第7章 Huckel分子轨道理论
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休克尔轨道法的分子图一、化学家休克尔E.Erich Armand Arthur Josephckel (1896~)联邦德国物理化学家。
1896年8月9日生于柏林夏洛腾堡。
1914年入格丁根大学攻读物理。
曾中断学习,在格丁根大学应用力学研究所研究空气动力学。
1918年重新攻读数学和物理,1921年在P.德拜的指导下获博士学位。
他在格丁根大学工作两年,曾任物理学家M.玻恩的助手。
1922年在苏黎世工业大学再度与德拜合作,任讲师。
1930年在斯图加特工业大学任教。
1937年任马尔堡大学理论物理学教授。
休克尔主要从事结构化学和电化学方面的研究。
他1923年和德拜一起提出强电解质溶液理论,推导出强电解质当量电导的数学表达式。
1931年提出了一种分子轨道的近似计算法即休克尔分子轨道法(HMO 法),主要用于π电子体系。
他在30年代还对芳香烃的电子特性在理论上作出了解释,并总结出:环状共轭多烯化合物中π电子数符合4n+2(n为1,2或3)者,具有芳香性。
二、休克尔分子轨道法(HMO法)的来源分子轨道理论在处理分子时,并不引进明显的价键结构的概念。
它强调分子的整体性,认为分子中的原子是按一定的空间配置排列起来的,然后电子逐个加到由原子实和其余电子组成的“有效”势场中,构成了分子。
并将分子中单个电子的状态函数称为分子轨道,用波函数ψ(x,y,z)来描述。
每个分子轨道ψi都有一个确定的能值Ei 与之相对应,Ei近似地等于处在这轨道上的电子的电离能的负值,当有一个电子进占ψi 分子轨道时,分子就获得Ei的能量。
分子轨道是按能量高低依次排列的。
参与组合的原子轨道上的电子则将按能量最低原理、鲍里不相容原理和洪特规则进占分子轨道。
根据电子在分子轨道上的分布情况,可以计算分子的总能量。
π键实际上是持有电子的围绕参与组合的原子实的π分子轨道。
1931年,休克尔提出了一种计算π分子轨道及其能值的简单方法,称为休克尔分子轨道法(即HMO 法)。
分子轨道理论的发展及其应用0 前言化学键是化学学科领域中最为重要的概念之一。
通常,化学键被定义为存在于分子或晶体中或两个或多个原子间的,导致形成相对稳定的分子或晶体的强相互作用。
从二十世纪初期至今,科学家们为了解释化学键现象相继提出了价键理论、分子轨道理论、配位场理论等化学键理论。
其中分子轨道理论(Molecular Orbital Theory)具有容易计算、计算结果得到实验支持的优势,并不断得到完善与拓展,因而自二十世纪五十年代以来,已经逐渐确立了其主导地位。
目前,作为相对最为成熟的化学键理论,分子轨道理论的应用已经涵盖了化学研究的几乎全部领域中。
1 分子轨道理论发展1926至1932年,Mulliken和Hund分别对分子中的电子状态进行分类,得出选择分子中电子量子数的规律,提出了分子轨道理论-。
分子轨道理论认为,电子是在整个分子中运动,而不是定域化的。
他们还提出了能级相关图和成键、反键轨道等重要概念。
1929年,Lennard-Jones提出原子轨道线性组合(Linear Combination of Atomic Orbitals)的理论。
后来,原子轨道线性组合的思想被应用于分子轨道理论中,成为分子轨道理论的基本原理。
这一原理指出,原子轨道波函数通过线性组合,即各乘以某一系数相加得到分子轨道波函数。
这种组合要遵循三个基本原则,即:组合成分子轨道的原子轨道必须对称性匹配;组成分子轨道的原子轨道须能级相近;原子轨道达到最大程度重叠以降低组成分子轨道的能量。
其中,最重要的是对称性匹配原则,对称性相同的原子轨道组合成能量低于自身的成键分子轨道,对称性相反的原子轨道组合成高于自身的反键分子轨道。
1931-1933年,Huckel提出了一种计算简便的分子轨道理论(HMO),是分子轨道理论的重大进展。
HMO理论的基本思想是,把两电子间的相互作用近似地当做单电子的平均位场模型处理,导出单电子运动方程:Hψ=Eψ 其中H是该电子的Hamilton算符,ψ是该电子所占据的分子轨道波函数,E为轨道能量。