МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

Предпосылки возникновения метода

Хронологически метод молекулярных орбиталей появился позже метода валентных связей, поскольку оставались в теории ковалентной связи вопросы, которые не могли получить объяснение методом валентных связей. Рассмотрим некоторые из них.

Основное положение метода валентных связей состоит в том, что связь между атомами осуществляется за счет электронных пар (связующих двух-электронных облаков). Но это не всегда так. В ряде случаев в образовании химической связи участвуют отдельные электроны. Так, в молекулярном ионе Н 2+ одноэлектронная связь. Метод валентных связей образование одноэлектронной связи объяснить не может, она противоречит его основному положению.

Метод валентных связей не объясняет также роли неспаренных электронов в молекуле. Молекулы, имеющие неспаренные электроны, парамагнитны, т.е. втягиваются в магнитное поле, так как неспаренный электрон создает постоянный магнитный момент. Если в молекулах нет неспаренных электронов, то они диамагнитны - выталкиваются из магнитного поля. Молекула кислорода парамагнитна, в ней имеется два электрона с параллельной ориентацией спинов, что противоречит методу валентных связей. Необходимо также отметить, что метод валентных связей не смог объяснить ряд свойств комплексных соединений - их цветность и др.

Чтобы объяснить эти факты, был предложен метод молекулярных орбиталей.

Основные положения метода

Согласно методу молекулярных орбиталей электроны в молекулах распределены по молекулярным орбиталям, которые подобно атомным орбиталям характеризуются определенной энергией (энергетическим уровнем) и формой. В отличие от атомных орбиталей молекулярные орбитали охватывают не один атом, а всю молекулу, т.е. являются двух- или многоцентровыми. Если в методе валентных связей атомы молекул сохраняют определенную индивидуальность, то в методе молекулярных орбиталей молекула рассматривается как единая система.

Наиболее широко в методе молекулярных орбиталей используется линейная комбинация атомных орбиталей. При этом соблюдается несколько правил:

  1. Число молекулярных орбиталей равно общему числу атомных орбиталей, из которых комбинируются молекулярные орбитали.
  2. Электроны в молекуле, как и в атоме, занимают соответствующие орбитали, которые характеризуются своим набором квантовых чисел.
  3. Энергия одних молекулярных орбиталей оказывается выше, других - ниже энергии исходных атомных орбиталей. Средняя энергия молекулярных орбиталей, полученных из набора атомных орбиталей, приблизительно совпадает со средней энергией этих атомных орбиталей.
  4. Fig23


  5. Для молекул, образованных атомами одного химического элемента (гомоядерных), выигрыш в энергии за счет образования связывающей орбитали компенсируется повышением энергии разрыхляющей орбитали. На энергетической диаграмме обе орбитали располагаются симметрично относительно атомных орбиталей.


  6. Fig24

  7. В гетероядерных (разноэлементных) молекулах связывающие орбитали по энергии ближе к орбиталям более электроотрицательного атома (В), а разрыхляющие - ближе к орбитали менее электроотрицательного атома (А). Разность в энергиях исходных атомных орбиталей (b) равна полярности связи. Эта разность является мерой ионности связи, а разность в энергиях между связывающей орбиталью и атомной орбиталью более электроотрицательного атома определяет ковалентность связи.


  8. Вся молекула рассматривается как единое целое, состоящее из ядер (бывших атомов) и электронов (ранее принадлежавших атомам).
  9. Электроны заполняют молекулярные орбитали, как и атомные орбитали, в порядке возрастания энергии, при этом соблюдается принцип запрета Паули и правило Гунда.
  10. Все электроны являются общими для всех ядер, т.е. химические связи являются многоцентровыми и каждая связь простирается между всеми ядрами в той или иной степени. Таким образом, двухцентровая связь представляет собой лишь частный случай многоцентровой химической связи.
  11. Наиболее эффективно комбинируются атомные орбитали с теми атомными орбиталями, которые характеризуются сопоставимыми энергиями и соответствующей симметрией.
  12. Прочность связи в методе молекулярных орбиталей пропорциональна степени перекрывания атомных орбиталей.
  13. Кратность химической связи равна половине разности числа электронов, расположенных на связывающих орбиталях, и числа электронов на разрыхляющих.
  14. Состояние электронов в молекуле описывается решением соответствующего уравнения Шредингера для молекулярной системы.

