STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia. Monika Musia l

Podobne dokumenty
STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Monika Musia l

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać:

Struktura elektronowa czasteczek. przybliżenie Borna-Oppenheimera. równania Schrödingera dla elektronów przy ustalonym po lożeniu jader

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L METODA HÜCKLA. Ćwiczenia. mm

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

Podstawy chemii obliczeniowej

Wykład 5: Cząsteczki dwuatomowe

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Symbol termu: edu (sumy ca lkowitego orbitalnego momentu edu i ca lkowitego spinu) Przyk lad: 2 P 3. kwantowa

Monika Musia l. METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI) (ujȩcie wyznacznikowe)

Cząsteczki. 1.Dlaczego atomy łącz. 2.Jak atomy łącz. 3.Co to jest wiązanie chemiczne? Jakie sąs. typy wiąza

Inżynieria Biomedyczna. Wykład XII

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

Teoria Orbitali Molekularnych. tworzenie wiązań chemicznych

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Orbitale typu σ i typu π

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Oddzia lywania miedzycz. jony molekularne lub atomy. edzy A i B:

Atomy wieloelektronowe

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Elektronowa struktura atomu

3. Cząsteczki i wiązania

TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

JEDNOSTKI ATOMOWE =1, m e =1, e=1, ; 1 E 2 h = 4, J. Energia atomu wodoru lub jonu wodoropodobnego w jednostkach atomowych:

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Teoria funkcjona lu g

Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

Wykład Budowa atomu 3

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L. Ćwiczenia. mm

Notatki do wyk ladu V (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

Notatki do wyk ladu IV (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Hierarchia baz gaussowskich (5)

3. Cząsteczki i wiązania

Konwersatorium 1. Zagadnienia na konwersatorium

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

STEREOCHEMIA ORGANICZNA

b) Pierwiastek E tworzy tlenek o wzorze EO 2 i wodorek typu EH 4, a elektrony w jego atomie rozmieszczone są na dwóch powłokach elektronowych

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Notatki do wyk ladu IV (z )

Podstawy chemii obliczeniowej

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Temat Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra Ocena celująca. Uczeń:

Postulaty mechaniki kwantowej

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

Anna Grych Test z budowy atomu i wiązań chemicznych

Budowa atomu Poziom: rozszerzony Zadanie 1. (2 pkt.)

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI)

Równania różniczkowe cz astkowe rzȩdu pierwszego

Chemia kwantowa. Pytania egzaminacyjne. 2010/2011: 1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Stany atomu wieloelektronowego o określonej energii. być przypisywane elektrony w tym stanie atomu.

H H 2.5 < H H CH 3 N O O H C N ŁADUNEK FORMALNY. 2.5 dla atomu węgla C C 2.5 H 2.1. Li 1.0. liczba e - walencyjnych w atomie wolnym C 2.5 H 2.

Wykład z Chemii Ogólnej

struktura atomowa 9 grudnia 2016 struktura atomowa

Pierwsze kolokwium z Matematyki I 4. listopada 2013 r. J. de Lucas

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Podstawowe metody i przybliżenia: metoda wariacyjna, rachunek zaburzeń

Struktura elektronowa

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Fizyka atomowa r. akad. 2012/2013

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Układy wieloelektronowe

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

TEORIA FUNKCJONA LÓW. (Density Functional Theory - DFT) Monika Musia l

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Metoda oddzia lywania konfiguracji (CI)

Modelowanie zjawisk fizycznych (struktury molekularnej, procesów chemicznych i układów biologicznych)

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Uklady modelowe III - rotator, atom wodoru

Uk lady modelowe II - oscylator

Chemia Ogólna wykład 1

Teoria funkcjona lu g

LOGIKA ALGORYTMICZNA

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

BUDOWA ATOMU cd. MECHANIKA KWANTOWA

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

RJC. Wiązania Chemiczne & Slides 1 to 39

CZ STECZKA. Do opisu wi za chemicznych stosuje si najcz ciej jedn z dwóch metod (teorii): metoda wi za walencyjnych (VB)

{E n ( k 0 ) + h2 2m (k2 k 2 0 )}δ nn + h m ( k k 0 ) p nn. c nn = E n ( k)c nn (1) gdzie ( r)d 3 r

Spis treści. Metoda VSEPR. Reguły określania struktury cząsteczek. Ustalanie struktury przestrzennej

Wykład przygotowany w oparciu o podręczniki:

Stany skupienia materii

Elektronowa struktura atomu

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej metodę (teorię): metoda wiązań walencyjnych (VB)

CHEMIA 1. INSTYTUT MEDICUS Kurs przygotowawczy na studia medyczne kierunek lekarski, stomatologia, farmacja, analityka medyczna ATOM.

