A4.3 Dobbelt- og tripelbindinger

NoteDet skal du kunne
  • forklare forskellen på en σ-binding og en π-binding
  • beskrive bindingerne i ethen og ethyn med orbitaler
  • forklare, hvorfor en dobbeltbinding ikke kan drejes
  • forklare, hvorfor det er π-bindingen, der reagerer ved en addition
  • beskrive de delokaliserede elektroner i benzen

En dobbeltbinding tegnes som to ens streger. Men de to bindinger er ikke ens. Den ene er stærk og holder molekylet sammen. Den anden er svagere, ligger uden på molekylet og er den, der reagerer, når et alken affarver dibromvand. Forskellen kan kun forklares med orbitaler.

To slags overlap

Orbitaler kan overlappe på to måder.

Figur 1: En σ-binding og en π-binding.
  • I en σ-binding peger de to orbitaler mod hinanden. Overlappet ligger på linjen mellem de to atomkerner. Alle enkeltbindinger er σ-bindinger.
  • I en π-binding ligger to p-orbitaler side om side. De overlapper to steder: over og under linjen mellem kernerne. Bogstavet π er det græske pi.

Selv om en π-binding har to overlap, er den kun én binding med ét elektronpar.

Ethen: en σ-binding og en π-binding

I ethen, CH2=CH2, har hvert carbonatom tre naboer. Begge carbonatomer er derfor sp2-hybridiserede, som du så i afsnit A4.2.

Figur 2: Bindingerne i ethen.

De tre sp2-orbitaler på hvert carbonatom danner σ-bindinger: én til det andet carbonatom og to til hydrogenatomer. Fordi sp2-orbitalerne ligger i en plan med 120° imellem, ligger alle seks atomer i ethen i samme plan.

Hvert carbonatom har desuden én p-orbital med én elektron. De to p-orbitaler står vinkelret på planen, side om side, og overlapper til en π-binding.

En dobbeltbinding består altså af én σ-binding og én π-binding.

Ethyn: en σ-binding og to π-bindinger

I ethyn, HC≡CH, har hvert carbonatom to naboer og er sp-hybridiseret.

Figur 3: Bindingerne i ethyn.

De to sp-orbitaler på hvert carbonatom danner σ-bindinger til det andet carbonatom og til et hydrogenatom. De peger hver sin vej, så de fire atomer ligger på en ret linje.

Hvert carbonatom har to p-orbitaler tilbage. De danner to π-bindinger, som står vinkelret på hinanden.

Binding Består af Carbonatomernes hybridisering
enkeltbinding, C−C én σ-binding sp3
dobbeltbinding, C=C én σ-binding og én π-binding sp2
tripelbinding, C≡C én σ-binding og to π-bindinger sp

Kortere og stærkere

Jo flere elektronpar to carbonatomer deles om, jo tættere trækkes de sammen.

Figur 4: Længde og energi for de tre slags bindinger mellem carbonatomer.

Bindingens energi er den energi, der skal til for at bryde 1 mol af bindingen. En dobbeltbinding er stærkere end en enkeltbinding, men ikke dobbelt så stærk. π-bindingen bidrager med omkring 266 kJ/mol, forskellen mellem dobbeltbindingens 614 kJ/mol og enkeltbindingens 348 kJ/mol. Det er mindre end σ-bindingens 348 kJ/mol. Overlappet side om side er ikke så godt som overlappet, hvor orbitalerne peger mod hinanden.

Tallene er gennemsnit for mange stoffer.

Hvorfor en dobbeltbinding ikke kan drejes

Figur 5: En enkeltbinding kan drejes, men en dobbeltbinding kan ikke.

En σ-binding er rund omkring linjen mellem kernerne. Den ser ens ud, uanset hvordan den ene ende af molekylet drejes. Derfor kan molekyler dreje frit om enkeltbindinger.

En π-binding kræver, at de to p-orbitaler står parallelt. Drejes den ene ende, overlapper de ikke længere, og π-bindingen brydes. Det koster omkring 266 kJ/mol, og så meget energi er der ikke til rådighed ved stuetemperatur.

