Учебник. Метод молекулярных орбиталей (ММО)



Метод молекулярных орбиталей (ММО)

Метод молекулярных орбиталей исходит из того, что каждую молекулярную орбиталь представляют в виде алгебраической суммы (линейной комбинации) атомных орбиталей. Например, в молекуле водорода в образовании МО могут участвовать только 1s атомные орбитали двух атомов водорода, которые дают две МО, представляющие собой сумму и разность атомных орбиталей 1s1 и 1s2 – МО± = C11s1 ± C21s2.

Поскольку ядра во взаимодействующих атомах водорода одинаковы, то и вклад атомных орбиталей будет одинаковым, что обеспечивается равенством коэффициентов, с которыми s-орбитали участвуют в линейной комбинации (C1 = C2 = C). Поскольку должно выполняться требование, что сумма квадратов коэффициентов при АО равна 1, то имеем 2C2 = 1, откуда C=± 1 2 . Опуская этот нормировочный множитель, запишем две молекулярные орбитали как сумму и разность АО атомов водорода: MO +  = 1s 1  + 1s 2        MO -  = 1s 1  - 1s 2

Электронная плотность этих двух состояний пропорциональна |MO±|2. Поскольку в молекуле водорода взаимодействие возможно только по оси молекулы, то каждая из MO± может быть переобозначена как σсв = 1s1 + 1s2 и σ* = 1s1 – 1s2 и названа соответственно связывающей (σсв) и разрыхляющей (σ*) молекулярными орбиталями (рис. 3.7).

Распределение электронной плотности в молекуле H2

Из рис. 3.7 видно, что электронная плотность посередине между ядрами для σсв значительна, а для σ* равна нулю. Отрицательно заряженное электронное облако, сконцентрированное в межъядерном пространстве, притягивает положительно заряженные ядра и соответствует связывающей молекулярной орбитали σсв. А МО с нулевой плотностью в межъядерном пространстве соответствует разрыхляющей орбитали σ*. Состояния σсв и σ* отвечают разным уровням энергии, причем молекулярная орбиталь σсв имеет более низкую энергию по сравнению с исходными АО двух невзаимодействующих атомов водорода 1s1 и 1s2 (рис. 3.8).

Энергетическая диаграмма атомных и молекулярных уровней водорода

Переход двух электронов на МО σсв способствует понижению энергии системы; этот энергетический выигрыш равен энергии связи между атомами в молекуле водорода H–H. Даже удаление одного электрона с МО (σсв)2 c образованием (σсв)1 в молекулярном ионе H 2 + оставляет эту систему более устойчивой, чем отдельно существующие атом H и ион H+.

Рис. 3.9 иллюстрирует изменение энергии МО σсв и σ* в зависимости от межатомного расстояния r12. При большом расстоянии r12 их энергия будет мало отличаться от энергий АО 1s1 и 1s2. При некотором r 12 0 энергия σсв достигнет минимума и будет соответствовать энергии связи Eсв молекулы H–H. При дальнейшем сближении ядер энергии σсв и σ* начинают повышаться, поскольку силы отталкивания начинают преобладать над силами притяжения. В молекуле ядра колеблются вблизи равновесного расстояния r 12 0 , соответствующего минимуму энергии Eсв.

Энергии МО в H2 в зависимости от межъядерного расстояния.

Приведенная на рис. 3.9 энергетическая диаграмма МО справедлива для двухъядерных образований H 2 + H2, HHe, He 2 + . Распределение валентных электронов по МО записывают электронными формулами: H 2 + св )' H 2 св ) 2 HHe(σ св ) 2 (σ*)',  He 2 + св ) 2 (σ*)'.

Заселение электронами связывающей МО σсв стабилизирует систему, а заселение разрыхляющих – дестабилизирует ее (табл. 3.1).

Молекулярные параметры Молекулы и молекулярные ионы
МО H 2 + H2 He 2 + He2
σ*        
σсв        
Eсв, кДжċмоль–1 256 435 230 0
Длина связи, r 0, нм 0,106 0,075 0,108
Порядок связи 0,5 1 0,5 0
Энергия, длина и порядок связи в молекулах элементов 1 периода

Согласно методу МО порядок (кратность) связи n определяется полуразностью числа связывающих Nсв и разрыхляющих Nраз электронов: n= N св - N раз 2

При нулевой кратности связи, как в случае He2, молекула не образуется.

Сигма- и пи-связи




 

© Физикон, 1999-2015