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas I LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Teoria VSEPR. Jak przewidywac strukturę cząsteczki?

Chemiateoretyczna. Monika Musiał. Elementy teorii grup

Rozwój i zastosowanie wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów w opisie stanów podstawowych i wzbudzonych układów atomowych i molekularnych

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Liczby kwantowe n, l, m l = 0 l =1 l = 2 l = 3

Transkrypt:

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia Monika Musia l

Uk lad zamkniȩtopow lokowy: N elektronów; N 2 elektronowa: Ψ = 1 N! orbitali. Funkcja falowa N- φ 1 (1)α(1) φ 1 (2)α(2) φ 1 (N)α(N) φ 1 (1)β(1) φ 1 (2)β(2) φ 1 (N)β(N) φ 2 (1)α(1) φ 2 (2)α(2) φ 2 (N)α(N).... φn 2 (1)α(1) φn 2 (2)α(2) φn 2 (N)α(N) φn 2 (1)β(1) φn 2 (2)β(2) φn 2 (N)β(N) Kluczowy problem w metodzie MO: wybór bazy. Najpowszechniejsza realizacja metody MO taka, w której bazȩ funkcyjn a stanowi a orbitale atomowe. Prowadzi to do metody LCAO MO (Linear Combination of Atomic Orbitals Molecular Orbitals). W ramach metody LCAO MO bȩdziemy rozważać orbital molekularny jako rezultat na lożenia siȩ (oddzia lywania) orbitali atomowych.

Najprostszy przyk lad: jon H + 2 Równanie Schrödingera: Ĥ = h2 2m 2 e2 r a e2 r b Ĥψ = Eψ Baza funkcyjna: orbitale atomu wodoru 1s: χ a i χ b. ψ = N(c a χ a + c b χ b ) Ponieważ gȩstość prawdopodobieństwa napotkania elektronu w pobliżu j adra a musi być równa gȩstości prawdopodobieństwa napotkania elektronu w pobliżu j adra b st ad c 2 a = c 2 b Czyli: c a = ±c b

Zatem z dwóch orbitali atomowych χ a i χ b tworzy siȩ dwa orbitale molekularne ψ + i ψ : ψ + = N +c(χ a + χ b ) = N + (χ a + χ b ) ψ = N c(χ a χ b ) = N (χ a χ b ) Sta le normalizacyjne można znaleźć z warunku normalizacji orbitali ψ (zak ladamy unormowanie orbitali χ): ψ+ 2 dτ = 1 ψ 2 dτ = 1 Sk ad: N + = N = 1 2 + 2S 1 2 2S

gdzie S jest ca lk a nak ladania : S = χ a (1)χ b (1)dτ której wartość jest zawarta w przedziale: 0 S 1 Ostatecznie dwa znalezione orbitale molekularne maj a postać: ψ + (1) = (2 + 2S) 1 2[χ a (1) + χ b (1)] ψ (1) = (2 2S) 1 2 [χa (1) χ b (1)] Energie obu orbitali można wyznaczyć z wyrażenia na wartość średni a hamiltonianu (w notacji Diraca): E + = ψ + Ĥ ψ + E = ψ Ĥ ψ

Po podstawieniu: gdzie E + = H aa + H ab 1 + S E = H aa H ab 1 S H aa = χ a Ĥ χ a = χ b Ĥ χ b = H bb H ab = χ a Ĥ χ b = χ b Ĥ χ a = H ba Pierwsza równość wynika z symetrii uk ladu, druga z hermitowskości operatora Ĥ.

Ca lka H aa nosi czasem nazwȩ ca lki kulombowskiej (nie mylić z ca lk a kulombowska w metodzie H-F), natomiast ca lka H ab nazywa siȩ ca lk a rezonansow a. W przybliżeniu: H aa = E H Zatem (zaniedbuj ac także ca lkȩ nak ladania): E + = E H + H ab E = E H H ab Ponieważ H ab jest zawsze ujemne wiȩc: E + E H E E H

Orbital ψ + któremu odpowiada niższa energia niż energia elektronu w atomie nosi nazwȩ orbitalu wi aż acego, natomiast orbital ψ o energii wyższej nazywa siȩ orbitalem antywi aż acym. Energia ca lkowita jonu H + 2 musi uwzglȩdniać także energiȩ odpychania siȩ j ader atomowych (protonów), zatem otrzymujemy ostateczne wyrażenia: E tot + = E + + ke2 R E tot = E + ke2 R

Najprostsza cz asteczka: H 2 atomy rozdzielone E 1s H σ H 1s E σ σ - orbital molekularny wi aż acy σ - orbital molekularny antywi aż acy

Utworzenie cz asteczki H 2 E 1s H σ H 1s E σ Energia wi azania = 2 E σ - orbital molekularny wi aż acy σ - orbital molekularny antywi aż acy

