Cổng Thông Tin Đại Học, Cao Đẳng Lớn Nhất Việt Nam

Lý thuyết quỹ đạo phân tử

KHOA Y DƯỢC HÀ NỘI

Thẳng tiến vào đại học chỉ với: Điểm lớp 12 Từ 6,5 Điểm thi từ 18 năm 2021

Lý thuyết quỹ đạo phân tử (thường được viết tắt là MOT) là một lý thuyết về liên kết hóa học được phát triển vào đầu thế kỷ XX bởi F. Hund và RS Mulliken để mô tả cấu trúc và tính chất của các phân tử khác nhau. Lý thuyết liên kết hóa trị đã không giải thích được đầy đủ làm thế nào các phân tử nhất định chứa hai hoặc nhiều liên kết tương đương mà trật tự liên kết nằm giữa liên kết đơn và liên kết đôi, chẳng hạn như liên kết trong phân tử bền cộng hưởng. Đây là nơi lý thuyết quỹ đạo phân tử tỏ ra mạnh mẽ hơn lý thuyết liên kết hóa trị (vì các obitan được mô tả bởi MOT phản ánh hình học của phân tử mà nó được áp dụng).Các đặc điểm chính của lý thuyết quỹ đạo phân tử được liệt kê dưới đây.

  • Tổng số obitan phân tử được tạo thành sẽ luôn bằng tổng số obitan nguyên tử được cung cấp bởi các loại liên kết.
  • Tồn tại các loại obitan phân tử khác nhau viz; obitan phân tử liên kết, obitan phân tử phản liên kết và obitan phân tử không liên kết. Trong số này, các obitan phân tử phản liên kết sẽ luôn có năng lượng cao hơn các obitan mẹ trong khi các obitan phân tử liên kết sẽ luôn có năng lượng thấp hơn các obitan mẹ.
  • Các electron được điền vào các obitan phân tử theo thứ tự năng lượng quỹ đạo tăng dần (từ quỹ đạo có năng lượng thấp nhất đến quỹ đạo có năng lượng cao nhất).
  • Sự kết hợp hiệu quả nhất của các obitan nguyên tử (để hình thành các obitan phân tử) xảy ra khi các obitan nguyên tử kết hợp có năng lượng tương tự nhau.

Nói một cách dễ hiểu, lý thuyết quỹ đạo phân tử phát biểu rằng mỗi nguyên tử có xu hướng kết hợp với nhau và tạo thành các obitan phân tử. Kết quả của sự sắp xếp như vậy, các electron được tìm thấy trong các obitan nguyên tử khác nhau và chúng thường liên kết với các hạt nhân khác nhau. Tóm lại, một electron trong phân tử có thể có mặt ở bất cứ đâu trong phân tử.

Một trong những tác động chính của lý thuyết quỹ đạo phân tử sau công thức của nó là nó đã mở ra một cách mới để hiểu quá trình liên kết. Với lý thuyết này, các obitan phân tử về cơ bản được coi là tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử. Các phép gần đúng được thực hiện thêm bằng cách sử dụng mô hình Hartree-Fock (HF) hoặc lý thuyết hàm mật độ (DFT) cho phương trình Schrödinger.

Thuyết quỹ đạo phân tử Sự xấp xỉ của các obitan phân tử dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử có thể được minh họa như sau.

 

Tuy nhiên, để hiểu lý thuyết obitan phân tử rõ ràng và chuyên sâu hơn, điều quan trọng là phải hiểu obitan nguyên tử và phân tử là gì.

Sự kết hợp tuyến tính của các quỹ đạo nguyên tử (LCAO)

Các obitan phân tử nói chung có thể được biểu diễn thông qua sự kết hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử (viết tắt là LCAO). Các LCAO này rất hữu ích trong việc ước tính sự hình thành của các obitan này trong liên kết giữa các nguyên tử tạo nên phân tử.

