home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / drugs / bond.structure < prev    next >
Internet Message Format  |  1996-05-06  |  34KB

  1. Message-ID: <073310Z08071994@anon.penet.fi>
  2. Newsgroups: alt.drugs
  3. From: an58264@anon.penet.fi (Dalamar)
  4. Date: Fri,  8 Jul 1994 07:25:09 UTC
  5. Subject: CHEMISTRY: Bonding and Structure
  6.  
  7.  
  8. In the following file the numbers immediately following an atoms symbol in
  9. a chemical formula should be read as subscript eg C2H6 should be read :
  10.  
  11.  
  12.            CCCCCC        H     H
  13.           C              H     H
  14.           C              H     H
  15.           C              HHHHHHH      6
  16.           C       222    H     H     6
  17.           C          2   H     H    6 6
  18.            CCCCCC  22    H     H    6  6
  19.                   2222               66
  20.  
  21.  
  22. The mole is a measure of amount of substance in chemistry and is equivalent to
  23. 6.02 x 10(raised to the power of 23) particles.
  24.  
  25.  
  26. Bonding and Structure
  27. _____________________
  28.  
  29. The vast majority of substances which occur freely in nature, or are
  30. synthetically manufactured by man, are not comprised of free atoms,
  31. but of atoms held joined together by chemical bonds. How and why do atoms
  32. form bonds ?
  33.  
  34. Obviously the formation of a bond must be energetically favourable, leading to a
  35. minimum of energy ie the product in which the bonds have been formed must be
  36. more stable than the individual atoms, otherwise the bonds would not form.
  37. To understand what happens in terms of electronic structure when atoms form
  38. bonds consider the group 0 elements. These comprise the inert gases helium,
  39. neon, argon, krypton, xenon and radon, all of which are noted for their extreme
  40. lack of chemical properties and unreactivity. Atoms of the noble gases do not
  41. normally react with any other atoms, so that the gases consist of atoms alone.
  42. This lack of reactivity and the fact that the gases are comprised of lone atoms
  43. indicates that these atoms are extremely stable, their energy being at such a
  44. favourable minimum that it cannot be improved by bond formation. The inert gases
  45. all have one thing in common - a complete outer shell of electrons, so we
  46. conclude that this is a very stable arrangement.
  47.  
  48. The electrons contained in the outermost shell of an atom are generally the ones
  49. concerned with bonding and the formation of _compounds_. When two or more
  50. different elements are combined together, so that their atoms become bonded,
  51. the resultant substance is called a compound. The properties of the compound
  52. usually differs radically from the elements which combined together to
  53. form it. A classic example is the formation of water from the elements
  54. hydrogen and oxygen. When hydrogen and oxygen are mixed in the correct
  55. proportions and a spark or flame applied, a violent reaction occurs in which
  56. the hydrogen and oxygen react together to form water. Both oxygen and hydrogen
  57. are gases at room temperature, but the product of their reaction together is
  58. a clear liquid, without which life would not exist.
  59.  
  60. When atoms form bonds they do so in such a way as to attain a stable electronic
  61. configuration. As we have already shown, the most stable configuration is that
  62. of a complete outer shell of electrons. There are three ways in which atoms may
  63. obtain a stable electronic configuration : by losing, gaining or sharing
  64. electrons. If we divide the elements into (a) electropositive elements, whose
  65. atoms compete poorly for electrons and give up one or more electrons fairly
  66. readily (low ionisation energy), (b) electronegative elements, whose atoms
  67. attract electrons strongly and also readily take up electrons, then the
  68. following rule of thumb applies :
  69.  
  70.  
  71. Electropositive element + Electronegative element = Ionic Bond
  72.  
  73.  
  74. Electronegative element + Electronegative element = Covalent Bond
  75.  
  76.  
  77. Electropositive element + Electropositive element = Metallic Bond
  78.  
  79.  
  80. The three modes of bonding described above are :
  81.  
  82.  
  83. 1. The Ionic Bond.
  84.  
  85. The _ionic bond_ is formed when electrons are transferred from one atom to
  86. another, generating cations and anions which are held together by the pure
  87. electrostatic attraction of the resulting positive and negative charges.
  88. Compounds such as sodium chloride (NaCl), iron sulphide (FeS) and magnesium
  89. oxide (MgO) contain this type of bonding.
  90.  
  91. 2. The Covalent bond.