Singletowy stan wzbudzony cz asteczki H 2 E 1s H σ H 1s E σ Energia wi azania = E E = 0 dysocjacja σ - orbital molekularny wi aż acy σ - orbital molekularny antywi aż acy

Trypletowy stan wzbudzony cz asteczki H 2 H σ H 1s 1s σ σ - orbital molekularny wi aż acy σ - orbital molekularny antywi aż acy

Klasyfikacja orbitali molekularnych 1. Ze wzglȩdu na energiȩ: orbitale wi aż ace: σ 1, σ 2,...,π 1,...: o energii niższej niż energia w atomie orbitale antywi aż ace σ 1, σ 2,..., π 1,...: o energii wyższej niż energia w atomie orbitale niewi aż ace: orbitale pow lok wewnȩtrznych lub tzw. wolne pary: σ n 1,...: o energii takiej samej (lub prawie takiej samej) jak energia w atomie

2. Ze wzglȩdu na symetriȩ (zak ladamy, że oś wi azania pokrywa siȩ z osi a z) orbitale σ: symetryczne wzglȩdem obrotu o dowolny k at dooko la osi wi azania. Powstaj a: a) z dwóch orbitali s b) z orbitalu s i orbitalu p z c) z dwóch orbitali p z d) z orbitalu s i orbitalu d z 2 e) z orbitalu p z i orbitalu d z 2 f) z dwóch orbitali d z 2

orbitale π: antysymetryczne wzglȩdem odbicia w p laszczyżnie przechodz acej przez oś wi azania. Powstaj a: a) z dwóch orbitali p x lub p y b) z orbitalu p x i orbitalu d xz (p y i d yz ) c) z dwóch orbitali d xz (d yz ) orbitale δ: Powstaj a z na lożenia siȩ np. dwóch orbitali d xy. Każdy z orbitali σ, π, δ może mieć charakter wi aż acy, niewi aż acy lub antywi aż acy. Jeżeli cz asteczka posiada środek symetrii to dodatkowo wyposażamy symbol orbitalu w indeks g lub u, np: σ g, σu, π u, πg, etc. 3. Ze wzglȩdu na stopień delokalizacji orbitale zlokalizowane: obejmuj a swym zasiȩgiem jeden lub dwa atomy orbitale zdelokalizowane: rozci agaj a siȩ na ca l a cz asteczkȩ

Efektywność tworzenia siȩ orbitali molekularnych: porównywalne energie jonizacji orbitali (nie tworzy siȩ wi azanie pomiȩdzy orbitalami pow lok walencyjnych i wewnȩtrznych) wyraźnie różna od zera ca lka nak ladania (nie tworzy siȩ wi azanie pomiȩdzy orbitalami pow lok wewnȩtrznych)

Struktura elektronowa cz asteczek dwuatomowych homoj adrowych Konstrukcja orbitali molekularnych z orbitali walencyjnych atomów tworz acych cz asteczkȩ: σ 1s = 1s a + 1s b σ 1s = 1s a 1s b σ 2s = 2s a + 2s b σ 2s = 2s a 2s b σ 2p = 2p za 2p zb σ 2p = 2p za + 2p zb π 2px = 2p xa + 2p xb π 2py = 2p ya + 2p yb π 2p x = 2p xa 2p xb π 2p y = 2p ya 2p yb

Kolejność energetyczna orbitali (cz asteczki dwuatomowe homoj adrowe) σ 1s < σ 1s < σ 2s < σ 2s < π 2px = π 2py < σ 2p < π 2p x = π 2p y < σ 2p

Konfiguracje elektronowe cz asteczek dwuatomowych homoj adrowych (obowi azuje regu la Hunda) [H + 2 ] = (σ g1s ) 1 [H 2 ] = (σ g1s ) 2 [He + 2 ] = (σ g1s ) 2 (σ u1s) 1 [He 2 ] = (σ g1s ) 2 (σ u1s) 2 [Li 2 ] = (σ g1s ) 2 (σ u1s) 2 (σ g2s ) 2 = [He 2 ](σ g2s ) 2 [Be 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 [B 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 1 (π u2py ) 1 [C 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 [N 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 [N + 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 1

Strukturaelektronowacz asteczkin 2 2p σ 2p π 2p 2p σ2p π2p 2s σ 2s σ2s 2s 1s N N 2 σ 1s σ1s N 1s

