Przeczytaj
Opis zachowania elektronów w cząsteczkach wymaga uwzględnienia faktu, że elektrony znajdują się w polu działania więcej niż jednego jądra atomowego. Aby opisać stan elektronów w cząsteczce, należy posłużyć się pojęciem orbitalu molekularnego. Tworzenie orbitali cząsteczkowych, zgodnie z teorią orbitali molekularnych, polega na przedstawianiu ich w postaci liniowej kombinacji orbitaliorbitali atomowych.
Orbitale atomowe poddane liniowej kombinacji muszą:
mieć porównywalną energię;
wykazywać jednakową symetrię w stosunku do osi łączącej jądra atomów;
przenikać się w wystarczającym stopniu.
Podział orbitali molekularnych
Orbital cząsteczkowe (molekularne, MO) dzielą się głównie na zlokalizowane i zdelokalizowane. Dodatkowo, można wyróżnić dwa inne podziały.
ze względu na symetrię | ze względu na energię |
---|---|
|
|
Sposoby tworzenia orbitali molekularnych typu i (wiążących)
Orbital molekularny i orbital molekularny to podstawowe typy orbitali molekularnych. Orbital powstaje jako wynik liniowej kombinacji orbitali atomowych, takich jak i , i oraz i , a orbital powstaje z orbitali i , i . W rozważaniach przyjęto, że osią łączącą jądra atomów jest oś . Kierunkowość oraz symetria orbitali molekularnych są konsekwencją kierunkowości i symetrii orbitali atomowych.
Dwa orbitale atomowe różnych atomów tworzą zawsze dwa orbitale cząsteczkowe danego typu ( lub ): wiążącywiążący i antywiążącyantywiążący, które różnią się energią. Orbital wiążący to wynik sumowania orbitali atomowych, ma on niższą energię niż orbital antywiążący (oznaczany gwiazdką), będący wynikiem ich odejmowania. Orbital antywiążący ma wyższą energię w stosunku do energii wyjściowych orbitali atomowych. Obsadzanie orbitalu wiążącego elektronami jest dla układu energetycznie korzystne. Istnieją również niewiążące orbitale molekularne, których energia jest w przybliżeniu równa (lub równa) energii wyjściowych orbitali atomowych.
Diagram poziomów orbitalnych
Kolejność zapełniania orbitali molekularnych można uszeregować według wzrastającej energii:
Pamiętaj! Rysując diagram tworzenia orbitali cząsteczkowych, wystarczy brać pod uwagę walencyjne orbitale atomowe.
Cząsteczki homoatomowe
1. Liczba atomowa
Poniżej przedstawiono schemat diagramu energetycznego dla cząsteczki typu . Założono, że to atom pierwiastka o liczbie atomowej , oraz że oś łącząca jądra atomów, czyli oś wiązania, to oś .
Diagram poziomów energetycznych orbitali w cząsteczce
2. Liczba atomowa
Poniżej przedstawiono schemat diagramu energetycznego dla cząsteczki typu Założono, że to atom pierwiastka o liczbie atomowej , oraz że oś łącząca jądra atomów, czyli oś wiązania, to oś .
Cząsteczki heteroatomowe
W przypadku cząsteczki heteroatomowej, np. , orbitale walencyjne atomu o większej elektroujemności leżą niżej na diagramie w stosunku do pozycji orbitali walencyjnych atomu mniej elektroujemnego.
Diagram poziomów energetycznych w cząsteczce .
Pozycja orbitali atomowych wodoru i orbitali litu jest inna. Orbital walencyjny atomu wodoru leży niżej na diagramie w stosunku do pozycji orbitali walencyjnych atomu litu. Wynika to z faktu, że wodór posiada wyższą elektroujemność niż lit.
Rząd wiązania
Na podstawie diagramu energetycznego cząsteczki można określić tzw. rząd wiązania. Z definicji jest to połowa różnicy między liczbą elektronów obsadzających orbitale wiążące a liczbą elektronów obsadzających orbitale antywiążące, co można zapisać w postaci wzoru:
gdzie:
– rząd wiązania;
– liczba elektronów na orbitalu wiążącym;
– liczba elektronów na orbitalu antywiążącym.
Rząd wiązania, przyjmujący wartości całkowite, określa krotność wiązania. Im wyższy rząd wiązania, tym większa trwałość wiązania. Jeżeli rząd wiązania wynosi zero, oznacza to, że cząsteczka nie istnieje (brak stabilności energetycznej).
Poniżej przedstawiono budowę cząsteczki tlenku węgla() uwzględniając teorię orbitali molekularnych. Jak wynika z poniższego diagramu energetycznego orbitali, na orbitalu wiążącym znajduje się elektronów, a na orbitalu antywiążącym znajdują się elektrony. Stąd rząd wiązania wynosi:
Słownik
(łac. orbita „koleina”, „droga”) funkcja falowa, opisująca stan jednego lub dwóch elektronów, zależna od współrzędnych w układzie kartezjańskim lub sferycznym, określająca gęstość prawdopodobieństwa napotkania elektronu w danym punkcie przestrzeni, która jest proporcjonalna do kwadratu funkcji falowej
orbital molekularny, którego energia jest mniejsza od energii każdego z orbitali atomowych oraz orbitalu antywiążącego; powstaje w wyniku sumowania orbitali atomowych
orbital molekularny (oznaczany gwiazdką), którego energia jest wyższa w stosunku do energii wyjściowych orbitali atomowych; powstaje jako wynik odejmowania orbitali atomowych
orbital symetryczny (nie zmieniający kształtu ani znaku) względem odbicia w płaszczyźnie przechodzącej przez oś wiązania
orbital antysymetryczny (zmieniający znak) względem odbicia w płaszczyźnie przechodzącej przez oś wiązania
mogą występować w cząsteczce wieloelektronowej; są to orbitale elektronów nie biorących udziału w tworzeniu wiązania, które w cząsteczce w znacznym stopniu zachowują postać, jaką miały w izolowanych atomach
Bibliografia
Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Chemia. Repetytorium. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.