Faza orbitali
Przy konstruowaniu orbitali molekularnych, faza dwóch orbitali schodzących się razem tworzy orbitale wiążące i anty-wiążące.
Cele nauczania
Opisać jak orbitale atomowe łączą się tworząc orbitale molekularne.
Key Takeaways
Key Points
- Elektron, będąc cząstką kwantową, nie może mieć wyraźnej lokalizacji; ale orbital elektronu może być zdefiniowany jako region przestrzeni wokół jądra, w którym matematyczny próg prawdopodobieństwa znalezienia elektronu przekracza jakąś arbitralną wartość, taką jak 90% lub 99%.
- Orbitale są po prostu funkcje matematyczne, które opisują szczególne stojące-falowe wzory, które mogą być wykreślone na wykresie, ale nie mają fizycznej reality.
- Dwa orbitale atomowe mogą nakładać się na dwa sposoby w zależności od ich relacji fazowej. Faza orbitalu jest bezpośrednią konsekwencją falowych właściwości elektronów.
Key Terms
- orbital molekularny: Kwantowo-mechaniczne zachowanie elektronu w cząsteczce opisujące prawdopodobieństwo zajęcia przez elektron określonego położenia i energii, które jest aproksymowane przez liniową kombinację orbitali atomowych.
- faza: Any one point or portion in a recurring series of changes, as in the changes of motion of one of the particles constituting a wave or vibration; one portion of a series of such changes, in distinction from a contrasted portion, as the portion on one side of a position of equilibrium, in contrast with that on the opposite side.
Definiowanie orbitali elektronowych
Elektron jest cząstką kwantową i nie może mieć wyraźnej lokalizacji, ale orbital elektronu może być zdefiniowany jako region przestrzeni wokół jądra, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu przekracza jakąś arbitralną wartość progową, taką jak 90% lub 99%.
Z powodu falowego charakteru materii, orbital odpowiada wzorcowi fali stojącej w przestrzeni trójwymiarowej, który często możemy wyraźniej przedstawić w dwuwymiarowym przekroju poprzecznym. Wielkość, która się zmienia („faluje”) jest liczbą oznaczaną przez ψ (psi), której wartość zmienia się od punktu do punktu zgodnie z funkcją falową dla tego konkretnego orbitalu.
Orbitale wszystkich typów są po prostu funkcjami matematycznymi, które opisują szczególne wzory stojąco-falowe, które mogą być wykreślone na wykresie, ale nie mają własnej rzeczywistości fizycznej. Ze względu na ich falową naturę, dwa lub więcej orbitali (tj, dwie lub więcej funkcji ψ) mogą być łączone zarówno w fazie, jak i poza fazą, aby otrzymać parę wynikowych orbitali, które, aby być użyteczne, muszą mieć kwadraty, które opisują rzeczywiste rozmieszczenie elektronów w atomie lub molekule.
Orbitale molekularne i ich fazy
Gdy łączymy orbitale, aby opisać oddziaływanie wiązania pomiędzy dwoma gatunkami, wymagania symetrii dla systemu dyktują, że dwa początkowe orbitale muszą stworzyć dwa nowe orbitale. Jeden orbital, oparty na in-fazowym mieszaniu orbitali, będzie miał niższą energię i będzie określany jako wiążący. Inny orbital, oparty na niefazowym mieszaniu orbitali, będzie miał wyższą energię i będzie określany jako anty-wiązanie.
Orbitale molekularne wodoru: Kropki reprezentują tu elektrony. In-fazowe połączenie orbitali s z dwóch atomów wodoru daje orbital wiążący, który jest wypełniony, podczas gdy nie-fazowe połączenie daje orbital anty-wiążący, który pozostaje niewypełniony.
Orbitale, które się pokrywają
Dwa orbitale atomowe mogą się pokrywać na dwa sposoby w zależności od ich relacji fazowej. Faza orbitalu jest bezpośrednią konsekwencją falowych właściwości elektronów. W graficznych reprezentacjach orbitali, faza orbitalna jest przedstawiona albo przez znak plusa lub minusa (które nie mają związku z ładunkiem elektrycznym) albo przez zaciemnienie jednego płata. Sam znak fazy nie ma fizycznego znaczenia, z wyjątkiem mieszania orbitali w celu utworzenia orbitali molekularnych.
Konstruktywne nakładanie się
Dwa orbitale o tym samym znaku mają konstruktywne nakładanie się tworząc orbitale molekularne z większością gęstości elektronowej znajdującej się pomiędzy dwoma jądrami. Ten molekularny orbital jest nazywany orbitalem wiążącym i jego energia jest niższa niż energia oryginalnych orbitali atomowych. Wiązanie z udziałem orbitali molekularnych, które są symetryczne względem rotacji wokół osi wiązania nazywamy wiązaniem sigma (wiązanie σ). W przypadku zmiany fazy, wiązanie staje się wiązaniem pi (π-bond). Etykiety symetrii są dalej definiowane przez to, czy orbital zachowuje swój pierwotny charakter po odwróceniu wokół jego środka; jeśli tak, to jest on określany jako gerade (g), co oznacza „prosty”. Jeśli orbital nie zachowuje swojego pierwotnego charakteru, jest ungerade (u), niemiecki dla „nieparzysty.”
Destrukcyjne nakładanie się
Orbitale atomowe mogą również oddziaływać ze sobą poza fazą, co prowadzi do destrukcyjnego anulowania i brak gęstości elektronów między dwoma jądrami w tzw. płaszczyźnie węzłowej przedstawionej jako prostopadła przerywana linia. W tym anty-wi±zaniowym orbitalu molekularnym o energii znacznie wyższej niż oryginalne orbitale atomowe, wszelkie obecne elektrony znajduj± się w płatach skierowanych od centralnej osi j±drowej. Dla odpowiadaj±cego orbitalu wi±zania σ, taki orbital byłby symetryczny, ale odróżniony od niego gwiazdk±, jak w σ*. W przypadku wiązania π, odpowiadające mu orbitale wiążące i antyzwiązkowe nie miałyby takiej symetrii wokół osi wiązania i byłyby oznaczone odpowiednio jako π i π*.
Dwa p-orbitale tworzące wiązanie π: Jeżeli dwa równoległe p-orbitale zachodzą na siebie z boku na sąsiednich atomach w cząsteczce, to może powstać wiązanie podwójne lub potrójne. Chociaż wiązanie π nie jest tak silne jak pierwotne wiązanie σ, jego siła jest dodana do istniejącego pojedynczego wiązania.
P-orbitalne nakładanie się jest mniejsze niż nakładanie się czołowe pomiędzy dwoma orbitalami s w wiązaniu σ z powodu orientacji orbitali. To sprawia, że wiązanie π jest słabszym wiązaniem niż pierwotne wiązanie σ, które łączy dwa sąsiednie atomy; jednak fakt, że jego siła jest dodawana do podstawowego wiązania σ, sprawia, że ogólne powiązanie jest silniejsze. Elektrony w wiązaniach π są często określane jako elektrony π-. Ograniczają one swobodę rotacji wokół wiązania podwójnego, ponieważ równoległa orientacja p-orbitali musi być zachowana, aby utrzymać wiązanie podwójne lub potrójne.