Уравнение Шредингера для молекулярной системы должно состоять из члена кинетической энергии и члена потенциальной энергии сразу для всех электронов. Но решение одного уравнения с таким большим количеством переменных (индексы и координаты всех электронов) невозможно, поэтому вводится понятие одноэлектронного приближения.

Одноэлектронное приближение предполагает, что можно рассматривать каждый электрон движущимся в поле ядер и усредненном поле остальных электронов молекулы. Это означает, что каждый i-й электрон в молекуле описывается своей собственной функцией ψi и имеет свою собственную энергию Ei. В соответствии с этим, для каждого электрона в молекуле можно составить свое уравнение Шредингера. Тогда для n электронов необходимо решить n уравнений. Это осуществляется методами матричного исчисления с помощью компьютеров.

При решении уравнения Шредингера для многоцентровой и многоэлектронной системы получаются решения в виде одноэлектронных волновых функций - молекулярных орбиталей, их энергий и электронной энергии всей молекулярной системы как целого.

Линейная комбинация атомных орбиталей

В одноэлектронном приближении метод молекулярных орбиталей описывает каждый электрон своей орбиталью. Как в атоме есть атомные орбитали, так и в молекуле есть молекулярные орбитали. Различие заключается в том, что молекулярные орбитали - многоцентровые.

Рассмотрим электрон, расположенный на молекулярной орбитали ψi нейтральной молекулы, в тот момент времени, когда он находится вблизи ядра некоторого атома m. В этой области пространства потенциальное поле создается, в основном, ядром атома m и находящимися вблизи электронами. Поскольку молекула в целом нейтральна, притяжение между рассматриваемым электроном и каким-либо другим ядром n приблизительно компенсируется отталкиванием между рассматриваемым электроном и электронами, находящимися вблизи ядра n. Значит, вблизи ядра движение электрона будет приближенно таким же, как и в отсутствие остальных атомов. Поэтому в орбитальном приближении молекулярная орбиталь ψi вблизи ядра m должна быть похожа на одну из атомных орбиталей этого атома. Поскольку атомная орбиталь имеют существенные значения только вблизи своих ядер, можно приблизительно представить молекулярную орбиталь ψi в виде линейной комбинации атомных орбиталей отдельных атомов.

Для простейшей молекулярной системы, состоящей из двух ядер атомов водорода, учитывая 1s-атомные орбитали , описывающие движение электрона в атоме Н, молекулярная орбиталь представляется в виде:

F1

Величины c1i и c2i - численные коэффициенты, которые и находятся решением уравнения Шредингера. Они показывают вклад каждой атомной орбитали в конкретную молекулярную орбиталь. В общем случае коэффициенты принимают значения, лежащие в интервале от -1 до +1. Если в выражении для конкретной молекулярной орбитали один из коэффициентов преобладает, то это отвечает тому, что электрон, находясь на данной молекулярной орбитали, в основном находится вблизи того ядра и описывается в основном именно той атомной орбиталью, чей коэффициент больше. Если коэффициент перед атомной орбиталью близок к нулю, то это означает, что пребывание электрона в области, описываемой данной атомной орбиталью маловероятно. По физическому смыслу квадраты данных коэффициентов определяют вероятность нахождения электрона в области пространства и энергий, описываемых данной атомной орбиталью.

