saite.
- Benzenes (C6H6) aromātiskā sistēma — sešu oglekļu pi-elektronu delokalizēta sistēma, kas nodrošina papildu stabilitāti.
- Slāpeklis (N2) un oglekļa monoksīds (CO) — piemēri ar augstu saišu kārtu, kur ietilpst π saišu komponents (N≡N un C≡O).
Pi saites loma organiskajā un neorganiskajā ķīmijā
Pi saišu klātbūtne nosaka daudzus molekulas fizikālos un ķīmiskos raksturlielumus: reaktivitāti (pi-elektroni ir bieži mērķi elektrofilām reakcijām), spektroskopiskās īpašības (π→π* pārejas UV–Vis spektrā), elektronisko struktūru (konjugācija un aromātiskums) un molekulāro ģeometriju (plakanums konjugētās sistēmās). Metālu kompleksos novēro arī π-sadarbību ar metālu orbitālēm — gan ligandu π-donēšanu, gan metāla π-atpakaļdonēšanu (pi-backbonding), kas ietekmē kompleksu īpašības.
Pi un antibonding orbitāles
Pi saišu veidošanās rezultātā rodas arī attiecīgās π* (pi zvaigznītes) antibonding orbitāles. Elektronu pārejas no π uz π* orbītālēm ir būtiskas fotokemiskās un fotofizikālās procesā, un to enerģētiskās atšķirības ietekmē molekulas gaismas absorbēšanas īpašības.
Kopsavilkumā: π saites ir sāniski pārklājošas p (vai reizēm arī d) orbitāles rezultāts, kas rada elektronblīvumu virs un zem saites ass, nodrošina dubult- un trīskāršas saišu īpašības, ierobežo rotāciju un ļauj veidot delokalizētas, reaktīvas pi‑sistēmas ar nozīmīgu lomu organiskajā un koordinācijas ķīmijā.
Elektronu atomu un molekulu orbitāles, attēla apakšējā labajā pusē redzama pi saite.
Divas p-orbitāles, kas veido π-saiti.
Vairākas saites
Atomiem, kas savienoti ar dubultsaiti, ir viena sigma saite un viena pi saite. Ja tos savieno trīskāršā saite, tiem ir viena sigma saite un divas pi saites.
Pi saite ir vājāka nekā sigma saite, bet pi un sigma saites kombinācija ir stiprāka nekā jebkura no tām atsevišķi. Vairāku saišu papildu stiprība salīdzinājumā ar vienu (sigma saiti) izpaužas dažādos veidos. Acīmredzamākais ir saites garuma samazināšanās. Piemēram, organiskajā ķīmijā oglekļa-oglekļa saites garums ir etānā (154 pm), etilēnā (134 pm) un acetilēnā (120 pm). Vairāk saišu padara kopējo saiti īsāku un stiprāku. Elektroniskās konfigurācijas pamatā ir S, P, D un f bloki. S ir 2 elektroni P ir 6 elektroni D ir 10 elektroni F ir 14 elektroni.
|
|
|
|
| etāns | acetilēns |
Īpašie gadījumi
Pi saites ne vienmēr savieno atomu pāri, kas ir saistīti arī ar sigma saitēm.
Atsevišķos metālu kompleksos pi mijiedarbība starp metāla atomu un alkīna un alkēna pi antisaistes orbitāli veido pi saites.
Dažos gadījumos, kad starp diviem atomiem ir vairākas saites, sigma saites vispār nav, ir tikai pi saites. Kā piemēru var minēt diironheksakarbonilu (Fe2(CO) 6), dikarbonilu (C ) 2un borānu B 2H 2. Šajos savienojumos centrālajai saitei ir tikai pi saite. Lai panāktu pēc iespējas lielāku orbitāļu pārklāšanos, saišu attālumi ir daudz īsāki, nekā gaidīts.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ķīmijā ir pi saite?
A: Pi saite ir kovalenta ķīmiskā saite, kurā viena elektrona orbitālais ceļš krustojas ar otra elektrona orbitālo ceļš, radot divas pārklāšanās zonas, jo ceļi pārklājas abās šķautnēs.
J: Kāds ir grieķu burts, kas minēts to nosaukumā?
A: Grieķu burts to nosaukumā ir π, un tas attiecas uz p orbitāli.
J: Kāda ir pi saites orbitāļu simetrija?
A: Pi saites orbitāļu simetrija izskatās tāpat kā p orbitālei, ja skatāmies uz leju pa saites asi, jo p orbitāles parasti ir šāda veida saites.
J: Kāpēc pi saites parasti ir vājākas nekā sigma saites?
A: Pi saites parasti ir vājākas par sigma saitēm, jo saskaņā ar kvantu mehāniku orbitāļu ceļi ir paralēli, tāpēc p orbitāles daudz mazāk pārklājas.
J: Kad rodas pi saites?
A: Pi saites veidojas, kad divas atomu orbitāles saskaras divās pārklāšanās zonās.
J: Kas ir pi saites?
A: Pi saites ir izkliedētākas saites nekā sigma saites.
J: Vai ar pi saiti savienoti molekulu fragmenti var griezties ap šo saiti, nepārtraucot pi saiti?
A: Nē, ar pi saiti savienoti molekulārie fragmenti nevar rotēt ap šo saiti, nepārtraucot pi saiti, jo rotācija izjauc divu p orbitāļu paralēlos ceļus.
Meklēt