Các phương trình Schrodinger dùng để mô tả trạng thái của electron cho quỹ đạo phân tử có thể được viết bằng một phương pháp tương tự như đối với các orbital nguyên tử.

Đây là một phương pháp gần đúng để biểu diễn các obitan phân tử. Nó giống một phương pháp chồng chất hơn trong đó sự giao thoa có tính xây dựng của hai hàm sóng nguyên tử tạo ra một quỹ đạo phân tử liên kết trong khi giao thoa hủy diệt tạo ra một quỹ đạo phân tử không liên kết.

Các điều kiện cho sự kết hợp tuyến tính của các quỹ đạo nguyên tử

Các điều kiện cần thiết cho sự kết hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử như sau:

Cùng một năng lượng của việc kết hợp các quỹ đạo

 Các obitan nguyên tử kết hợp để tạo thành obitan phân tử nên có năng lượng tương đương. Điều này có nghĩa là quỹ đạo 2p của một nguyên tử có thể kết hợp với một quỹ đạo 2p khác của nguyên tử khác nhưng 1s và 2p không thể kết hợp với nhau vì chúng có sự chênh lệch năng lượng đáng kể.

Sự đối xứng tương tự về Trục phân tử

Các nguyên tử kết hợp nên có cùng độ đối xứng xung quanh trục phân tử để có sự kết hợp thích hợp, nếu không, mật độ electron sẽ thưa thớt. Ví dụ: tất cả các obitan con của 2p có cùng năng lượng nhưng vẫn còn obitan 2pz của nguyên tử chỉ có thể kết hợp với obitan 2pz của nguyên tử khác mà không thể kết hợp với obitan 2px và 2py vì chúng có trục đối xứng khác nhau . Nói chung, trục z được coi là trục đối xứng của phân tử.

Chồng chéo thích hợp giữa các quỹ đạo nguyên tử

Hai obitan nguyên tử sẽ kết hợp để tạo thành obitan phân tử nếu sự xen phủ thích hợp. Mức độ xen phủ của các obitan càng lớn thì mật độ hạt nhân giữa các hạt nhân của hai nguyên tử càng lớn.

Điều kiện có thể được hiểu bởi hai yêu cầu đơn giản. Để hình thành quỹ đạo phân tử thích hợp, năng lượng và định hướng thích hợp là cần thiết. Để có năng lượng thích hợp, hai obitan nguyên tử phải có cùng năng lượng và để định hướng thích hợp, các obitan nguyên tử phải có sự xen phủ thích hợp và cùng một trục đối xứng phân tử.

Quỹ đạo phân tử là gì?

Không gian trong phân tử trong đó xác suất tìm thấy điện tử là lớn nhất có thể được tính bằng cách sử dụng hàm quỹ đạo phân tử. Các obitan phân tử về cơ bản là các hàm toán học mô tả bản chất sóng của các electron trong một phân tử nhất định.

Các obitan này có thể được xây dựng thông qua sự kết hợp của các obitan lai hóa hoặc các obitan nguyên tử từ mỗi nguyên tử thuộc phân tử cụ thể. Các obitan phân tử cung cấp một mô hình tuyệt vời thông qua lý thuyết quỹ đạo phân tử để chứng minh sự liên kết của các phân tử.

Các loại quỹ đạo phân tử

Theo lý thuyết quỹ đạo phân tử, tồn tại ba loại obitan phân tử sơ cấp được hình thành từ sự kết hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử. Các quỹ đạo này được trình bày chi tiết bên dưới.

Quỹ đạo phân tử chống liên kết

Mật độ electron tập trung ở phía sau hạt nhân của hai nguyên tử liên kết trong các obitan phân tử phản liên kết. Điều này dẫn đến việc hạt nhân của hai nguyên tử bị kéo ra xa nhau. Những loại obitan này làm suy yếu liên kết giữa hai nguyên tử.