  92.  
  93. The _covalent bond_ is formed by the mutual sharing of electrons between
  94. two atoms. Each atom achieves a stable configuration by gaining a share of
  95. a number of electrons from the outermost shell of the other atom. Compounds
  96. such as methane (CH4), chloroform (CHCl3), hydrogen chloride (HCl) and
  97. benzene (C6H6) contain this type of bonding.
  98.  
  99. 3. The metallic bond.
  100.  
  101. This type of bonding, as the name suggests, occurs in metals. The outermost
  102. electrons of the metal become _delocalised_, that is they are not associated
  103. with any one particular atom, but are free to move from atom to atom in the
  104. metal crystal. The structure can then be imagined as an array of metal cations
  105. surrounded by a delocalised 'sea' of electrons which hold the cations together.
  106. The outstanding electrical conductivity of metals is due to the mobility of
  107. these electrons through the lattice. Sodium metal consists of an array of
  108. Na+ cations (noble gas config. of neon, K2 L8) held together by the delocalised
  109. M1 electrons (sodium originally K2 L8 M1).
  110.  
  111. Ionic and covalent bonding is covered in more detail below.
  112.  
  113.  
  114. The Ionic Bond
  115. ______________
  116.  
  117. Consider sodium, an electropositive element with low ionisation energy and
  118. electronic configuration of K2 L8 M1. When sodium reacts with an electronegative
  119. element, for example chlorine, the single electron contained in the M shell is
  120. readily lost to give Na+ ion, with the stable electronic configuration of neon,
  121. K2 L8. Chlorine, which is of high electronegativity (electron attracting),
  122. accepts an electron readily to give the _chloride ion_, Cl-, with the stable
  123. electronic configuration of argon, K2 L8 M8. By the transfer of only one
  124. electron, from sodium to chlorine, each atom is now 'happier' as it has achieved
  125. a more stable electron configuration. The millions of Na+ and Cl- ions which are
  126. generated during the reaction form themselves into a regular three dimensional
  127. cubic lattice, consisting of alternating Na+ and Cl- ions. Each Na+ ion in
  128. the lattice is surrounded by 6 Cl- ions, 4 in the same plane, one in the plane
  129. above, and one in the plane below. The diagram below shows a small portion of
  130. a single plane of Na+ and Cl- ions as they are arranged in sodium chloride.
  131.  
  132.  
  133.  
  134.                     Na+    Cl-    Na+    Cl-    Na+    Cl-   Na+
  135.  
  136.  
  137.                     Cl-    Na+    Cl-    Na+    Cl-    Na+   Cl-
  138.  
  139.  
  140.                     Na+    Cl-    Na+    Cl-    Na+    Cl-   Na+
  141.  
  142.  
  143.                     Cl-    Na+    Cl-    Na+    Cl-    Na+   Cl-
  144.  
  145.  
  146.                     Na+    Cl-    Na+    Cl-    Na+    Cl-   Na+
  147.  
  148.  
  149. This pattern will repeated not only in the same plane, but also in planes
  150. stacked above and below. The planes immediately above and below this one will
  151. be arranged so that the chloride ions they contain are above and below the
  152. sodium ions in this plane. The _coordination number_ of each ion is _six_.
  153. The electrostatic attractive forces between the ions are extremely strong,
  154. resulting in a rigid crystal structure and a compound which is a solid.
  155. The chemical formula for sodium chloride is written as NaCl, which represents
  156. the ratio of sodium ions to chloride ions in the compound.
  157.  
  158. Because the rest of the group I metals (Li, Na, K etc) have similair electronic
  159. structure (one electron in outermost shell), they also have similair properties
  160. (electropositive, low ionisation energy) and can be expected to react in a
  161. similair fasion to sodium with chlorine, or any of the other of the group VII
  162. elements (commonly known as the halogens, F, Cl, Br etc), which are all one
  163. electron short of an inert gas structure. The resultant compounds will be of
  164. the general formula MX, where M represents an alkali metal and X a halogen.
  165. Some examples are sodium fluoride (NaF), lithium chloride (LiCl) and potassium
  166. iodide (KI).
  167.  
  168. The group II elements are also electropositive and are collectively known as the
  169. alkaline earth metals. All of the metals in this group contain 2 electrons in
  170. the outermost shell of their atoms, for example the electronic structure of
  171. magnesium is K2 L8 M2. In combining with a halogen, an ionic compound of general
  172. formula MX2 is formed, where M represents an alkaline earth metal and X a
  173. halogen. To obtain an inert gas structure each metal atom must lose 2 electrons.
