Az orbitálisok fázisa
A molekuláris orbitálisok kialakításakor a két orbitális találkozásának fázisa kötési és antikötési orbitálisokat hoz létre.
Tanulási célok
Írd le, hogyan egyesülnek az atomi orbitálisok molekuláris orbitálisokká.
Főbb tanulságok
Főbb pontok
- Az elektron, mint kvantumrészecske, nem rendelkezhet határozott helyzettel; de az elektron pályája meghatározható az atommag körüli tér azon tartományaként, amelyben az elektron megtalálásának matematikai valószínűségi küszöbe meghalad valamilyen tetszőleges értéket, például 90% vagy 99%.
- Az orbitálok egyszerűen matematikai függvények, amelyek bizonyos állóhullám-mintázatokat írnak le, amelyek grafikonon ábrázolhatók, de nincs fizikai valóságuk.
- Két atomi orbitál kétféleképpen átfedheti egymást, fáziskapcsolatuktól függően. Egy orbitál fázisa az elektronok hullámszerű tulajdonságainak közvetlen következménye.
Kulcsfogalmak
- Molekuláris orbitál: Egy elektron kvantummechanikai viselkedése egy molekulában, amely leírja annak valószínűségét, hogy az elektron egy adott pozíciót és energiát foglal el, és amelyet az atomi pályák lineáris kombinációjával közelítünk.
- fázis: A változások ismétlődő sorozatának bármely pontja vagy része, mint a hullámot vagy rezgést alkotó részecskék mozgásának változásaiban; az ilyen változások sorozatának egy része, megkülönböztetve az ellentétes részektől, mint az egyensúlyi helyzet egyik oldalán lévő rész, szemben az ellentétes oldalon lévővel.
Az elektron pályájának meghatározása
Az elektron kvantumrészecske, és nem rendelkezhet határozott helyzettel, de az elektron pályája definiálható, mint az atommag körüli tér azon tartománya, amelyben az elektron megtalálásának valószínűsége meghalad valamilyen tetszőleges küszöbértéket, például 90%-ot vagy 99%-ot.
Az anyag hullámszerű jellege miatt a pálya egy állóhullám-mintázatnak felel meg a 3 dimenziós térben, amit gyakran 2 dimenziós keresztmetszetben jobban tudunk ábrázolni. A változó (“hullámzó”) mennyiség egy ψ-vel (psi) jelölt szám, amelynek értéke pontról pontra változik az adott orbitálisra vonatkozó hullámfüggvénynek megfelelően.
A mindenféle orbitálisok egyszerűen matematikai függvények, amelyek bizonyos állóhullám-mintázatokat írnak le, amelyeket grafikonra lehet rajzolni, de nincs saját fizikai valóságuk. Hullámjellegük miatt két vagy több orbitál (pl, két vagy több ψ függvény) fázisban és fázison kívül is kombinálhatók, hogy egy pár eredő orbitált kapjunk, amelyeknek ahhoz, hogy hasznosak legyenek, olyan négyzetekkel kell rendelkezniük, amelyek az atomban vagy molekulában lévő tényleges elektroneloszlásokat írják le.
Molekuláris orbitálok és fázisaik
Ha két faj közötti kötési kölcsönhatás leírására kombináljuk az orbitálokat, a rendszer szimmetria követelményei azt diktálják, hogy a két kiindulási orbitálnak két új orbitált kell alkotnia. Az egyik orbitál, amely a pályák fázison belüli keveredésén alapul, alacsonyabb energiájú lesz, és kötésnek nevezzük. A másik orbitál, amely a pályák fázison kívüli keveredésén alapul, magasabb energiájú lesz, és antikötésnek nevezzük.
Hidrogén molekuláris pályák: A pontok itt elektronokat jelölnek. A két hidrogénatom s-orbitáljainak fázison belüli kombinációja egy kötési orbitált ad, amely kitöltött, míg a fázison kívüli kombináció egy antikötési orbitált ad, amely kitöltetlen marad.
Az átfedésben lévő orbitálok
Két atomi orbitál a fázisviszonyuktól függően kétféleképpen fedheti egymást. Egy orbitál fázisa az elektronok hullámszerű tulajdonságainak közvetlen következménye. Az orbitálok grafikus ábrázolásain a pályafázist vagy plusz vagy mínusz jellel (amelyeknek nincs kapcsolatuk az elektromos töltéssel), vagy az egyik nyaláb árnyékolásával ábrázolják. Magának a fázis előjelének nincs fizikai jelentősége, kivéve, ha a molekuláris orbitálok kialakításához a pályák keverednek.
Konstruktív átfedés
Két azonos előjelű pálya konstruktív átfedéssel alkot egy molekuláris orbitált, ahol az elektronsűrűség nagy része a két atommag között helyezkedik el. Ezt a molekuláris orbitált kötési orbitálnak nevezzük, és energiája alacsonyabb, mint az eredeti atomi orbitáloké. A kötés tengelye körüli elfordulásra szimmetrikus molekuláris orbitálokat tartalmazó kötést szigma-kötésnek (σ-kötés) nevezzük. Ha a fázis megváltozik, a kötés pi-kötéssé (π-kötés) válik. A szimmetriacímkéket az határozza meg továbbá, hogy a középpontja körüli megfordítás után az orbitális megtartja-e eredeti jellegét; ha igen, akkor azt gerade (g), németül “egyenes” jelöli. Ha az orbitál nem őrzi meg eredeti jellegét, akkor ungerade (u), németül “páratlan”.”
Roncsoló átfedés
Az atomi orbitálok egymással fázison kívül is kölcsönhatásba léphetnek, ami ahhoz vezet, hogy a két atommag között a merőleges szaggatott vonalként ábrázolt úgynevezett csomóponti síkban romboló kioltás és elektron-sűrűség hiánya lép fel. Ebben a kötésellenes molekuláris orbitálban, amelynek energiája jóval nagyobb, mint az eredeti atomi orbitáloké, az esetlegesen jelenlévő elektronok a központi belső magtengelytől távolodó lebenyekben helyezkednek el. Egy megfelelő σ-kötéses orbitál esetében egy ilyen orbitál szimmetrikus lenne, de attól csillaggal megkülönböztetve, mint a σ* esetében. Egy π-kötés esetében a megfelelő kötés- és antikötési orbitálok nem rendelkeznének ilyen szimmetriával a kötés tengelye körül, és a π és π* jelölést kapnák.
Két p-orbitál π-kötést alkot: Ha egy molekulában két párhuzamos p-orbitál oldalirányú átfedést tapasztal a szomszédos atomokon, akkor kettős vagy hármas kötés alakulhat ki. Bár a π-kötés nem olyan erős, mint az eredeti σ-kötés, erőssége hozzáadódik a meglévő egyszerű kötéshez.
P-orbitális átfedés a σ-kötés két s-orbitálisa közötti fej-fej átfedésnél kisebb az orbitálisok orientációja miatt. Ezáltal a π-kötés gyengébb kötéssé válik, mint a két szomszédos atomot összekötő eredeti σ-kötés; azonban az a tény, hogy az erőssége hozzáadódik a mögöttes σ-kötéshez, összességében erősebb kötést eredményez. A π-kötésekben lévő elektronokat gyakran π-elektronoknak nevezik. Korlátozzák a kettős kötés körüli forgási szabadságot, mert a p-orbitálisok párhuzamos orientációját meg kell őrizni a kettős vagy hármas kötés fenntartásához.