Các quỹ đạo phân tử không liên kết

Trong trường hợp các obitan phân tử không liên kết, do sự thiếu hoàn toàn đối xứng trong sự tương thích của hai obitan nguyên tử liên kết, các obitan phân tử được tạo thành không có tương tác dương hoặc âm với nhau. Các loại obitan này không ảnh hưởng đến liên kết giữa hai nguyên tử.

Sự hình thành quỹ đạo phân tử

Một quỹ đạo nguyên tử là một sóng điện tử; sóng của hai obitan nguyên tử có thể cùng pha hoặc lệch pha nhau. Giả sử Ψ A  và Ψ B  biểu diễn biên độ sóng electron của obitan nguyên tử của hai nguyên tử A và B.

Trường hợp 1: Khi hai sóng cùng pha để chúng cộng lại và biên độ của sóng là Φ = Ψ A  + Ψ B

Hiệu ứng cộng của sóng điện tử - Lý thuyết quỹ đạo phân tử

 

Trường hợp 2: khi hai sóng lệch pha thì các sóng trừ nhau để biên độ của sóng mới là Φ ´ = Ψ A  – Ψ B.

Hiệu ứng trừ của sóng điện tử - Lý thuyết quỹ đạo phân tử

Đặc điểm của liên kết quỹ đạo phân tử

  • Các khả năng của việc tìm kiếm các electron trong khu vực internuclear của các liên kết phân tử quỹ đạo lớn hơn của việc kết hợp các orbital nguyên tử.
  • Các electron hiện diện trong obitan phân tử liên kết dẫn đến lực hút giữa hai nguyên tử.
  • Các obitan phân tử liên kết có năng lượng thấp hơn do kết quả của lực hút và do đó có độ ổn định cao hơn so với các obitan nguyên tử kết hợp.
  • Chúng được tạo thành do hiệu ứng cộng của các obitan nguyên tử để biên độ của sóng mới là Φ = Ψ A  + Ψ B
  • Chúng được biểu diễn bằng σ, π và δ.

Đặc điểm của quỹ đạo phân tử chống liên kết

  • Xác suất tìm thấy electron trong vùng giữa các hạt nhân giảm dần trong các obitan phân tử phản liên kết.
  •  Các electron hiện diện trong obitan phân tử chống liên kết dẫn đến lực đẩy giữa hai nguyên tử.
  • Các obitan phân tử phản liên kết có năng lượng cao hơn vì lực đẩy và độ ổn định thấp hơn.
  • Chúng được hình thành do hiệu ứng trừ của các obitan nguyên tử. Biên độ của sóng mới được cho bởi Φ ´ = Ψ A  – Ψ B
  • Chúng được đại diện bởi σ  , π  , δ 

Tại sao các quỹ đạo chống liên kết lại có năng lượng cao hơn?

Mức năng lượng của các obitan phân tử liên kết luôn thấp hơn các obitan phân tử phản liên kết. Điều này là do các electron trong quỹ đạo bị hạt nhân hút trong trường hợp quỹ đạo phân tử liên kết trong khi các hạt nhân đẩy nhau trong trường hợp quỹ đạo phân tử phản liên kết.

Sự khác biệt giữa các quỹ đạo phân tử liên kết và chống liên kết

Lý thuyết quỹ đạo phân tử
Liên kết các quỹ đạo phân tử Quỹ đạo phân tử chống liên kết
Các obitan phân tử được tạo thành do tác dụng cộng của các obitan nguyên tử được gọi là các obitan phân tử liên kết Các obitan phân tử được tạo thành do hiệu ứng trừ của nguyên tử được gọi là obitan phân tử phản liên kết
Xác suất tìm thấy các electron nhiều hơn trong trường hợp liên kết giữa các obitan phân tử Xác suất tìm thấy electron ít hơn trong các obitan phân tử phản liên kết. Giữa các obitan phân tử phản liên kết giữa hai hạt nhân cũng có một nút mà mật độ electron bằng không.
Chúng được hình thành bởi sự kết hợp của + và + và – với – một phần của sóng điện tử Chúng được hình thành bởi sự chồng chéo của + với – part.
Mật độ electron, trong obitan phân tử liên kết trong vùng giữa các hạt nhân, là cao. Kết quả là, các hạt nhân được che chắn khỏi nhau và do đó lực đẩy là rất ít. Mật độ electron trong obitan phân tử phản liên kết trong vùng giữa các hạt nhân là rất thấp và do đó các hạt nhân tiếp xúc trực tiếp với nhau. Do đó các hạt nhân ít bị che chắn nhau hơn.
Các obitan phân tử liên kết được biểu diễn bằng σ, π, δ. Các obitan phân tử phản liên kết tương ứng được biểu diễn bằng σ ∗, π ∗, δ ∗.