  174. However, each halogen atom requires but one electron to complete its outermost
  175. shell, therefore for each M(2+) cation formed there are two X(-) ions also
  176. formed, giving a chemical formula of MX2. Examples are magnesium chloride
  177. (MgCl2) and calcium fluoride (CaF2).
  178.  
  179. Oxygen is another very electronegative element and with the electronic structure
  180. K2 L6, an oxygen atom is two electrons short of attaining the inert gas
  181. structure of neon (K2 L8). In compounds with the group I or group II metals,
  182. oxygen can accept two electrons to form the _oxide ion_, O(2-), which now has
  183. the inert gas structure of neon. Each group I metal atom donates only one
  184. electron, therefore the resulting _group I oxides_, have the general formula
  185. M2O eg. sodium oxide (Na2O). Each group II metal donates two electrons, giving
  186. a general formula of MO for the _group II oxides_, eg. magnesium oxide (MgO).
  187. The bonding in these oxides is again ionic (e.pos element + e.neg element).
  188. Most of the oxides, although stable, must be prepared by indirect methods as
  189. combustion in air gives other products such as peroxides and superoxides.
  190.  
  191.  
  192. The amount of energy released when one mole of an ionic compound is formed
  193. from its constituent ions is known as the _lattice energy_. This figure is
  194. usually quite high (eg approx 750 kJ/mol for NaCl) and depends on the nature
  195. of the ions and which type of structure they adopt. As well as the NaCl type
  196. of lattice which most of the group I halides adopt, many other geometries are
  197. formed by other ionic compounds. The reason why any particular geometry is
  198. adopted is that the lattice energy is at its most favourable.
  199.  
  200.  
  201. The Covalent Bond
  202. _________________
  203.  
  204. When two electronegative elements react together, ionic bonds are not formed
  205. because both atoms have a tendency to gain electrons. However, both atoms may
  206. still achieve an inert gas structure by the mutual sharing of electrons.
  207. Consider the element chlorine, which has seven electrons in the outermost shell
  208. of its atoms. Chlorine exists under normal conditions as a yellow gas composed
  209. of discrete Cl2 molecules. Now consider how two chlorine atoms will combine to
  210. form a chlorine molecule (Cl2). If each atom gives a _share_ of one of its
  211. outermost electrons to the other, each achieves a full outer shell. As both
  212. chlorine atoms are of identical electronegativity, the pair of electrons
  213. which now constitute a covalent bond are shared equally between both atoms.
  214. Diagramatically this may be represented:
  215.  
  216.  
  217.  
  218.  
  219.  
  220.                x x                x x                  x x   x x
  221.              x     x            x     x              x     x     x
  222.                 Cl       +         Cl      =====>       Cl    Cl
  223.              x                  x                    x     x     x
  224.                x x                x x                  x x   x x
  225.  
  226.  
  227.                 Chlorine atoms                   A chlorine molecule
  228.  
  229.  
  230. Only the outermost electrons are shown in the diagram (the M shell).
  231.  
  232. Each chlorine atom in the chlorine molecule has in its outermost shell six
  233. electrons which fully belong to it, plus a share in two more electrons, making
  234. a stable octet (inert gas structure of argon, K2 L8 M8) around each atom.
  235. A single covalent bond is therefore made up of a shared _pair_ of electrons.
  236.  
  237. A carbon atom is four electrons short of a complete outer shell, therefore
  238. it will need to share four electrons and form four bonds. For example, a
  239. molecule of carbon tetrachloride is composed of one carbon atom bonded to
  240. four chlorine atoms, CCl4. Each chlorine atom is only one electron short of
  241. a complete outer shell, so each Cl atom forms only one bond.
  242.  
  243. Diagramatically this may be represented: 
  244.  
  245.                                                                x x
  246.                                                              x     x
  247.                                                                 Cl 
  248.                                                              x     x 
  249.             x                      x x                 x x     x x    x x
  250.                                  x     x             x      x       x      x
  251.         x   C   x     +     4       Cl      ======>     Cl      C      Cl
  252.                                  x                   x      x       x      x
  253.             x                      x x                 x x     x x    x x
  254.                                                              x     x
  255.                                                                 Cl  
  256.                                                              x     x
  257.                                                                x x
  258.  
