Skoro właściwości elektronu (jego energię oraz obszar, w którym napotkanie go jest najbardziej prawdopodobne) w atomie określa jego orbital atomowy, właściwości elektronu w cząsteczce powinny również dać się opisać przy pomocy odpowiedniego orbitalu cząsteczkowego (molekularnego). Dokładne rozwiązanie równania Schrödingera nawet dla najprostszej cząsteczki nie jest możliwe, dlatego też posługujemy się metodami przybliżonymi. Jedną z nich jest teoria orbitali molekularnych. Punktem wyjścia dla utworzenia orbitalu molekularnego są orbitale atomów, które tworzą wiązanie. Dokładne określenie właściwości orbitalu molekularnego wymaga dokonania dość skomplikowanych obliczeń. Jakościowy opis wiązania sprowadza się, do przyjęcia, że tworząc wiązanie chemiczne dwa orbitale atomowe nakładają się , to znaczy istnieje taki wspólny obszar w przestrzeni, w którym prawdopodobieństwo napotkania elektronu dla każdego z tworzących wiązanie orbitali jest niezerowe. Jest to jeden z warunków, który w dodatku pozwala zrozumieć, dlaczego tworzenie się wiązania chemicznego wynika z nakładania się orbitali walencyjnych. W miarę zbliżania dwóch atomów, to właśnie leżące najbardziej „na zewnątrz” atomu orbitale walencyjne mają szanse na efektywne nakładanie się. Elektrony położone bliżej jądra, na orbitalach o niższej energii, nie uczestniczą w wiązaniu chemicznym pomiędzy dwoma atomami. Efektywne nakładanie się orbitali jest warunkiem koniecznym utworzenia się orbitalu molekularnego, czyli wiązania chemicznego. Nie jest to jednak jedyny warunek, który musi być spełniony, jeśli chcemy utworzyć orbital molekularny. Innymi warunkami są: podobne energie elektronów opisywanych przez nakładające się orbitale atomowe, a także symetria względem osi wiązania (osi łączącej oba jądra atomowe). Skutkiem nakładania się dwóch orbitali atomowych jest utworzenie orbitalu molekularnego (obszaru cząsteczki, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest większe od zera). Rozpatrując oddziaływanie dwóch orbitali atomowych, otrzymujemy zawsze parę orbitali molekularnych, z których jeden odpowiada energii niższej niż orbitale atomów tworzących wiązanie (nazywamy go orbitalem wiążącym, gdyż opisywane przez niego elektrony obniżają odpychanie się jąder atomowych), a drugi odpowiada energii wyższej niż orbitale atomów tworzących wiązanie (nazywamy go antywiążącym, gdyż energia elektronów, które mógłby opisywać podwyższa energię całego układu, a więc jest to efekt niekorzystny). W dalszej części zajmiemy się przede wszystkim orbitalami wiążącymi, na początek
(…)
…. Każdy z tych orbitali jest obsadzony przez dwa elektrony, co
odpowiada uproszczonemu opisowi wiązań w cząsteczce tlenu – powstają dwie wspólne pary elektronowe (wiązanie
podwójne).
W cząsteczce azotu nakładają się zarówno orbitale 2px (orbital molekularny typu σ), jak i orbitale typu 2py i 2pz (dwa
prostopadłe do siebie i prostopadłe do osi wiązania orbitale molekularne typu π). Jeśli każdy z tych trzech orbitali
molekularnych zostanie obsadzony przez 2 elektrony, to otrzymamy wiązanie potrójne – trzy wspólne pary elektronowe
atomów azotu.
W powyższych przykładach rozpatrzono tylko jednakowe orbitale. Nie było zatem problemu ze spełnieniem warunku
jednakowej symetrii nakładających się orbitali względem osi wiązania. Ponieważ jednak orbitale molekularne typu σ
mogą powstać zarówno z nakładania się orbitali typu s…
… z dwóch orbitali typu 1s orbital molekularny σ (Rysunek 4) jest
obsadzony przez dwa elektrony. Podobnie, opis na gruncie teorii orbitali molekularnych wiązania w cząsteczce fluoru
F2 (Rysunek 3) prowadzi do wniosku, że nakładanie się orbitali typu pz prowadzi do powstawania orbitalu
molekularnego typu σ (Rysunek 6) obsadzonego przez parę elektronową.
Jednak powyższe rozważania nie mogą wyjaśnić…
… wszystkich możliwych przypadków. Jeżeli elektrony walencyjne będą
obsadzały orbitale npy i npz, które są prostopadłe do płaszczyzny, w której leży oś wiązania (oś x), to powstające
orbitale molekularne nie będą miały symetrii osiowej, a największe prawdopodobieństwo znalezienia elektronów będzie
w obszarze nieco ponad i poniżej płaszczyzny, w której leży oś wiązania. Przypadek ten przedstawia Rysunek 7.
Rysunek 7…
… typu π tworzą się
wówczas, gdy dwa atomy tworzą ze sobą wiązania wielokrotnie. Jedno z tych wiązań jest wiązaniem typu σ, a
pozostałe – wiązaniami typu π. I tak na przykład w cząsteczce tlenu O2 (6 elektronów walencyjnych) mamy do
czynienia z utworzeniem się orbitalu molekularnego typu σ z nakładania się dwóch orbitali typu p x oraz orbitalu typu π
powstałego z nakładania się dwóch orbitali typu pz…
… orbitali jak w
cząsteczce F2, liczba elektronów obsadzających wynosi 14
azotu (2s22p3) oznacza, że w cząsteczce azotu elektrony
obsadzą w stanie podstawowym pięć orbitali o najniższych (tj. o 4 większa niż w cząsteczce azotu). Elektrony te będą
możliwych energiach. Ponieważ przez pary elektronów
obsadzały kolejne poziomy energetyczne, czyli orbitale
obsadzone będą zarówno orbital wiążący σ2s…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)