第17讲 配合物的分子轨道理论
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我们把原子通过共用电子对结合的化学键成为共价键(covalent bond)。
路易斯(G.N.Lewis)曾经提出原子共用电子对成键的概念,也就是俗称的“八隅律”(高中阶段也只是停留于此)然而,我们知道很多现实情况都无法用八隅率解释,包括:PCl5,SCl6分子。
更重要的是,八隅率从来没有本质上说明共价键的成因:为什么带负电荷的两个分子不会排斥反而是互相配对?随着近代的量子力学(quantum mechanics)的建立,近代形成了两种现代共价键理论,即是:现代价键理(valence bond theory)简称VB(又叫作电子配对法)以及分子轨道理论(molecular orbital theory)简称MO。
价键理论强调了电子对键和成键电子的离域,有了明确的键的概念。
也成功的给出了一些键的性质以及分子结构的直观图像。
但是在解释H2+氢分子离子的单电子键的存在以及氧分子等有顺磁性或者大∏键的某些分子结构时感到困难。
而分子轨道理论可以完美的进行解释,这里我就主要阐述MO法的相关理论。
洪特(Hund)和密里肯(R.S Mulliken)等人提出了新的化学键理论,即是分子轨道理论。
这是人们利用量子力学处理氢分子离子而发展起来的。
(一)氢分子离子的成键理论氢分子离子(H2+)是由两个核以及一个电子组成的最简单分子,虽然不稳定,但是确实存在。
如何从理论上说明氢分子离子的形成呢?分子轨道理论把氢分子离子作为一个整体处理,认为电子是在两个氢核a和b组成的势场当中运动。
电子运动的轨道既不局限在氢核a的周围,也不会局限于氢核b的周围,而是遍及氢核a和b。
这种遍及分子所有核的周围的电子轨道,成为“分子轨道”。
如何形成这样的分子轨道呢?我们必须通过波函数来描述原子当中的运动状态,而波函数是薛定谔方程的解。
因为得到精确的薛定谔方程的解很困难,因此我们才取了近似方法,假设分子轨道是各个原子轨道的组成。
仍然以氢分子离子为例:当这个单电子出现了一个氢原子核a附近时候,分子轨道Ψ很近似于一个院子轨道Ψa。
有机化学基础知识分子轨道理论简介有机化学是研究碳元素以及其化合物的科学,其原理和方法的核心是分子轨道理论。
分子轨道理论是描述和解释分子化学性质的基本原理,其通过研究分子中电子的能级分布和电子运动规律,揭示了分子结构、化学键形成和反应机理等方面的重要信息。
本文将对有机化学中的分子轨道理论进行简要介绍。
一、分子轨道的定义和特点分子轨道是描述分子中电子分布情况的数学函数。
通过将原子轨道进行线性组合,得到了分子轨道的概念。
分子轨道的形成是因为原子中的电子在形成分子时会重新排列,使得其波函数叠加形成新的电子状态。
分子轨道的特点如下:1. 分子轨道覆盖整个分子,而不是单个原子。
2. 分子轨道对应不同的能级,能量最低的为被称为基态分子轨道,其余为激发态分子轨道。
3. 分子轨道可以由两个或多个原子的原子轨道线性组合而成,其线性组合系数可用于描述相应原子轨道的贡献程度。
二、分子轨道理论的基本原理1. 分子轨道理论的基本假设分子轨道理论基于如下假设:- 原子核坐标固定不变,只考虑电子之间的相互作用。
- 分子中的电子是全体电子的平均势能下的粒子,相互之间的作用相同。
2. 分子轨道的形成和组成分子轨道的形成是通过对原子轨道的线性组合得到的。
对于两个原子的分子,分子轨道由两个原子轨道的线性组合形成,即σ轨道和π轨道。
σ轨道是沿着核心成键轴对称的,π轨道则是与核心成键轴垂直的轨道。
3. 轨道能级的填充规则按照泡利不相容原理,每个分子轨道最多容纳两个电子,这两个电子自旋方向相反。
根据轨道能级的次序填充电子,称为洪诺-傅克规则。
三、分子轨道理论在有机化学中的应用1. 分子轨道的能级和键长根据分子轨道理论,分子轨道的能级高低决定着分子的稳定性。