  259.  
  260. Only the outer shell of electrons is shown for each atom.
  261.  
  262.  
  263. By sharing electrons in this way, both the carbon and all four chlorine atoms
  264. attain an inert gas structure. Although these equations and diagrams help us
  265. to rationalise the bonding in CCl4, it does not neccessarily follow that the
  266. atoms will react directly together. In the case of CCl4, carbon and chlorine
  267. do not react directly to CCl4 and carbon tetrachloride must be prepared by
  268. indirect reactions.
  269.  
  270. Nitrogen is three electrons short of attaining an inert gas structure and will
  271. therefore form three covalent bonds to other atoms. Ammonia has the chemical
  272. formula NH3 and is produced by the direct reaction of hydrogen and nitrogen
  273. at high pressures :
  274.  
  275.  
  276.                   3 H2 + N2   =   2 NH3
  277.  
  278.  
  279. Hydrogen atoms are one electron short of attaining the inert gas structure of
  280. helium (K2). Each H atom is therefore capable of forming one covalent bond, as
  281. in ammonia (NH3).
  282.  
  283.  
  284.                                H   
  285.                                 
  286.                               x x  
  287.                            x       x     
  288.                                N       H
  289.                            x       x
  290.                               x x
  291.                              
  292.                                H
  293.  
  294.  
  295. For the N atom, only the outer electrons are shown.
  296.  
  297.  
  298. Notice in the structure for ammonia that there are two electrons on the nitrogen
  299. which do not form bonds. These two electrons are known as a _lone pair_ and play
  300. an important role in the properties of ammonia and its derivatives.
  301.  
  302. The bond which a pair of electrons form is more usually represented by a
  303. straight line joining the two atoms, and a lone pair by two dots next to the
  304. atom to which they belong. Thus ammonia can be more neatly represented by
  305.  
  306.  
  307.             H
  308.             |
  309.            :N-H       The structural formula of the ammonia molecule with its
  310.             |         3 single covalent bonds between N and H, plus a single
  311.             H         lone pair situated on nitrogen.
  312.  
  313.  
  314. Each bond line therefore represents a pair of electrons, which can be considered
  315. to be in the outer shell of both the atoms it joins. Each H atom has its
  316. required 2 electrons in the K shell, the nitrogen has 3 bond pairs, plus
  317. its lone pair, making a total of 3x2+2 = 8 electrons in its outermost shell
  318. which is the inert gas structure of neon (K2 L8). This is the _structural
  319. formula_ of ammonia and shows us the order in which the atoms are connected.
  320. The _molecular formula_ for a compound shows us which atoms are present and
  321. their numbers, but there could be many ways of fitting the atoms together so
  322. that each still forms its required number of bonds. Therefore, it is important
  323. to have a way of systematically naming all compounds in such a way that the
  324. structural formula can be worked out simply from the name. Even though such
  325. a system of naming has been in force a long time, some old common names are
  326. still in use. Some large molecules, which commonly have very long systematic
  327. names are generally referred to by an agreed common name. Compounds which
  328. share the same molecular formula, but differ in the way their atoms are
  329. connected or spatially arranged, are known as _isomers_. For example
  330. ethanol and dimethylether are related as _structural isomers_ because
  331. although they share the same molecular formula C2H6O, the way in which the
  332. atoms are connected differs :
  333.  
  334.  
  335.  
  336.       H   H                H H
  337.       |   |                | |
  338.     H-C-O-C-H            H-C-C-O-H            Ethanol and Dimethylether
  339.       |   |                | |                structural formulas.  
  340.       H   H                H H                
  341.                                              
  342.  
  343.   Dimethylether           Ethanol
  344.  
  345.       C2H6O                C2H6O
  346.  
  347.  
  348. Two other types of isomerism that are important are known as geometrical and
  349. optical.
  350.  
  351.  
  352. As well as single covalent bonds, double and triple covalent bonds also
  353. exist. For a double bond, two pairs of electrons are mutually shared between
  354. the atoms and for a triple bond three pairs of electrons are shared.
  355. An example of a compound containing a double bond is ethene (old name ethylene),
  356. which has the molecular formula C2H4 :
  357.  
  358.                            H H
  359.                            | |          A molecule of ethene.
  360.                            C=C  
  361.                            | | 
  362.                            H H
  363.  
