Thuyết obitan phân tử

Thuyết obitan phân tử (phương pháp MO) Thuyết VB (obitan nguyên tử) cho một hình ảnh cụ thể định tính, định lượng sự hình thành liên kết cộng hóa trị, giải thích một số đặc tính của liên kết cộng hóa trị hóa trị nguyên tố, tính định hướng của liên kết cộng hóa trị, cấu hình lập thể của phân tử, độ bền phân tử, bậc liên kết, lượng liên kết Tuy nhiên thuyết VB không giải thích được sự hình thành các hệ mà liên kết được tạo bởi số lẻ electron, không phải cặp electron Chẳng hạn ion H 2+, Ngoài thuyết VB còn gặp khó khăn giải thích quá trình ion hóa các phân tử, quang phổ phân tử phân tử bị kích thích, tính chất từ của phân tử, Do những hạn chế của thuyết VB nên xuất hiện một trường phái khác cũng xuất phát từ phương pháp học lượng tử giải thích bản chất của liên kết cộng hóa trị Đó là phương pháp tổ hợp tuyến tính các obitan phân tử, gọi là phương pháp LCAO (gọi tắt là thuyết MO) 1) Luận điểm bản của thuyết MO Có thể tóm tắt những nội dung bản của thuyết MO thành các luận điểm sau: - Liên kết cộng hóa trị được hình thành sự phân bố các electron hóa trị của các nguyên tử tham gia liên kết các MO Các MO được tạo từ sự tổ hợp tuyến tính các AO, và bằng số AO tổ hợp - Tùy thuộc điều kiện tổ hợp có thể tạo nên: + MO liên kết có lượng thấp lượng của các AO tổ hợp + MO phản liên kết có lượng cao lượng của các AO tổ hợp + MO không liên kết có lượng bằng lượng của các AO tổ hợp Elk(cộng hóa trị) = EAO - EMolk Bậc liên kết p = - Điều kiện tạo thành các MO liên kết: + Các AO tham gia tổ hợp phải có lượng tương đương + Các AO phải có khả xen phủ cực đại + Các AO phải cùng tính chất đối xứng với trục liên kết và cùng dấu xen phủ - Tùy theo tính đối xứng của các MO đối với trục liên kết và khả tổ hợp các AO có thể tạo thành các MO xích ma (σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có), MO denta (δ), Các MO cũng có), Các MO cũng có dạng liên kết, phản liên kết, không liên kết - Sự phân bố electron hóa trị các MO tuân theo nguyên lý Pauli và qui tắc Hund và dãy thứ tự lượng các MO σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có1ss < σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có*1ss < σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có2s < σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có*2s < σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có2px < π), MO denta (δ), Các MO cũng có2py = π), MO denta (δ), Các MO cũng có2pz < π), MO denta (δ), Các MO cũng có*2py = π), MO denta (δ), Các MO cũng có*2pz < σ), hoặc MO pi (π), MO denta (δ), Các MO cũng có*2px 2) Phương pháp tổ hợp tuyến tính các AO Xét phân tử gồm hai nguyên tử 1s và - Khi electron chuyển động gần nguyên tử 1s, nó chịu tác động chủ yếu của nguyên tử 1s, đặc trưng bằng hàm sóng Ψ1s đồng thời cũng chịu sự tác động của nguyên tử nên phải có hệ số bổ sung vào biểu thức xác định MO, tương tự vậy với nguyên tử ta có Ψ - MO được coi là tổ hợp tuyến tính của các Ψ 1s và : Ψ = C1s Ψ1s + C2 Ψ2 (C1s, C2 là hệ số bổ sung , hệ số tỉ lệ) - Giải phương trình Schrodinger ta tìm được E, Ψ - Vì nguyên tử phân tử giống nhau, lúc đó sự tổ hợp n AO sẽ cho n/2 MO liên kết có lượng thấp lượng các AO đem tổ hợp và n/2 MO phản liên kết (kí hiệu MO*) có lượng cao lượng các AO đem tổ hợp Orbital phân tử 38 ngôn ngữ Bài viết Thảo luận Đọc Sửa đổi Sửa mã nguồn Xem lịch sử       Thêm  Bách khoa tồn thư mở Wikipedia Bạn có tin nhắn (thay đổi gần đây) Tập hợp orbital phân tử acetylen (H–C≡C–H) Bên trái MO trạng thái bản, với quỹ đạo lượng thấp Đường màu trắng màu xám nhìn thấy số MO trục phân tử qua hạt nhân Các hàm sóng orbital dương vùng màu đỏ âm màu