Sự hạ thấp năng lượng của obitan phân tử liên kết so với obitan nguyên tử kết hợp được gọi là năng lượng ổn định và sự gia tăng tương tự năng lượng của obitan phân tử phản liên kết được gọi là  năng lượng mất ổn định .

Hãy thử điều này:  Vật liệu thuận từ , những vật có các điện tử chưa ghép đôi, bị hút bởi từ trường trong khi vật liệu nghịch từ, những vật không có các điện tử chưa ghép đôi, bị đẩy yếu bởi các trường đó. Bằng cách xây dựng hình ảnh quỹ đạo phân tử cho mỗi phân tử sau đây, hãy xác định xem nó là chất thuận từ hay nghịch từ.

  • 2
  • 2
  • 2
  • KHÔNG
  • CO

Đặc điểm của lý thuyết quỹ đạo phân tử

  • Các obitan nguyên tử xen phủ nhau tạo thành obitan mới gọi là  obitan phân tử. Khi hai obitan nguyên tử chồng lên nhau, chúng sẽ mất đi sự đồng nhất và hình thành các obitan mới được gọi là  obitan phân tử.
  • Các electron trong phân tử được lấp đầy ở trạng thái năng lượng mới được gọi là obitan phân tử tương tự như electron trong nguyên tử được lấp đầy ở trạng thái năng lượng gọi là obitan nguyên tử.
  • Xác suất tìm thấy sự phân bố điện tử trong một phân tử xung quanh nhóm hạt nhân của nó được cho bởi obitan phân tử.
  • Hai obitan nguyên tử kết hợp nên có năng lượng có giá trị tương đương và định hướng tương tự. Ví dụ: 1s có thể kết hợp với 1s và không kết hợp với 2s.
  • Số obitan phân tử hình thành bằng số obitan nguyên tử kết hợp.
  • Hình dạng của các obitan phân tử được hình thành phụ thuộc vào hình dạng của các obitan nguyên tử kết hợp.

Theo Lý thuyết quỹ đạo phân tử, việc lấp đầy các obitan diễn ra theo các quy tắc sau:

  • Nguyên lý Aufbau : Các obitan phân tử được điền theo thứ tự tăng dần của các mức năng lượng.
  • Nguyên lý loại trừ của Pauli : Trong một nguyên tử hay một phân tử, không có hai electron nào có thể có cùng một bộ bốn số lượng tử.
  • Quy tắc Hund về tính đa hiệu cực đại : Sự ghép đôi của các electron không diễn ra cho đến khi tất cả các obitan nguyên tử hoặc phân tử được chiếm giữ riêng lẻ.

Xem thêm: 

Fomo là gì? Hội chứng nguy hiểm của xã hội hiện đại

Nhân hóa là gì? Cách áp dụng trong văn học

Cách xem cấu hình laptop nhanh nhất

0 0 votes
Article Rating
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments

Khoa Y Dược Hà Nội tuyển sinh chính quy

Bài viết mới nhất

Thi trắc nghiệm online
https://tintuctuyensinh.vn/wp-content/uploads/2022/01/AD-THU-MUA-LAI-COIN-TU-DO-GIAO-DICH-MUA-BAN-2-min.png
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x