  364. Each carbon atom requires a share in 4 electrons in order to complete its
  365. outer shell. Each H atom supplies one electron to pair with one of carbons
  366. electrons. As there are two H atoms connected to each C this uses up 2 of
  367. carbons 4 valency electrons. The only way both C atoms can obtain a complete
  368. outer shell is to now share both of their 2 remaining electrons with each other,
  369. so that each carbon atom gets a share in two electrons which originate from
  370. the neighbouring carbon atom.
  371.  
  372. Nitrogen molecules are diatomic (contains two atoms, N2) and contain a triple
  373. bond between N atoms. Each N atom contains 5 electrons in the outermost shell,
  374. hence a share in 3 more is required to complete the octet and achieve an inert
  375. gas structure. If each N atom shares 3 of its 5 valency electrons with its
  376. neighbouring N atom, each achieves a stable octet. Each N atom thus retains
  377. two electrons (a lone pair) which fully belong to it, plus gets a share in six
  378. others (3 from itself, 3 from the other), thereby completing the octet around
  379. each atom.
  380.  
  381.  
  382.                      x x
  383.                   :N x x N:         The N2 molecule, : represents a lone
  384.                      x x            pair of electrons situated on each N.
  385.  
  386.  
  387.  
  388. Double and triple bonds also occur between atoms of different types and are
  389. most important for the period two elements carbon, nitrogen and oxygen.
  390. For example, the carbon-oxygen double bond is very important in organic
  391. chemistry, where C=O is known as the _carbonyl_ group and is present in
  392. many important classes of compound eg. ketones, aldehydes, amides and esters.
  393. An oxygen atom contains six electrons in its outermost shell and therefore
  394. requires a share in two more to achieve an inert gas structure. A carbon atom
  395. requires a share in four electrons, therefore it shares two of its electrons
  396. with oxygen, which satisfies the requirements of oxygen. This still leaves
  397. the C atom two electrons short of the inert gas structure, which it achieves
  398. via bonding to other atoms. The nature of the other atoms attached to the
  399. carbonyl group will determine the reactivity and class of compound we have.
  400. Some examples are given below.
  401.  
  402.  
  403. Structural formula        Class            Name
  404. __________________        _____            ____
  405.  
  406.  
  407.     H     
  408.     |
  409.   H-C-H
  410.     |
  411.     C=O                   Ketone           Propanone (acetone)
  412.     |
  413.   H-C-H
  414.     |
  415.     H
  416.  
  417.  
  418.  
  419.     CH3
  420.     |
  421.     C=O                   Aldehyde        Ethanal (acetaldehyde)
  422.     |
  423.     H
  424.  
  425.  
  426.  
  427.     CH3
  428.     |
  429.     C=O
  430.     |
  431.     O-CH2-CH3             Ester           Ethylacetate    
  432.  
  433.  
  434.  
  435.     H
  436.     |
  437.     C=O
  438.     |           
  439.     N-CH3                 Amide           Dimethylformamide
  440.     |
  441.     CH3
  442.  
  443.  
  444. Common names shown in brackets.
  445.  
  446. For the first compound in the table i drew the complete structural formula.
  447. However it is possible to shorten this slightly by writing :
  448.  
  449.  
  450.  
  451.                                  H
  452.                                  |
  453.           -CH3   to represent   -C-H
  454.                                  |
  455.                                  H
  456.  
  457. and
  458.  
  459.                                    H H
  460.                                    | |
  461.          -CH2-CH3  to represent   -C-C-H
  462.                                    | |
  463.                                    H H
  464.  
  465.  
  466. The oxygen atom originally has 6 electrons in its outermost shell and shares
  467. two of these when forming two single covalent bonds (as in dimethylether) or
  468. one double bond (as in the above compounds). This leaves two lone pairs of
  469. electrons situated on oxygen, but these can usually be omitted when drawing
  470. the formulae for compounds.
  471.  
  472.  
  473. From the way we have discussed bonding so far, you may have expected a double
  474. covalent bond to be twice the strength of a single bond (if we consider the
  475. bonds to be between the same atoms). However, this is not the case and the
  476. double bond, although much stronger than a single bond, falls short of being
  477. twice the strength by a fair amount. To account for this we must go on another
  478. step in complexity and consider a more accurate model for the electronic
  479. structure of the atom. This i hope to do in another file if there is interest,
  480. but for the moment these basic ideas will suffice.