lam Cột bên phải cho thấy MO ảo bị trống rỗng trạng thái nền, bị chiếm trạng thái kích thích Trong hóa học orbital phân tử (tiếng Anh: molecular orbital, viết tắt: MO) hàm số tốn học mơ tả dáng điệu tựa sóng điện tử phân tử Hàm số sử dụng để tính tốn tính chất hóa học vật lý xác suất tìm electron vùng cụ thể Thuật ngữ orbital Robert S Mulliken đề xuất năm 1932 viết tắt cho hàm số sóng orbital cho electron [1] Ở mức bản, sử dụng để mơ tả vùng khơng gian hàm số có biên độ đáng kể Các orbital phân tử thường xây dựng cách kết hợp quỹ đạo nguyên tử orbital lai từ nguyên tử phân tử, orbital phân tử khác từ nhóm nguyên tử Chúng định lượng cách sử dụng phương pháp Hartree-Fock hay phương pháp trường tự tương hợp (tạm dịch: SCF, self-consistent field) Tổng quan[sửa | sửa mã nguồn] Một orbital phân tử (MO) sử dụng để biểu diễn vùng phân tử nơi điện tử chiếm orbital tìm thấy Orbital phân tử thu từ kết hợp orbital ngun tử, mà dự đốn vị trí điện tử nguyên tử Một orbital phân tử xác định cấu hình electron phân tử: phân bố không gian lượng (hoặc cặp) electron Thông thường orbital phân tử thể tổ hợp tuyến tính quỹ đạo nguyên tử (phương pháp LCAO-MO), đặc biệt việc sử dụng định tính xấp xỉ gần Chúng có giá trị việc cho mơ hình đơn giản liên kết phân tử, hiểu qua lý thuyết orbital phân tử Hầu hết phương pháp ngày Hóa học tính tốn bắt đầu cách tính orbital phân tử hệ thống Một orbital phân tử mô tả hành vi điện tử trường điện tạo hạt nhân số phân bố trung bình electron khác Trong trường hợp có hai điện tử chiếm orbital, nguyên lý Pauli địi hỏi chúng phải có spin ngược Điều cần thiết, mơ tả xác cao hàm sóng điện tử phân tử khơng có orbital (xem tương tác cấu hình) Orbital nguyên tử 71 ngôn ngữ       Bài viết Thảo luận Đọc Sửa đổi Sửa mã nguồn Xem lịch sử Thêm  Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Orbital nguyên tử (tiếng Anh: atomic orbital, viết tắt AO) hay obitan nguyên tử, đám mây nguyên tử, quỹ vực nguyên tử hàm tốn học mơ tả lại trạng thái sóng điện từ electron.[1] Hàm dùng để tính tốn xác suất tìm thấy electron nguyên tử chỗ bao quanh không gian hạt nhân nguyên tử Những hàm cung cấp biểu đồ (đồ thị) ba chiều vị trí có khả có electron Giới hạn xác định theo vùng vật chất từ hàm mà có khả tìm electron [2] Một cách cụ thể hơn, orbital nguyên tử có trạng thái lượng tử cá nhân electron tập hợp electron bao quanh đơn nguyên tử, mô tả từ hàm quỹ đạo (orbital function) Mặc dù điều giống với hành tinh quay xung quanh Mặt trời, electron mô tả hạt rắn có tên gọi orbital ngun tử Từ trước, người nghĩ quỹ đạo nguyên tử tương tự quỹ đạo hình elip hành tinh Một cách nói xác đám bụi lớn thường có khí với hình thù kì quặc (là tập hợp hạt electron), phân bố xung quanh hành tinh tương đối nhỏ (là hạt nhân ngun tử) Nếu xác orbital ngun tử mơ tả hình dạng bầu khí electron độc thân (single ectron) có mặt nguyên tử Khi có nhiều electron thêm vào nguyên tử độc thân, bổ sung thêm electron tạo nên đồng để lấp đầy vùng không gian xung quanh hạt nhân (đôi gọi "đám mây electron" nguyên tử[3]) dẫn đến khối hình cầu xác suất tìm thấy electron ngày lớn Electron nguyên tử orbital phân tử Biểu đồ orbital (trái) xếp mức lượng tăng Lưu ý orbital nguyên tử hàm ba tham số biến (2 độ, khoảng cách đến hạt nhân, r) Những hình ảnh mơ tả thành phần orbital, khơng hồn tồn mơ tả lại orbital cách tồn diện orbital ngun tử hydro có n=6, l=0, m=0 Ý tưởng đưa điều electron quay xung quanh hạt nhân xác định với thuyết mô men động lượng Niels Bohr vào năm 1913,[4] nhà vật lý người Nhật Bản Hantaro Nagaoka đưa giả thuyết chuyển động electron từ sớm vào năm 1904.