在反应中,电子容易占据能量较低的轨道,从而促进化学键的形成。
此外,分子轨道的能级还可以用来解释分子的键长和键能。
2. 共轭体系的稳定性通过在有机分子中引入共轭结构,可以产生具有稳定性的共轭体系。
分子轨道理论的基本概念分子轨道理论是描述分子内电子结构的理论框架,它是理解分子化学和化学反应的重要工具。
在分子轨道理论中,分子中的电子被认为存在于由原子核构成的分子轨道中,这些分子轨道是原子轨道的线性组合。
通过分子轨道理论,我们可以更好地理解分子的稳定性、反应性以及光谱性质。
本文将介绍分子轨道理论的基本概念,包括分子轨道的构成、分子轨道的类型以及分子轨道的能级顺序等内容。
1. 分子轨道的构成在分子轨道理论中,分子轨道是由原子轨道线性组合而成的。
原子轨道可以是原子的1s、2s、2p等轨道,它们在形成分子时会相互叠加、重叠并形成新的分子轨道。
分子轨道的构成可以通过线性组合原子轨道(Linear Combination of Atomic Orbitals,LCAO)方法来描述。
在LCAO方法中,原子轨道的波函数被线性组合,从而形成分子轨道的波函数。
通过适当的线性组合系数,可以得到不同类型的分子轨道,如σ轨道、π轨道等。
2. 分子轨道的类型根据分子轨道的对称性和能量特征,可以将分子轨道分为不同类型。
其中,σ轨道是沿着两原子核之间轴向的对称轨道,具有较高的电子密度;π轨道则是垂直于两原子核之间轴向的对称轨道,电子密度主要集中在两原子核之间的区域。
此外,还有δ轨道、φ轨道等其他类型的分子轨道,它们在不同的分子结构中扮演着重要的角色。
这些不同类型的分子轨道在分子的形成和反应中起着至关重要的作用。
3. 分子轨道的能级顺序分子轨道的能级顺序是指不同类型的分子轨道在能量上的排布顺序。
一般来说,σ轨道的能量较低,π轨道的能量次之,而δ轨道、φ轨道等能级较高。
这种能级顺序的排布对于分子的稳定性和反应性具有重要影响。
例如,在烯烃分子中,π轨道的能级较低,因此烯烃具有较高的反应活性;而在芳香烃中,芳香环中的π轨道形成了稳定的共轭体系,使得芳香烃具有较高的稳定性。
4. 分子轨道的叠加和排斥在分子轨道理论中,分子轨道之间存在叠加和排斥的相互作用。
分子轨道理分子轨道理论是化学中的一个重要概念,用于描述分子中原子之间的电子运动。
它在有机化学、无机化学和物理化学等领域中广泛应用。
分子轨道理论指出,原子在分子中的电子不再是属于单个原子的轨道,而是分布在整个分子中的一组分子轨道中。
分子轨道理论主要包括以下几个方面:1. 原子轨道的组合:分子中各个原子的原子轨道将组合成一个新的轨道,用于描述整个分子中的电子运动。
原子轨道的组合方式可以是线性组合,也可以是简单的加法和减法。
2. 分子轨道的分类:分子轨道可分为成键轨道、反键轨道和非成键轨道。
成键轨道是分子中电子密度最高的轨道,由原子轨道的积极相互作用形成。
反键轨道是分子中电子密度最低的轨道,由原子轨道的消极相互作用形成。
非成键轨道则是分子中既不属于成键轨道也不与反键轨道有关联的轨道。
3. 轨道能级:分子中的分子轨道能级与原子轨道能级不同,原子轨道能级具有离散性,而分子轨道能级连续分布。
能级的顺序分别是成键轨道最低、反键轨道最高、非成键轨道在中间。
4. 轨道重叠:分子中的原子轨道之间会发生重叠,这会影响分子中的电子结构。
重叠程度越高,分子的稳定性就越高。
例如化学键就是由两个原子轨道之间的较强重叠形成的。
5. 分子轨道的描述:分子轨道可以用波函数来描述。
波函数可以用于计算分子中的能量、电子密度、电荷分布等物理性质。
在实际应用中,通常使用量子化学计算方法来获得分子轨道的波函数和参数。
总的来说,分子轨道理论为我们了解分子中的电子结构和化学反应提供了基础和框架。
在有机合成和物质设计中,分子轨道理论被广泛应用于分子的构建、反应性和化学性质的预测等方面。