  481.  
  482.  
  483. The Coordinate Bond
  484. ___________________
  485.  
  486. So far you have seen that a single covalent bond consists of a pair of
  487. mutually shared electrons. One electron of the shared pair originated from
  488. one atom and the other electron from the other atom. However, there is a mode
  489. of bonding termed _coordinate_, or sometimes _dative_ in which the bond pair
  490. originates from the _same_ atom. To see how this is possible consider again
  491. the ammonia molecule, NH3. The nitrogen atom in ammonia has a lone pair of
  492. electrons. Even though the nitrogen atom has achieved its stable octet of
  493. outer electrons, it is still possible for further bonding to N to take place
  494. via the lone pair. For example, NH3 will react with a proton (H+, a hydrogen
  495. cation, formed by the removal of the single K electron from a H atom) to give:
  496.  
  497.                            H
  498.                            |                   The positive charge now resides
  499.                          H-N->H                on the N atom in NH4(+).
  500.                            |
  501.                            H
  502.  
  503. The lone pair from the N atom gives the newly attached H the inert gas config.
  504. of helium (K2) whilst at the same time it maintains the octet around N.
  505. Once formed, this coordinate bond is identical to that of a normal covalent
  506. bond and all N-H bonds in NH4(+) are in fact identical. The positive charge
  507. originally carried by H(+) is transferred to the nitrogen atom and the
  508. resultant cation, NH4(+), is known as the ammonium ion.
  509.  
  510.  
  511. The bond pair in molecules such as F2 and Cl2 is situated between identical
  512. atoms, which are of course of identical electronegativity. Hence the electron
  513. pair may be considered to be exactly in the middle of the two atoms. If however
  514. the atoms which are linked by a covalent bond are of different electronegativity
  515. then the electron pair of the bond will be drawn closer to the more
  516. electronegative atom. This results in a _polarised_ bond in which the more
  517. electronegative atom aquires a slight negative charge (because it hogs the
  518. electrons) and the other a slight positive charge (beacuse the electrons are
  519. being dragged away from it). This slight charge separation is represented by
  520. d+ and d- (the greek letter delta). For example, consider a molecule A-B, in
  521. which A is more electronegative than B. The bond becomes polarised in the
  522. direction of A :
  523.  
  524.                         d-   d+
  525.                           A-B 
  526.  
  527.  
  528. The resulting partial positive and negative charges attract each other and
  529. in fact strengthen the bond slightly. This electrostatic attraction is
  530. no different to that found in ionic compounds, so the above bond could be
  531. described as being partly ionic in character. In fact, if we kept increasing
  532. the electronegativity of atom A and decreasing that of B the compound AB
  533. would become increasingly more ionic as more and more negative charge
  534. built up on atom A. When the difference in electronegativity between A and
  535. B is great enough the compound will be ionic and consist of a lattice of
  536. A- and B+ ions. Then there is the region between the extremes, where the
  537. bond could be described as mainly covalent, but with some ionic character,
  538. or mainly ionic, but with some covalent character. Methyl lithium (CH3Li) is an
  539. example of a class of compounds known as the organometallics, and the bond
  540. is about 40% ionic in character due to the extreme polarisation of the
  541. C-Li bond :
  542.  
  543.                           H
  544.                         d-|  d+        In methyl lithium the C-Li bond is
  545.                         H-C-Li         extremely polarised.
  546.                           |
  547.                           H
  548.  
  549. Reagents such as MeLi (Me short for methyl, -CH3) are versatile reagents in
  550. the synthesis of organic molecules, where the carbon skeleton of the molecule
  551. usually has to be constructed from smaller molecules by a series of reactions.
  552.  
  553.  
  554.  
  555. Hydrogen Bonding
  556. ________________
  557.  
  558. Hydrogen bonding occurs in compounds which contain a hydrogen atom bonded to
  559. a strongly electronegative element, most commonly oxygen and nitrogen. The
  560. X-H bond (X=O,N etc) is polarised (d-)X-H(d+). The resultant d+ and d- charges
  561. become attracted to the d- and d+ charges on another molecule of the compound,
  562. with the result that a weak attractive force comes into play between the
  563. molecules. If we consider water :
  564.  
  565.  
  566.  
