Wat is de moleculaire orbitale theorie?

Moleculaire orbitale theorie, of MO -theorie, is een methode om de binding tussen atomen te verklaren in termen van elektronen die worden verspreid rond een molecuul in plaats van gelokaliseerd rond de atomen, in tegenstelling tot valentie -bindingstheorie of VB -theorie. Elektronen in atomen zijn gerangschikt in orbitalen binnen subshells in schalen. Als algemene regel zijn het de elektronen in de orbitalen binnen de buitenste schaal die betrokken zijn bij chemische binding, hoewel er hierop uitzonderingen zijn. Een orbitaal kan maximaal twee elektronen bevatten, die tegengestelde spins moeten hebben. In de moleculaire orbitale theorie, wanneer twee atomen een chemische binding vormen, combineren de atomaire orbitalen van de bindingselektronen om moleculaire orbitalen te produceren met vergelijkbare regels met betrekking tot het aantal en spin van de elektronen.

elektronen, zoals alle subatomaire deeltjes, kunnen zich gedragen als golven. In plaats van op een bepaald tijdstip een duidelijk punt in de ruimte in te nemen, wordt een elektron verspreid over al zijn mogelijke locaties rond de atoomkern en zijnPositie kan alleen worden uitgedrukt in termen van waarschijnlijkheid. Een vergelijking ontwikkeld door de natuurkundige Erwin Schrodinger kan worden gebruikt om de "golffunctie" van een atoom orbitaal te bepalen, waardoor de kans wordt gebracht een elektron te vinden op verschillende locaties rond de kern in termen van een elektronendichtheidsverdeling. Moleculaire orbitale theorie verklaart atomaire binding door de golffuncties toe te voegen van de atomaire orbitalen die betrokken zijn bij binding om de golffuncties te geven voor moleculaire orbitalen die het gehele molecuul omvatten.

Omdat de golffunctievergelijking zowel positieve als negatieve waarden, bekend als fasen, wordt geproduceerd, worden twee moleculaire orbitalen geproduceerd. In de eerste worden de atomaire orbitalen toegevoegd in fase-positief tot positief en negatief tot negatief. Het tweede type is er een waar ze uit de fase zijn-negatief-naar-positief en positief tot negatief.

De in fase toevoeging geeft een moleculaireOrbitaal met de elektronendichtheid geconcentreerd in de ruimte tussen de kernen, waardoor ze dichter bij elkaar komen en resulteren in een configuratie met een lagere energie dan de twee originele atoomorbitalen gecombineerd. Dit staat bekend als een binding orbital. De toevoeging uit de fase resulteert in de elektronendichtheid die wordt geconcentreerd weg van de ruimte tussen de kernen, waardoor ze verder uit elkaar worden getrokken en een configuratie produceren met een hoger energieniveau dan de atomaire orbitalen. Dit staat bekend als een anti-bindend orbitaal. Elektronen van de atomaire orbitalen die betrokken zijn bij de binding zullen de voorkeur geven aan de moleculaire orbitalen van de lagere energiebinding.

Om de aard van de binding tussen twee atomen te bepalen, wordt de "bindingsvolgorde" berekend als: (bindingselektronen-anti-bindende elektronen)/2. Een obligatiebelasting van nul geeft aan dat er geen binding zal plaatsvinden. Ter vergelijking: een obligatiebelasting van 1 geeft een enkele binding aan, waarbij 2 en 3 respectievelijk dubbele en drievoudige bindingen aangeeft.

Als een heel eenvoudig voorbeeld,De binding van twee waterstofatomen kan worden beschreven in termen van moleculaire orbitale theorie. Elk atoom heeft slechts één elektron, normaal gesproken in de laagste energie -orbitale. De golffuncties van deze orbitalen worden toegevoegd, waardoor een binding en een anti-bindend orbitaal worden gegeven. De twee elektronen vullen de lagere energiebinding orbital, zonder elektronen in het anti-bindende orbitaal. De bestelling van de obligatie is daarom (2 - 0)/2 = 1, waardoor een enkele binding wordt gegeven. Dit is in overeenstemming met de VB -theorie en met observatie.

De interactie van twee atomen van het volgende element in het periodieke tabel, helium, geeft een ander resultaat omdat er twee elektronen in een orbitaal in elk heliumatoom zijn. Wanneer de golffuncties worden toegevoegd, worden een binding en een anti-bindend orbitaal geproduceerd, zoals bij waterstof. Deze keer zijn er echter vier elektronen bij betrokken. Twee elektronen vullen de binding orbital en de andere twee zullen de hogere energie-anti-bindende orbitaal moeten vullen. De bestelling van de obligatie is deze keer (2 - 2)/2 = 0, dus geen binding wik zal plaatsvinden. Nogmaals, dit komt overeen met de VB -theorie en met observatie: helium vormt geen moleculen.

Moleculaire orbitale theorie voorspelt ook correct dubbele en drievoudige bindingen voor respectievelijk zuurstof en stikstofmoleculen. In de meeste gevallen zijn de MO -theorie- en valentiebindingstheorie in overeenstemming; De eerste verklaart echter beter moleculen waarbij de bindingsorder ligt tussen een enkele en een dubbele binding en de magnetische eigenschappen van moleculen. Het belangrijkste nadeel van de moleculaire orbitale theorie is dat, behalve voor zeer eenvoudige gevallen zoals die hierboven, de berekeningen veel gecompliceerder zijn.