[O 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 (π g2p x ) 1 (π g2p y ) 1 [O + 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 (π g2p x ) 1 [O 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 (π g2p x ) 2 (π g2p y ) 1 [O 2 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 (π g2p x ) 2 (π g2p y ) 2 [F 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 (π g2p x ) 2 (π g2p y ) 2 [Ne 2 ] = [He 2 ](σ g2s ) 2 (σ u2s) 2 (π u2px ) 2 (π u2py ) 2 (σ g2p ) 2 (π g2p x ) 2 (π g2p y ) 2 (σ u2p) 2 [Na 2 ] = [Ne 2 ](σ g3s ) 2

Krotność (rz ad) wi azania R b : R b = N el.bond. N el.antibond. 2 Krotności (rzȩdy) wi azań, energie wi azań i d lugości wi azań w poszczególnych cz asteczkach wynosz a: R b (H 2 + ) = 1 2 ; R e = 0.106 nm; D e = 2.79 ev R b (H 2 ) = 1; R e = 0.073 nm; D e = 4.75 ev R b (He + 2 ) = 1 2 ; D e = 3 ev R b (He 2 ) = 0 nie istnieje R b (Li 2 ) = 1; R e = 0.267 nm; D e = 1.05 ev R b (N 2 ) = 3; R e = 0.111 nm; D e = 9.90 ev R b (N 2 + ) = 2.5; R e = 0.121 nm; D e = 8.72 ev

R b (O + 2 ) = 2.5; R e = 0.112 nm; D e = 6.48 ev R b (O 2 ) = 2; R e = 0.121 nm; D e = 5.08 ev R b (O 2 ) = 1.5; R e = 0.126 nm R b (O 2 2 ) = 1; R e = 0.149 nm R b (F 2 ) = 1; D e = 1.68 ev W lasności paramagnetyczne (zwi azane z obecności a niesparowanych elektronów) wykazuj a cz asteczki: B 2, O 2.

Konfiguracje elektronowe cz asteczek dwuatomowych heteroj adrowych Przy niewielkiej różnicy elektroujemności - orbitale o charakterze zbliżonym do orbitali w cz asteczkach homoj adrowych. ψ = c a χ a + c b χ b Jeżeli atom a ma niższ a elektroujemność niż atom b to orbital wi aż acy wykazuje wiȩksze podobieństwo do orbitalu χ a a antywi ażacy do orbitalu χ b. ψ a = c a χ a + c b χ b ψ b = c aχ a + c bχ b przy czym: c a > c b c a < c b

Kolejność energetyczna orbitali molekularnych (cz asteczki dwuatomowe heteroj adrowe) jest nastȩpuj aca: σ 1sa < σ 1sb < σ 2sa < σ 2sb < π 2pxa = π 2pya < σ 2pa < π 2pxb = π 2pyb < σ 2pb

Konfiguracje elektronowe wybranych cz asteczek dwuatomowych: [BN] = K B K N (σ 2sN ) 2 (σ 2sB) 2 (π 2pxN ) 2 (π 2pyN ) 2 [BN] = K B K N (σ 2sN ) 2 (σ 2sB) 2 (π 2pxN ) 2 (π 2pyN ) 1 (σ 2pN ) 1 [CN] = K C K N (σ 2sN ) 2 (σ 2sC) 2 (π 2pxN ) 2 (π 2pyN ) 2 (σ 2pN ) 1 [CN + ] = K C K N (σ 2sN ) 2 (σ 2sC) 2 (π 2pxN ) 2 (π 2pyN ) 2 [CN ] = K C K N (σ 2sN ) 2 (σ 2sC) 2 (π 2pxN ) 2 (π 2pyN ) 2 (σ 2pN ) 2 [NO] = K N K O (σ 2sO ) 2 (σ 2sN) 2 (π 2pxO ) 2 (π 2pyO ) 2 (σ 2pO ) 2 (π 2pN) 1 [NO + ] = K N K O (σ 2sO ) 2 (σ 2sN) 2 (π 2pxO ) 2 (π 2pyO ) 2 (σ 2pO ) 2 [NO ] = K N K O (σ 2sO ) 2 (σ 2sN) 2 (π 2pxO ) 2 (π 2pyO ) 2 (σ 2pO ) 2 (π 2pxN) 1 (π 2pyN) 1

Przyk ladowe krotności (rzȩdy) wi azań i d lugości wi azań: R b (BN) = 2 R b (CN + ) = 2; R e = 0.1173 nm R b (CN) = 2.5; R e = 0.1172 nm R b (CN ) = 3; R e = 0.114 nm R b (NO + ) = 3; R e = 0.106 nm R b (NO) = 2.5; R e = 0.115 nm R b (NO ) = 2 W lasności paramagnetyczne: BN,NO i cz asteczki o nieparzystej liczbie elektronów. Konfiguracja wodorków typu HA: [LiH] = K Li (σ 1sH ) 2 [FH] = K F (σ n 2sF) 2 (σ 2pF ) 2 (π n 2pxF) 2 (π n 2pyF) 2