  567.                   O.........H   H         Hydrogen bonding in water.
  568.                  / \         \ /           
  569.                 H   H.........O           ... = Hydrogen bond.   
  570.            H   .    .         .            
  571.             \ .     .         .           
  572.              O .    O.........H
  573.             /    . / \       /
  574.            H      H   H.....O
  575.                              \
  576.                               H
  577.  
  578.  
  579. Water has two H atoms bonded to one O atom and both of these H's can take
  580. place in H bonding. The positively polarised H atoms in one molecule attract
  581. the negatively polarised O atoms of other water molecules and a 3-D network
  582. of hydrogen bonds is established. Hydrogen bonding is much weaker than either
  583. covalent or ionic and H-bonds can be broken fairly readily. To break the H
  584. bonds requires the input of energy (usually by heating). The high boiling
  585. point of water is due to hydrogen bonding. The hydrogen bonds in water are
  586. broken if the sample is heated enough (eg by boiling) and the water molecules,
  587. with enough thermal energy that the H-bonds can no longer hold them together,
  588. enter the gas phase.
  589.  
  590. Some examples of other types of compound which contain H-bonds are alcohols,
  591. carboxylic acids, amines and amides.
  592.  
  593.  
  594. Van der waals Forces of Attraction
  595. __________________________________
  596.  
  597. This is an extremely weak force of attraction which operates between the
  598. molecules in covalently bonded compounds. The size of the attractive force
  599. generally increases with the weight of the molecule. A good illustration
  600. of this principle is the trend in the boiling points of the alkanes, which
  601. increase with increasing molecular mass. The alkanes are a family of organic
  602. compounds which contain only carbon and hydrogen. Methane, CH4, is the lightest
  603. of the alkanes and as such the V.D.W forces of attraction between its molecules
  604. are extremely weak, hence methane is a gas at room temperature. For the next
  605. heavier alkanes ethane (CH3CH3), propane (CH3CH2CH3) and butane (CH3CH2CH2CH3)
  606. the V.D.W forces do increase, but not enough to allow the alkane to be a liquid
  607. at room temperature. However, the next members pentane and hexane are fairly
  608. volatile liquids at room temperature. The boiling point continues to increase
  609. with increasing molecular weight. When the molecular weight is high enough,
  610. the V.D.W forces between the molecules will have increased enough so that the
  611. alkane becomes a low melting point solid (as in candle wax). Hence most
  612. covalent compounds are either gases, liquids or low melting point solids
  613. (there is an exception to this where in some cases infinite 3-D covalent
  614. structures are formed, as opposed to discrete molecules, as in diamond and
  615. silica, in these cases the boiling points are abnormally high).
  616.  
  617.  
  618. Shapes of Simple Covalent Molecules - VSEPR Theory
  619. __________________________________________________
  620.  
  621. The shapes of most simple covalent molecules can be predicted by using the
  622. valence shell electron pair repulsion theory. This theory states that the
  623. shape of a molecule is related to the number of electron pairs (bond pairs or
  624. lone pairs) in the outer shell of the central atom. It is assumed that the
  625. electron pairs arrange themselves to be as far apart as possible in order to
  626. minimise the repulsive forces between them (negative charges repel). If the
  627. distribution of these pairs can be predicted then so can the shape and bond
  628. angle.
  629.  
  630. Consider the structure of a gaseous molecule of beryllium fluoride BeF2.
  631. In this molecule the central Be atom forms two single covalent bonds, one bond
  632. to each fluorine atom. There are therefore 2 bonding pairs of electrons in the
  633. valence shell of the Be atom in BeF2. These 2 pairs will arrange themselves to
  634. be as far apart as possible - and this is 180 degrees to each other. The BeF2
  635. molecule is therefore linear, with a F-Be-F bond angle of 180 degrees. You
  636. may have noticed that the central Be atom has only 4 electrons in its outermost
  637. shell i.e. it does not have a complete inert gas structure. The molecule is
  638. described as being electron deficient.
  639.  
  640. A molecule of boron trifluoride, BF3, has a central B atom covalently bonded to
  641. three fluorine atoms by single covalent bonds. The three bond pairs arrange
  642. themselves so that repulsion is at a minimum - and this is in a plane triangular
  643. shape, with the F-B-F bond angles equal to 120 degrees. The fluorine atoms
  644. occupy the corners of an equalateral triangle, with the boron atom in the
  645. middle.
  646.  
