Molekylorbitaler
Matti Hotokka
Betrakta två väteatomer
+ →
+ →
)(1 As
)(1 As )(1 Bs
)(1 Bs
)()( 11 BA ss
)()(' 11 BA ss
Vätemolekylens molekylorbitaler
När atomerna bildar en molekyl smälter elektronhöljen ihop
Molekylens elektrontäthet är summan av båda atomernas elektrontätheter
Om atomernas elektronhöljen har motsatta förtecken får man skillnaden
Summa och skillnad kallas lineär kombination i matematiken
Därav MO-LCAO
MO-LCAO = Molecular Orbital is a Linear Combination of Atomic Orbitals
Molekylorbitalenergier
ψ
Ψ’
J
-2.18x10-18
-2.59x10-18
1.16x10-18
φ1s(A) Φ1s(B)
Tvåatomiga molekyler
Atom A Atom BMolekyl
1s 1s1σu
1σg
2s 2s
2p 2p
2σu
2σg
3σu
3σg
1πu
1πg
E
Syremolekylen
1σ-orbitalerna
Bildas enligt MO-LCAO principen
Atomorbitalliknande
1σg
1σu
120.8 pm
Syremolekylen
2σg
2σu
[2s+2s
W. L. Jorgensen och L. Salem, The organic chemist’s book of orbitals, Academic Press, London, 1973.
Syremolekylen
3σg
3σu
[2pz+2pz
Syremolekylen
1πu
1πg
[2px+2px, 2py+2py
Syremolekylen
Atom A Atom BMolekyl
1s 1s1σu
1σg
2s 2s
2p 2p
2σu
2σg
3σu
3σg
1πu
1πg
E
Elektroner
ElektronkonfigurationHur många elektroner i varje orbital
T.ex. O2, syremolekylen med 16 elektroner
Paulis uteslutningsprincipTvå elektroner kan inte ha samma fyra kvanttal
Därför kan man placera max två elektroner i en orbital(en α- och en β-elektron) (fyra i en π-orbital i en tvåatomig molekyl ty den består av två komponenter)
Aufbau-princip
02422222
2 )3()1()1()3()2()2()1()1(: ugugugugO
Elektronkonfiguration
ψ
Ψ’
φ1s(A) Φ1s(B)
Vätemolekyl
E
Molekylens energi
Varje elektron bidrar till energin
Nä, inte riktigt en enkel summa
Vätemolekylen är stabil
Båda elektronerna vinner energi då de placeras i molekylorbitalen jämfört med atomorbitalerna
Naturen vinner energi genom att bilda en molekyl i stället för att ha två separata atomer
Dissocieringsenergi 458 kJ/mol (7.62x10-19 J)
Elektronkonfiguration
ψ
Ψ’
φ1s(A) Φ1s(B)
Heliummolekyl
Molekylens energi
Heliummolekylen existerar inteDen bindande molekylorbitalen ψ är energetiskt
fördelaktig, den repellerande molekylorbitalen ψ’ är ofördelaktig
Den repellerande effekten är starkare än den bindande
Ju mera elektroner i den repellerande orbitalendesto svagare bindning
I helium är det energetiskt fördelaktigare att ha två atomer i stället för en molekyl
Elektronkonfiguration
Atom A Atom BMolekyl
1s 1s1σu
1σg
2s 2s
2p 2p
2σu
2σg
3σu
3σg
1πu
1πg
SyremolekylE
Valensorbitaler
Molekylens (eller atomens) orbitaler delas i två grupper
De inre orbitalernas (core orbital) orbitalenergierär så låga, att elektronerna i dem inte deltar i kemin. Molekylorbitalerna liknar till orbitalenerginoch formen långt atomorbitaler
Valensorbitalerna (valence orbitals) bildar kemiska bindningar
Gränsen mellan grupperna är inte skarp
Syremolekylen
Atom A Atom BMolekyl
1s 1s1σu
1σg
2s 2s
2p 2p
2σu
2σg
3σu
3σg
1πu
1πg
E
Inre
Valens
Molekylens energi
Bindningens styrka
Ju mera elektroner i de bindande orbitalernadesto starkare bindning och stabilare molekyl
Ju mera elektroner i de repellerande orbitalernadesto svagare bindning och desto mera reaktiv molekyl
Jämför molekylerna i serien Li2, Be2, B2, C2, N2, O2, F2, Ne2
Fleratomiga molekyler: Eten
1au
1ag
2au
2ag
3au
1b3u
4ag
3ag
1b2g
1b2u
1b3g
2b3u
4au
2b2g
2ag
1b3u
1ag
1au
2au
3ag
1b2g
1b2u
1b3g
2b3u
Sigma och pi
I organisk kemi kallas bindningar sigma eller pi
Orsak: man tänker en bindning som en liten tvåatomig molekyl inom molekylen
I tvåatomiga molekyler har man på riktigt sigma-och pi-bindningar. Sigma liknar en korv och pi liknar en semla
σπ
Sigma och sigma-stjärna
Av två atomorbitaler kan bildas två molekylorbitaler
Plus-pluskombinationen stärker bindningen. En sådan orbital kallas bindande
Plus-minuskombinationen försvagar bindningen. En sådan orbital kallas repellerande
De repellerande orbitalerna betecknas med en stjärna
+ →
+ →
σ
σ*
Sigma och pi
1au
1ag
2au
2ag
3au
1b3u
4ag
3ag
1b2g
1b2u
1b3g
2b3u
4au
2b2g
2ag
1b3u
1ag
1au
2au
3ag
1b2g
1b2u
1b3g
2b3u
π
σσσσσ
σ*
π*
σ*σ*
σ*σ*
Hybridorbitaler
Atomorbitaler på ett annat sättRäknas med MO-LCAO principen
Modell men en användbar sådan. Bör användas alltid när den hjälper kemisten att förstå och planera
Molekylorbitaler bildas genom att addera ihop atomorbitaler. I summan ingår olika atomorbitalerfrån samma atom. Hybridorbitaler bildas så, att de atomorbitaler, som ingår i molekylorbitalen, i förväg kombineras på rätt sätt.
Hybridorbitaler
Betrakta C-H orbitalen 1b3u i eten
)6()5()2()2()2(
)4()3()1()1()1(1
11222
112223
sspps
ssppsu
HHCCC
HHCCCb
yx
yx
Hybridorbitaler
En 2s och en 2p atomorbital kan kombineras till en hybridorbital på två olika sätt
Hybridorbitaler
Kolatomens sp hybridisering
Kolatomens valensatomorbitaler är
• 2s, 2px, 2py, 2pz
Då 2s och 2pz orbitalerna kopplas till två hybridorbitaler blir 2px och 2py över och bildar sina egna molekylorbitaler
Hybridorbitaler
Kolatomernas sp hybridorbitaler i etyn
Hybridorbitaler
Kolatomens sp2 hybridisering
Då man kombinerar 2s, 2px och 2py orbitaler får man tre hybridorbitaler
Orbitalen 2pz för sitt eget liv
Hybridorbitaler
Kolatomens tre sp2 hybridorbitaler kan delta i tre σ-bindningar. Den återstående 2pz-atomorbitalen deltar i en π-bindning
Hybridorbitaler
Kolatomens fyra sp3 hybridorbitaler kan delta i fyra σ-bindningar.
C
Hybridorbitaler
Även andra atomer kan beskrivas med hybridorbitaler
Syreatomen är
• sp2 hybridiserad i formaldehyd
• sp3 hybridiserad i vattenmolekylen