Det er forklaringen på cis-trans-isomeri fra afsnit B3.4. Cis-but-2-en kan ikke blive til trans-but-2-en ved at dreje, så de to er forskellige stoffer.

Hvorfor alkener adderer

π-bindingen er den svageste af de to bindinger i en dobbeltbinding, og dens elektroner ligger frit tilgængelige over og under molekylets plan. Derfor er det π-bindingen, der reagerer.

Ved en addition, som du så i afsnit A3.3, brydes π-bindingen, mens σ-bindingen bliver:

CH2=CH2 + Br2 → CH2Br−CH2Br

De to carbonatomer får hver en ny σ-binding til et bromatom. Før reaktionen havde hvert carbonatom tre naboer og var sp2-hybridiseret. Efter reaktionen har det fire naboer og er sp3-hybridiseret. Vinklerne ændres fra 120° til 109,5°.

Benzen: elektroner, der deles af hele ringen

I benzen, C6H6, har hvert carbonatom tre naboer og er sp2-hybridiseret. Hvert carbonatom har derfor én p-orbital med én elektron, vinkelret på ringen.

Figur 6: I benzen overlapper de seks p-orbitaler hele vejen rundt i ringen.

Hver p-orbital overlapper lige godt med naboen på begge sider. De seks elektroner danner derfor ikke tre adskilte π-bindinger. De deles af alle seks carbonatomer i én sammenhængende elektronsky over og under ringen. Sådanne elektroner kaldes delokaliserede.

Det forklarer to ting:

  • Alle seks bindinger i ringen er lige lange, 139 pm. Det er mellem en enkeltbinding på 154 pm og en dobbeltbinding på 134 pm.
  • Benzenringen er meget stabil. Den adderer ikke dibrom, sådan som et alken gør. Det brugte du i afsnit A3.4.

Elektroner kan også være delokaliserede i en kæde, hvor dobbeltbindinger og enkeltbindinger skifter. Det er de konjugerede dobbeltbindinger, som giver farvestoffer deres farve i afsnit B5.2.

NoteEksempel: tæl bindingerne i propensyre

Propensyre har formlen CH2=CH−COOH. Hvor mange σ-bindinger og π-bindinger er der i molekylet?

σ-bindinger

Hver enkeltbinding er en σ-binding, og hver dobbeltbinding indeholder én σ-binding.

Bindinger Antal σ-bindinger
C−H 3
C=C 1
C−C 1
C=O 1
C−O 1
O−H 1

Det giver 8 σ-bindinger.

π-bindinger

Hver dobbeltbinding indeholder én π-binding. Der er to dobbeltbindinger, C=C og C=O, så der er 2 π-bindinger.

Konklusion

Propensyre har 8 σ-bindinger og 2 π-bindinger. Alle tre carbonatomer har tre naboer og er sp2-hybridiserede.

VigtigtTil den skriftlige prøve
  • En dobbeltbinding er én σ-binding og én π-binding. En tripelbinding er én σ-binding og to π-bindinger.
  • Skal du begrunde cis-trans-isomeri, kan du skrive, at π-bindingen forhindrer, at molekylet drejer om dobbeltbindingen.
  • Skal du forklare, at benzenringen ikke reagerer som et alken, så brug ordet delokaliserede elektroner.
NoteKort sagt
  • I en σ-binding peger orbitalerne mod hinanden. I en π-binding ligger to p-orbitaler side om side.
  • En dobbeltbinding er én σ-binding og én π-binding. En tripelbinding er én σ-binding og to π-bindinger.
  • Jo flere bindinger mellem to carbonatomer, jo kortere og stærkere er bindingen.
  • En π-binding er svagere end en σ-binding og er den, der brydes ved en addition.
  • En dobbeltbinding kan ikke drejes, fordi π-bindingen så ville blive brudt. Det giver cis-trans-isomeri.
  • I benzen er seks elektroner delokaliserede over hele ringen.