Fig21

В методе ЛКАО для образования устойчивой молекулярной орбитали необходимо, чтобы энергии атомных орбиталей были близки друг к другу. Кроме того, нужно, чтобы их симметрия не сильно отличалась. При выполнении этих двух требований коэффициенты должны быть близкими по своим значениям, а это, в свою очередь, обеспечивает максимальное перекрывание электронных облаков. При сложении атомных орбиталей образуется молекулярная орбиталь, энергия которой понижается относительно энергий атомных орбиталей. Такая молекулярная орбиталь называется связывающей. Волновая функция, соответствующая связывающей орбитали, получается в результате сложения волновых функций с одинаковым знаком. Электронная плотность при этом концентрируется между ядрами, и волновая функция принимает положительное значение. При вычитании атомных орбиталей энергия молекулярной орбитали повышается. Эта орбиталь называется разрыхляющей. Электронная плотность в этом случае располагается за ядрами, а между ними равна нулю. Волновая функция в двух образовавшихся электронных облаках имеет противоположные знаки, что хорошо видно из схемы образования связывающей и разрыхляющей орбиталей.

Когда атомная орбиталь одного из атомов вследствие большой разницы в энергии или симметрии не может взаимодействовать с атомной орбиталью другого атома, она переходит в энергетическую схему молекулярных орбиталей молекулы с энергией, соответствующей ей в атоме. Орбиталь этого типа называется несвязывающей.

Классификация орбиталей

Классификация орбиталей на σ или π производится в соответствии с симметрией их электронных облаков. σ-орбиталь имеет такую симметрию электронного облака, при которой поворот ее вокруг оси, соединяющей ядра, на 180° приводит к орбитали, по форме не отличимой от первоначальной. Знак волновой функции при этом не меняется. В случае π-орбитали при повороте ее на 180° знак волновой функции меняется на противоположный. Отсюда следует, что s-электроны атомов при взаимодействии между собой могут образовывать только σ-орбитали, а три (шесть) p-орбитали атома - одну σ- и две π-орбитали, причем σ-орбиталь возникает при взаимодействии рх атомных орбиталей, а π-орбиталь - при взаимодействии рy и рz. Молекулярные π-орбитали повернуты относительно межьядерной оси на 90°.

Fig22

Для того чтобы отличать связывающие и разрыхляющие орбитали друг от друга, а также их происхождение, принята следующая система обозначений. Связывающая орбиталь обозначается сокращением «св», располагающимся справа вверху после греческой буквы, обозначающей орбиталь, а разрыхляющая - соответственно «разр». Принято еще одно обозначение: звездочкой помечаются разрыхляющие орбитали, а без звездочки - связывающие. После обозначения молекулярной орбитали пишется обозначение атомной орбитали, которой молекулярная обязана своим происхождением, например, πразр2py. Это означает, что молекулярная орбиталь π-типа, разрыхляющая, образовалась при взаимодействии 2рy - атомных орбиталей.

Положение атомной орбитали на шкале энергий определяется значением энергии ионизации атома, отвечающей удалению электрона, описываемого данной орбиталью, на бесконечно большое расстояние. Такая энергия ионизации называется орбитальной энергией ионизации. Так, для атома кислорода возможны типы ионизации, когда удаляется электрон с - или с 2s-электронной подоболочки.

Положение молекулярной орбитали энергетических диаграммах также определяется на основании квантово-химических расчетов электронной структуры молекул. Для сложных молекул число энергетических уровней молекулярных орбиталей на энергетических диаграммах велико, однако для конкретных химических задач часто важно знать энергии и состав не всех молекулярных орбиталей, а только наиболее «чувствительных» к внешним воздействиям. Такими орбиталями являются молекулярные орбитали, на которых размещены электроны самых высоких энергий. Эти электроны могут легко взаимодействовать с электронами других молекул, удаляться с данной молекулярной орбитали, а молекула будет переходить в ионизированное состояние или видоизменяться вследствие разрушения одних или образования других связей. Такой молекулярной орбиталью является высшая занятая молекулярная орбиталь. Зная число молекулярных орбиталей (равно суммарному числу всех атомных орбиталей) и число электронов, нетрудно определить порядковый номер ВЗМО и, соответственно, из данных расчета - ее энергию и состав. Также наиболее важной для изучения химических задач является низшая свободная молекулярная орбиталь, т.е. следующая по очереди за ВЗМО на шкале энергий, но вакантная молекулярная орбиталь. Важны и другие орбитали, прилегающие по энергии к ВЗМО и НСМО.

