Παραμαγνητικό Μόριο Οξυγόνου

Το οξυγόνο αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο Ο και έχει ατομικό αριθμό 8. Η ηλεκτρονική του διαμόρφωση είναι 1s22s22p4. Ανήκει στην ομάδα 16, δηλαδή στην ομάδα χαλκογόνων και στη δεύτερη περίοδο του περιοδικού πίνακα. Στο STP, τα άτομα οξυγόνου συνδυάζονται και σχηματίζουν το μόριο O2. Ονομάζεται διοξυγόνο και είναι άχρωμο αλλά και άοσμο. Ο δεσμός μεταξύ τους είναι ομοιοπολικής φύσης και η σειρά δεσμών είναι 2. Είναι παραμαγνητικός στη φύση και έχει γραμμικό σχήμα με γωνία δεσμού 180°.

Υπάρχει ένα άλλο μόριο οξυγόνου γνωστό ως όζον, που αντιπροσωπεύεται από το Ο3. Είναι ένα πολύ αντιδραστικό αλλοτρόπο του οξυγόνου.

Μοντέλα για τον προσδιορισμό των σχημάτων των μορίων

Υπάρχουν διάφορα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τα σχήματα των μορίων.

• Το απλούστερο μοντέλο είναι η θεωρία της απώθησης ηλεκτρονίων φλοιού σθένους (VSEPR). Βασίζεται στο γεγονός ότι οι ομάδες ηλεκτρονίων, δηλαδή μοναχικά ζεύγη, απλοί δεσμοί, πολλαπλοί δεσμοί και μεμονωμένα ηλεκτρόνια, απωθούνται μεταξύ τους μέσω κουλομβικών δυνάμεων. Οι απωθήσεις μεταξύ των ομάδων ηλεκτρονίων των εσωτερικών ατόμων ενός μορίου διέπουν τη γεωμετρία του.

Σειρά απόκρουσης δίνεται από:λ.π.-λ.π.> l.p.-b.p.> b.p.-b.p.

Ευνοϊκή γεωμετρία είναι αυτή με ελάχιστη απώθηση.

Για παράδειγμα, το BeCl2 έχει 2 ζεύγη δεσμών ηλεκτρονίων. Ο υβριδισμός του είναι sp και είναι γραμμικός με γωνία δεσμού 180°. Ωστόσο, στο SnCl2 υπάρχουν 2 ζεύγη δεσμών και 1 μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων. Λόγω αυτού, ο υβριδισμός του είναι sp² και έχει σχήμα V με γωνία σύνδεσης <120°.

• Η επόμενη θεωρία προωθήθηκε σε σύγκριση με το VSEPR και ονομάστηκε Θεωρία Ομολόγων Σθένους (VBT). Όταν 2 άτομα πλησιάζουν το ένα το άλλο, οι πυρήνες και τα ηλεκτρόνια τους αλληλεπιδρούν. Εάν η ενέργεια ενός συστήματος μειωθεί εξαιτίας αυτών των αλληλεπιδράσεων, σχηματίζεται ένας χημικός δεσμός.

Τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων σε ένα μόριο υπάρχουν στα ατομικά τροχιακά s, p, d, f ή υβριδισμένα τροχιακά. Ένας χημικός δεσμός σχηματίζεται όταν επικαλύπτονται τα μισά γεμάτα τροχιακά κελύφους σθένους των 2 ατόμων. Το σχήμα του μορίου καθορίζεται από τη γεωμετρία των επικαλυπτόμενων τροχιακών.

Υπάρχει ένας γενικός τύπος που χρησιμοποιείται για την εύρεση του υβριδισμού ενός μορίου, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθεί η γεωμετρία του:

H=1/2 (V+M-C+A)

Όπου, H=αριθμός τροχιακών που εμπλέκονται στον υβριδισμό,

V=ηλεκτρόνια κελύφους σθένους,

M=αριθμός μονοσθενών ατόμων,

C=φορτίο κατιόντων και

A=χρέωση σε ανιόν.

Παράδειγμα:NH3 =½( 5+3+0-0) =8/2=4; Έτσι, ο υβριδισμός είναι sp3. Αυτά τα 4 τροχιακά είναι προσανατολισμένα για να σχηματίσουν μια τετραεδρική διάταξη.