  647. In methane, CH4, there are four bond pairs of electrons around the central
  648. carbon atom. The repulsion is at a minimum if the bond pairs arrange themselves
  649. tetrahedrally around the C atom i.e. all H-C-H bond angles are 109 degrees 28
  650. minutes. The hydrogen atoms then occupy the corners of a regular tetrahedron
  651. and the CH4 molecule is described as tetrahedral.
  652.  
  653. Ammonia, NH3, has four pairs of electrons around the central N atom. These
  654. comprise three bonding pairs (one bond to each H atom) and a lone pair.
  655. Because the lone pair is not shared with any other atom it is pulled closer
  656. to the N atom than are the bond pairs. This results in the lone pair being
  657. more replusive than a bond pair, so the order of repulsion between types is
  658.  
  659. Lone pair - Lone pair > Lone pair - Bond pair > Bond pair - Bond pair
  660.  
  661. In ammonia the 4 pairs are again tetrahedrally distributed, with one of the
  662. corners of the tetrahedron occupied by the lone pair. This gives the molecule
  663. a pyramidal shape:
  664.                           "           
  665.                           |      Molecule of ammonia.
  666.                           N
  667.                          /|\
  668.                         H H H
  669.  
  670. The extra repulsion of the lone pair pushes the bonding pairs closer together
  671. and thus reduces the H-N-H bond angle from the expected 109 degrees for a
  672. regular tetrahedron, to ##### degrees. It is hard to draw 3D diagrams on this
  673. terminal - the three H's are not in the plane of the screen! The N forms the
  674. apex of a pyramid.
  675.  
  676. Water has four pairs of electrons around the central oxygen atom. These
  677. comprise two bond pairs and two lone pairs. Again the distribution of the pairs
  678. is roughly tetrahedral, but this time two of the corners of the tetrahedron
  679. are occupied by lone pairs. Because there are two lone pairs which provide
  680. extra repulsion, the H-O-H bond angle is reduced to #### degrees. The molecule
  681. is V-shaped:
  682.                        O
  683.                       / \
  684.                      H   H
  685.  
  686. Molecules with five bond pairs (and no lone pairs) usually adopt a trigonal
  687. bipyramid structure eg PCl5 (in the gas phase):
  688.  
  689.                             * Cl
  690.                              \|
  691.                               P-*
  692.                              /|
  693.                             * Cl
  694.  
  695. Three of the Cl atoms are in the same plane and form an equalateral triangle.
  696. These i have represented by a * instead of a Cl. The Cl-P-Cl bond angle (*-P-*)
  697. is 120 degrees. The other two chlorine atoms are arranged 180 degrees to each
  698. other and at 90 degrees to the plane of the triangle formed by the three Cl's
  699. marked *. Three different Cl-P-Cl bond angles are therefore present.
  700.  
  701.  
  702. Dalamar.
  703.  
  704. -------------------------------------------------------------------------
  705. To find out more about the anon service, send mail to help@anon.penet.fi.
  706. Due to the double-blind, any mail replies to this message will be anonymized,
  707. and an anonymous id will be allocated automatically. You have been warned.
  708. Please report any problems, inappropriate use etc. to admin@anon.penet.fi.
  709.  
  710. =============================================================================
  711.  
  712. Message-ID: <104313Z09071994@anon.penet.fi>
  713. Newsgroups: alt.drugs
  714. From: an58264@anon.penet.fi (Dalamar)
  715. Date: Sat,  9 Jul 1994 10:39:46 UTC
  716. Subject: CHEMISTRY: Bonding and Structure [missing bond angles]
  717.  
  718.  
  719. Whoops !
  720.  
  721. When i was writing the file i left the two bond angles for NH3 and H20 blank
  722. because i couldn't remember the exact figures. I meant to go and look them up
  723. but it must have slipped my mind. Anyway, here they are :
  724.  
  725.  
  726. NH3 = 106 degrees, 45 minutes
  727.  
  728. H20 = 104 degrees, 27 minutes
  729.  
  730.  
  731.  
  732. Dalamar.
  733.  
  734. -------------------------------------------------------------------------
  735. To find out more about the anon service, send mail to help@anon.penet.fi.
  736. Due to the double-blind, any mail replies to this message will be anonymized,
  737. and an anonymous id will be allocated automatically. You have been warned.
  738. Please report any problems, inappropriate use etc. to admin@anon.penet.fi.
  739.  
  740.  
  741.