Молекулярные орбитали в молекулах, как и атомные орбитали в атомах, характеризуются не только относительной энергией, но и определенной суммарной формой электронного облака. Аналогично тому, как в атомах имеются s-, р-, d-, ... орбитали, самая простая молекулярная орбиталь, обеспечивающая связь между только двумя центрами (двухцентровая молекулярная орбиталь), может быть σ-, π-, δ-, ... типа. Молекулярные орбитали разделяются на типы в зависимости от того, какой симметрией они обладают относительно линии, соединяющей ядра атомов относительно плоскости, проходящей через ядра молекулы и др. Это приводит к тому, что электронное облако молекулярной орбитали различным образом распределяется в пространстве.

Fig30 Fig29 Fig31
σ-орбитали - это молекулярные орбитали, симметричные относительно вращения вокруг межъядерной оси. Область повышенной электронной плотности σ-молекулярной орбитали распределена вдоль данной оси. Такие молекулярные орбитали могут быть образованны любыми атомными орбиталями атомных орбиталей любой симметрии. На рисунке заливкой помечены участки волновых функций, имеющие отрицательный знак; остальные участки имеют положительный знак. π-орбитали - это молекулярные орбитали, антисимметричные относительно вращения вокруг межъядерной оси. Область повышенной электронной плотности π-молекулярных орбиталей распределена вне межъядерной оси. Молекулярные орбитали π-симметрии образуются при особом перекрывании р-, d- и f-атомных орбиталей. δ-орбитали - это молекулярные орбитали, антисимметричные относительно отражения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через межъядерную ось. δ-молекулярная орбиталь образуется при особом перекрывании d- и f-атомных орбиталей. Электронное облако данных молекулярных орбиталей распределено, главным образом, вне межъядерной оси.

Физический смысл метода

Для любой другой системы, включающей k атомных орбиталей, молекулярная орбиталь в приближении метода ЛКАО запишется в общем виде следующим образом:

F2

Для уяснения физического смысла такого подхода вспомним, что волновая функция Ψ соответствует амплитуде волнового процесса, характеризующего состояние электрона. Как известно, при взаимодействии, например, звуковых или электромагнитных волн их амплитуды складываются. Как видно, приведенное уравнение разложения молеклярной орбитали на составляющие атомные орбитали равносильно предположению, что амплитуды молекулярной «электронной волны» (т. е. молекулярная волновая функция) тоже образуются сложением амплитуд взаимодействующих атомных «электронных волн» (т. е. сложением атомных волновых функций). При этом, однако, под влиянием силовых полей ядер и электронов соседних атомов волновая функция каждого атомного электрона изменяется по сравнению с исходной волновой функцией этого электрона в изолированном атоме. В методе ЛКАО эти изменения учитываются путем введения коэффициентов c, где индекс i определяет конкретную молекулярную орбиталь, а индекс - конкретную атомную орбиталь. Так что при нахождении молекулярной волновой функции складываются не исходные, а измененные амплитуды - c·ψμ.

Fig25

Выясним, какой вид будет иметь молекулярная волновая функция Ψ1, образованная в результате взаимодействия волновых функций ψ1 и ψ2 - 1s-орбиталей двух одинаковых атомов. Для этого найдем сумму c11·ψ1 + c12·ψ2. В данном случае оба рассматриваемых атома одинаковы, так что коэффициенты c11 и c12 равны по величине (c11 = c12 = c1) и задача сводится к определению суммы c1·(ψ1 + ψ2). Поскольку постоянный коэффициент c1 не влияет на вид искомой молекулярной волновой функции, а только изменяет ее абсолютные значения, ограничимся нахождением суммы 1 + ψ2). Для этого расположим ядра взаимодействующих атомов на том расстоянии друг от друга (r), на котором они находятся в молекуле, и изобразим волновые функции 1s-орбиталей этих атомов (рисунок а).

