Orbitals fas
När man konstruerar molekylära orbitals skapar fasen för de två orbitals som möts bindnings- och anti-bindningsorbitals.
Lärandemål
Beskriv hur atomära orbitals kombineras för att bilda molekylära orbitals.
Nyckelresultat
Nyckelpunkter
- Elektronen, som är en kvantpartikel, kan inte ha en distinkt plats; men elektronens orbital kan definieras som det område av rymden runt kärnan där den matematiska sannolikhetströskeln för att hitta elektronen överstiger ett godtyckligt värde, till exempel 90 % eller 99 %.
- Orbitaler är helt enkelt matematiska funktioner som beskriver särskilda stående vågmönster som kan plottas på en graf men som inte har någon fysisk verklighet.
- Två atomära orbitaler kan överlappa varandra på två sätt beroende på deras fasförhållande. En orbitals fas är en direkt följd av elektronernas vågliknande egenskaper.
Nyckelbegrepp
- molekylära orbital: Det kvantmekaniska beteendet hos en elektron i en molekyl som beskriver sannolikheten för att elektronen intar en viss position och energi, vilket approximeras av en linjär kombination av atomorbitaler.
- fas: En punkt eller del i en återkommande serie av förändringar, som i rörelseförändringar hos en av de partiklar som utgör en våg eller vibration; en del av en serie av sådana förändringar, till skillnad från en kontrasterande del, som den del som finns på den ena sidan av ett jämviktsläge, i kontrast till den del som finns på den motsatta sidan.
Definition av elektronbanor
Elektronen är en kvantpartikel och kan inte ha en distinkt plats, men elektronens banområde kan definieras som den region av rymden runt kärnan där sannolikheten att hitta elektronen överstiger ett godtyckligt tröskelvärde, till exempel 90 % eller 99 %.
På grund av materiens vågliknande karaktär motsvarar orbitalet ett stående vågmönster i tredimensionell rymd som vi ofta kan representera tydligare i ett tvärsnitt i två dimensioner. Den kvantitet som varierar (”vågar”) är ett tal som betecknas med ψ (psi), vars värde varierar från punkt till punkt i enlighet med vågfunktionen för den aktuella orbitalbanan.
Orbitalbanor av alla typer är helt enkelt matematiska funktioner som beskriver särskilda stående vågmönster som kan plottas ut på en graf men som inte har någon egen fysisk verklighet. På grund av deras vågliknande karaktär kan två eller flera orbitaler (dvs, två eller flera funktioner ψ) kan kombineras både i fas och utanför fas för att ge ett par resulterande orbitaler som, för att vara användbara, måste ha kvadrater som beskriver faktiska elektronfördelningar i atomen eller molekylen.
Molekylära orbitaler och deras faser
När man kombinerar orbitaler för att beskriva ett bindningsinteragerande samspel mellan två arter, dikterar symmetrikraven för systemet att de två utgångsorbitaler måste ge två nya orbitaler. Den ena orbitalen, som baseras på en blandning av orbitalerna i fas, kommer att ha lägre energi och benämnas bindning. En annan orbital, baserad på orbitalernas blandning utanför fas, kommer att ha högre energi och kallas anti-bindning.
Molekylära orbitaler för väte: Punkterna representerar elektroner. Kombinationen i fas av s-orbitalerna från de två väteatomerna ger en bindningsorbital som är fylld, medan kombinationen utanför fas ger en antibindningsorbital som förblir ofylld.
Orbitaler som överlappar varandra
Två atomära orbitaler kan överlappa varandra på två sätt beroende på deras fasförhållande. En orbitals fasförhållande är en direkt följd av elektronernas vågliknande egenskaper. I grafiska framställningar av orbitaler visas orbitalfasen antingen med ett plus- eller minustecken (som inte har något samband med elektrisk laddning) eller genom att skugga en lobe. Tecknet på själva fasen har ingen fysisk betydelse utom när man blandar orbitaler för att bilda molekylära orbitaler.
Konstruktivt överlapp
Två orbitaler med samma tecken har ett konstruktivt överlapp som bildar en molekylär orbital där huvuddelen av elektrontätheten är belägen mellan de två atomkärnorna. Denna molekylära orbital kallas bindningsorbital och dess energi är lägre än de ursprungliga atomorbitalernas. En bindning med molekylära orbitaler som är symmetriska med avseende på rotation runt bindningsaxeln kallas en sigma-bindning (σ-bindning). Om fasen ändras blir bindningen en pi-bindning (π-bindning). Symmetribeteckningar definieras vidare av om orbitalen behåller sin ursprungliga karaktär efter en inversion kring sitt centrum; om den gör det definieras den gerade (g), tyska för ”rak”. Om orbitalet inte behåller sin ursprungliga karaktär är det ungerade (u), tyska för ”udda”.”
Destruktivt överlapp
Atomorbitaler kan också interagera med varandra utanför fas, vilket leder till destruktiv annullering och ingen elektrontäthet mellan de två atomkärnorna vid det så kallade nodalplanet som avbildas som en vinkelrät streckad linje. I denna antibindande molekylära orbital med mycket högre energi än de ursprungliga atomorbitalerna är alla närvarande elektroner placerade i lober som pekar bort från den centrala interkärniga axeln. För en motsvarande σ-bindande orbital skulle en sådan orbital vara symmetrisk men skiljas från den med en asterisk, som i σ*. För en π-bindning skulle motsvarande bindande och antibindande orbitaler inte ha en sådan symmetri runt bindningsaxeln och skulle betecknas π respektive π*.
Två p-orbitaler som bildar en π-bindning: Om två parallella p-orbitaler upplever sidoöverlappning på intilliggande atomer i en molekyl kan en dubbel- eller trippelbindning utvecklas. Även om π-bindningen inte är lika stark som den ursprungliga σ-bindningen, läggs dess styrka till den befintliga enkelbindningen.
P-orbitalöverlappning är mindre än frontalöverlappning mellan två s-orbitaler i en σ-bindning på grund av orbitalorienteringen. Detta gör π-bindningen till en svagare bindning än den ursprungliga σ-bindningen som förbinder två närliggande atomer; men det faktum att dess styrka läggs till den underliggande σ-bindningen gör att den totala bindningen blir starkare. Elektroner i π-bindningar kallas ofta π-elektroner. De begränsar rotationsfriheten kring dubbelbindningen eftersom en parallell orientering av p-orbitalerna måste bevaras för att bibehålla dubbel- eller trippelbindningen.