Μόριο Ο2:έχει 2 ασύζευκτα ηλεκτρόνια και απαιτούνται μόνο 2 ηλεκτρόνια για την ολοκλήρωση της οκτάδας. Το άλλο άτομο οξυγόνου μπορεί να μοιραστεί τα 2 ηλεκτρόνια του μαζί του, επομένως δεν έχει ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Όταν δεν υπάρχει ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, το μόριο λέγεται ότι είναι διαμαγνητικό. Τα διαμαγνητικά υλικά απωθούνται σε μαγνητικό πεδίο.

Εάν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια, το μόριο είναι παραμαγνητικό. Τα παραμαγνητικά υλικά έλκονται σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Σύμφωνα με το VBT, το Ο2 λέγεται ότι είναι διαμαγνητικό. Ωστόσο, βρέθηκε πειραματικά ότι το O2 έλκεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Το VBT δεν μπορούσε να εξηγήσει αυτήν την ανωμαλία.

• Η επόμενη θεωρία είναι η μοριακή τροχιακή θεωρία (MOT). Αυτή η θεωρία θεωρεί ολόκληρο το μόριο ως μονάδα. Όπως ένα ατομικό τροχιακό, υπάρχουν μοριακά τροχιακά γύρω από τους πυρήνες του μορίου. Σχηματίζονται από το συνδυασμό ατομικών τροχιακών συγκρίσιμων ενεργειών. Όταν 2 ατομικά τροχιακά σχηματίζουν μοριακά τροχιακά, το ένα από τα μοριακά τροχιακά έχει χαμηλότερη ενέργεια (δεσμικό τροχιακό) και το άλλο έχει υψηλότερη ενέργεια (αντιδεσμικό τροχιακό). Δημιουργούνται λόγω εποικοδομητικής και καταστροφικής παρεμβολής, αντίστοιχα, των αλληλοκαλυπτόμενων ατομικών τροχιακών.

Τώρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το MOT για να βρούμε τη μαγνητική φύση των μορίων O2. Η διαμόρφωση μπορεί να γραφτεί ως εξής: 

(σ1s² σ*1s²) (σ 2s² σ* 2s²) (σ 2pz ²)( π 2px² )(π2py²)( π*2px 1)(π* 2py¹)

Από την παραπάνω διαμόρφωση, μπορεί να φανεί ότι υπάρχουν 2 ηλεκτρόνια σε ξεχωριστά τροχιακά π* αντιδεσμού. Εξαιτίας αυτών των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, το διοοξυγόνο είναι παραμαγνητικό στη φύση του αντί να είναι διαμαγνητικό όπως αναμενόταν από τις προηγούμενες θεωρίες.

Μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε τη σειρά δεσμών από την ακόλουθη σχέση:Τάξη δεσμών=½ [αριθμός ηλεκτρονίων σε τροχιακά δεσμού- αριθμός ηλεκτρονίων σε τροχιακά αντιδεσμού]

Άρα, εντολή ομολόγου =½ [ 8-4] =2 

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει διπλός δεσμός μεταξύ των 2 μορίων οξυγόνου.

Συμπέρασμα

Ο τύπος του μορίου του οξυγόνου είναι Ο2. Αυτό σημαίνει ότι έχει δύο άτομα Ο συνδυασμένα με διπλό δεσμό. Έχει γραμμική γεωμετρία όπως φαίνεται από τις θεωρίες VSEPR και VBT. Έχει γωνία σύνδεσης 180°. Ωστόσο, αυτές οι θεωρίες έδειξαν λανθασμένα ότι η μαγνητική φύση του διοξυγόνου είναι διαμαγνητική καθώς δεν υπήρχαν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε η Μοριακή Θεωρία Τροχιακών, η οποία έχει μια έννοια των δεσμών και των αντιδεσμικών μοριακών τροχιακών. Διαπιστώθηκε ότι τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στα δύο τροχιακά π* είναι ασύζευκτα. Λόγω της παρουσίας αυτών των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, το Ο2 βρέθηκε να είναι παραμαγνητικό στη φύση. Αυτό εξηγεί γιατί το υγρό οξυγόνο έλκεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Η σειρά δεσμού υπολογίστηκε επίσης ότι είναι ίση με 2, που σημαίνει ότι έχει διπλό δεσμό μεταξύ 2 ατόμων οξυγόνου.