Чтобы найти молекулярную волновую функцию Ψ1, сложим величины ψ1 и ψ2: в результате получится кривая, изображенная на (рисунке б). Как видно, в пространстве между ядрами значения молекулярной волновой функции Ψ1 больше, чем значения исходных атомных волновых функций. Но квадрат волновой функции характеризует вероятность нахождения электрона в соответствующей области пространства, т. е. плотность электронного облака. Значит, возрастание Ψ1 в сравнении с ψ1 и ψ2 означает, что при образовании молекулярной орбиталли плотность электронного облака в межъядерном пространстве увеличивается. В результате образуется химическая связь. Поэтому молекулярная орбиталь рассматриваемого типа называется связывающей.

В данном случае область повышенной электронной плотности находится вблизи оси связи, так что образовавшаяся молекулярная орбиталь относится к σ-типу. В соответствии с этим, связывающая молекулярная орбиталь, полученная в результате взаимодействия двух атомных 1s-орбиталей, обозначается σ1sсв.

Электроны, находящиеся на связывающей молекулярной орбитали, называются связывающими электронами.

Fig26

Рассмотрим другую молекулярную орбиталь Ψ2. По причине симметрии системы следует предположить, что коэффициенты перед атомными орбиталями в выражении для молекулярной орбитали Ψ2 = c21·ψ1 + c22·ψ2 должны быть равны по модулю. Но тогда они должны отличаться друг от друга знаком: c21 = - c22 = c2.

Значит, кроме случая где знаки вкладов обеих волновых функции одинаковы, возможен и случай, когда знаки вкладов 1s-атомных орбиталей различны. В таком случае (рисунок (а))вклад 1s-атомной орбитали одного атома положителен, а другого - отрицателен. При сложении этих волновых функций получится кривая, показанная на рисунке (б). Молекулярная орбиталь, образующаяся при подобном взаимодействии, характеризуется уменьщением абсолютной величины волновой функции в межъядерном пространстве по сравнению с ее значением в исходных атомах: на оси связи появляется даже узловая точка, в которой значение волновой функции, а, следовательно, и ее квадрата, обращается в нуль. Это означает, что в рассматриваемом случае уменьшится и плотность электронного облака в пространстве между атомами. В результате притяжение каждого атомного ядра в направлении к межъядерной области пространства окажется более слабым, чем в противоположном направлении, т.е. возникнут силы, приводящие к взаимному отталкиванию ядер. Здесь, следовательно, химическая связь не возникает; образовавшаяся в этом случае молекулярная орбиталь называется разрыхляющей σ1s* , а находящиеся на ней электроны - разрыхляющими электронами.

Переход электронов с атомных 1s-орбиталей на связывающую молекулярную орбиталь, приводящий к возникновению химической связи, сопровождается выделением энергии. Напротив, переход электронов с атомных 1s-орбиталей на разрыхляющую молекулярную орбиталь требует затраты энергии. Следовательно, энергия электронов на орбитали σ1sсв ниже, а на орбитали σ1s* выше, чем на атомных 1s-орбиталях. Приближенно можно считать, что при переходе 1s-электрона на связывающую молекулярную орбиталь выделяется столько же энергии, сколько необходимо затратить для его перевода на разрыхляющую молекулярную орбиталь.

Порядок связи

В методе молекулярных орбиталей для характеристики электронной плотности, ответственной за связывание атомов в молекулу вводится величина - порядок связи. Порядок связи, в отличие от кратности связи, может принимать нецелочисленные значения. Порядок связи в двухатомных молекулах принято определять по числу связывающих электронов, участвующих в ее образовании: два связывающих электрона соответствуют простой связи, четыре связывающих электрона - двойной связи и т. д. При этом разрыхляющие электроны компенсируют действие соответствующего числа связывающих электронов. Так, если в молекуле имеются 6 связывающих и 2 разрыхляющих электрона, то избыток числа связывающих электронов над числом разрыхляющих равен четырем, что соответствует образованию двойной связи. Следовательно, с позиции метода молекулярных орбиталей химическую связь в молекуле водорода, образованную двумя связывающими электронами, следует рассматривать как простую связь.