[5] Tuy nhiên, giả thuyết không chấp nhận năm 1926 có giả thuyết từ phương trình Schrưdinger sóng trạng thái electron nguyên tử cung cấp số hàm cho orbital đại (modern orbitals).[6] Do khác biệt với loại quỹ đạo cổ điển, thuật ngữ "quỹ đạo" (orbit) electron nguyên tử thay thuật ngữ "orbital" (orbital, loại tính từ), từ đặt nhà hoá học Robert Mulliken vào năm 1932 [7] Orbital nguyên tử thường mô tả giống hàm sóng (wave functions) kiểu hydro (nghĩa electron) qua không gian, phân loại theo n, l, m số lượng tử, tương ứng với lượng electron, mô men động lượng phương mô men động lượng, tuỳ theo Mỗi orbital xác định theo số lượng tử khác có tối đa hai electron Có tên gọi đơn giản orbital s, orbital p, orbital d, orbital f tham gia vào loại orbital (orbitals) số lượng tử mô men động lượng l = 0, 1, theo tương ứng Những loại tên hình dạng orbital sử dụng để diễn tả cấu hình nguyên tử hình bên phải Các ký tự s, p, d, f bắt nguồn từ đặc tính dịng quang phổ chúng: sharp (sắc nét), principal (chính, chủ yếu), diffuse (tán xạ), fundamental (cơ bản, sở), phần lại đặt theo bảng chữ alphabe (ngoại từ ký tự j) [8][9] Từ khoảng năm 1920, trước học lượng tử đại quy tắc aufbau đời nguyên tử tạo dựng nên từ cặp electron, xếp đơn giản lặp lặp lại theo mơ hình số lẻ (1, 3, 5, ), gợi lên Niels Bohr số người tham gia khác có chút giống với orbital nguyên tử cấu hình electron nguyên tử phúc tạp Trong toán học vật lý nguyên tử, dùng để giới thiệu hàm điện tử hệ thống phức tạp vào kết hợp với đơn giản orbital nguyên tử Mặc dù electron đa electron nguyên tử không giới hạn hai electron nguyên tử, cịn hàm sóng lượng tử bị phá vỡ orbital nguyên tử Mây electron nguyên tử hydro trạng thái tập trung vùng khơng gian có dạng hình cầu bán kính trung bình 0,053 nm.[10] Các tên orbital[sửa | sửa mã nguồn] Những loại orbital ký hiệu tên sau: X mức lượng tương ứng với lượng tử số n (principal quantum number), type ký tự không viết hoa để hình dạng lớp phân vỏ orbital tương ứng với số lượng tử góc, l, y số electron orbital Ví dụ, orbital 1s2 có hai electron mức lượng thấp (n = 1) Trong phần ký hiệu X, lượng tử số thị ký tự liên kế với Đối với n = 1, 2, 3, 4, 5, , ký tự liên kết với số K, L, M, N, O, theo tương ứng orbital 1s2 có nghĩa lớp 1, phân lớp s có electron Định nghĩa học lượng tử[sửa | sửa mã nguồn] Trong học lượng tử, trạng thái nguyên tử, tức trạng thái riêng nguyên tử Hamilton, mở rộng vào tổ hợp tuyến tinh sản phẩm theo nguyên tắc phản đối xứng hàm electron riêng biệt Các thành phần có khơng gian hàm electron riêng biệt gọi orbital nguyên tử (Khi xét qua thành phần spin (quay), cách nói khác orbital nguyên tử spin) Trong vật lý nguyên tử, vòng quang phổ nguyên tử tương ứng với trình chuyển đổi (bước nhảy lượng tử) trạng thái lượng tử nguyên tử Các trạng thái ký hiệu tập hợp số lượng tử tóm tắt biểu tượng thuật ngữ thường liên quan đến cấu hình đặc biệt electron Số lượng tử[sửa | sửa mã nguồn] Không thể sử dụng vị trí động để mơ tả chuyển động electron xung quanh hạt nhân chúng mang chất học lượng tử Thay vào chúng mơ tả nhóm số lượng tử bảo gồm tính chất sóng tính chất hạt electron Mỗi orbital nguyên tử xác định ba giá trị ba số lượng tử Mỗi ba giá trị xác định orbital, số lượng tử xuất theo giá trị định Các số lượng tử tuân theo quy luật sau đây: Số lượng tử n xác định lượng electron số nguyên dương n số nguyên dương nào, số lớn bắt gặp lý trình bày bên Nói chung nguyên tử, giá trị n ứng với nhiều orbital Những orbital gọi chung lớp vỏ electron Số lượng tử xung lượng l xác định moment góc electron orbital số nguyên không âm Trong lớp vỏ electron (n = n0), l lấy giá trị nguyên thỏa mãn