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