У элементов первого периода валентной орбиталью является 1s-орбиталь. Эти две атомных орбитали образуют две σ-молекулярные орбитали - связывающую и разрыхляющую. Рассмотрим электронное строение молекулярного иона H2+. Он имеет один электрон, который будет занимать более энергетически выгодную s-связывающую орбиталь. В соответствии с правилом подсчета кратности связи она будет равна 0,5, а так как в ионе имеется один неспаренный электрон, H2+ будет обладать парамагнитными свойствами. Электронное строение этого иона запишется по аналогии с электронным строением атома так: σ1sсв. Появление второго электрона на s-связывающей орбитали приведет к энергетической диаграмме, описывающей молекулу водорода, возрастанию кратности связи до единицы и диамагнитным свойствам. Возрастание кратности связи повлечет за собой и увеличение энергии диссоциации молекулы H2 и более короткому межъядерному расстоянию по сравнению с аналогичной величиной у иона водорода.

Двухатомная молекула Не2 существовать не будет, так как имеющиеся у двух атомов гелия четыре электрона расположатся на связывающей и разрыхляющей орбиталях, что приводит к нулевой кратности связи. Но в тоже время ион He2+ будет устойчив и кратность связи в нем равна 0,5. Так же, как и ион водорода, этот ион будет обладать парамагнитными свойствами.

Fig27

У элементов второго периода появляются еще четыре атомных орбитали: 2s, 2рх, 2ру, 2рz, которые будут принимать участие в образовании молекулярных орбиталей. Различие в энергиях 2s- и 2p-орбиталей велико, и они не будут взаимодействовать между собой с образованием молекулярных орбиталей. Эта разница в энергиях при переходе от первого элемента к последнему будет увеличиваться. В связи с этим обстоятельством электронное строение двухатомных гомоядерных молекул элементов второго периода будет описываться двумя энергетическими диаграммами, отличающимися порядком расположения на них σсв2px и πсв2py,z. При относительной энергетической близости 2s- и 2p-орбиталей, наблюдаемой в начале периода, включая атом азота, электроны, находящиеся на σразр2s и σсв2px-орбиталях, взаимно отталкиваются. Поэтому πсв2py- и πсв2pz-орбитали оказываются энергетически более выгодными, чем σсв2px-орбиталь. На рисунке представлены обе диаграммы. Так как участие 1s-электронов в образовании химической связи незначительно, их можно не учитывать при электронном описании строения молекул, образованных элементами второго периода.

Второй период системы открывают литий и бериллий, у которых внешний энергетический уровень содержит лишь s-электроны. Для этих элементов схема молекулярных орбиталей ничем не будет отличаться от энергетических диаграмм молекул и ионов водорода и гелия, с той лишь разницей, что у последних она построена из 1s-электронов, а у Li2 и Ве2 - из 2s-электронов. 1s-электроны лития и бериллия можно рассматривать как несвязывающие, т.е. принадлежащие отдельным атомам. Здесь будут наблюдаться те же закономерности в изменении порядка связи, энергии диссоциации и магнитных свойств. Ион Li2+ имеет один неспаренный электрон, расположенный на σсв2s-орбитали - ион парамагнитен. Появление второго электрона на этой орбитали приведет к увеличению энергии диссоциации молекулы Li2 и возрастанию кратности связи с 0,5 до 1. Магнитные свойства приобретут диамагнитный характер. Fig28 Третий s-электрон расположится на σразр-орбитали, что будет способствовать уменьшению кратности связи до 0,5 и, как следствие этого, понижению энергии диссоциации. Такое электронное строение имеет парамагнитный ион Be2+. Молекула Ве2, так же как и 2, существовать не может из-за нулевого порядка связи. У этих молекул число связывающих электронов равно числу разрыхляющих.

Как видно из рисунка, по мере заполнения связывающих орбиталей энергия диссоциации молекул увеличивается, а с появлением электронов на разрыхляющих орбиталях уменьшается. Ряд заканчивается нестабильной молекулой Ne2. Из рисунка также видно, что удаление электрона с разрыхляющей орбитали приводит к повышению кратности связи и, как следствие этого, увеличению энергии диссоциации и уменьшению межъядерного расстояния. Ионизация молекулы, сопровождаемая удалением связывающего электрона дает прямо противоположный эффект.


МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

Яндекс.Метрика Copyright _copy 2014. SARybin.
Подписаться на обновление.