Новости
  • Тренировка у Guillaume Lorentz, Париж, Франция

    Тренировка у Guillaume Lorentz, Париж, Франция

    Наша ученица Настя Цехмейструк, отдохнув в Париже, совместила приятное с еще более... 
    Читать полностью

  • Adrenaline фестиваль, Киев

    Adrenaline фестиваль, Киев

    6 октября в Киеве прошел фестиваль Adrenaline, который представлял собой отборочный тур... 
    Читать полностью

  • Melpo Melz

    Melpo Melz

    Шведская танцовщица и исполнительница дансхолла  Читать полностью →

НОУ ІНТУЇТ | лекція | Властивості молекул, що лежать в основі молекулярної елементної бази інформатики

  1. молекулярні орбіталі При зближенні атомів починають сильно взаємодіяти лише зовнішні атомні орбіталі,...
  2. Гібридизація атомних орбіталей

молекулярні орбіталі

При зближенні атомів починають сильно взаємодіяти лише зовнішні атомні орбіталі, зайняті електронами. Роль внутрішніх електронних оболонок зводиться в основному до того, що вони частково екранують позитивно заряджені ядра атомів, зменшуючи силу їх кулонівського відштовхування.

У першому наближенні вважається, що хвильові функції У першому наближенні вважається, що хвильові функції   і   електронів, відповідні атомним орбиталям, які почали перекриватися, підсумовуються або віднімаються, утворюючи замість двох АТ дві молекулярні орбіталі (далі - МО, англ і електронів, відповідні атомним орбиталям, які почали перекриватися, підсумовуються або віднімаються, утворюючи замість двох АТ дві молекулярні орбіталі (далі - МО, англ. molecular orbital) з хвильовими функціями:

Розглянемо, наприклад, взаємодія двох атомів водню (електронна конфігурація кожного з них 1s), умовно показане на Мал. 3.3 . Зліва показані два атома водню до початку взаємодії: вгорі - атомні ядра і розмиті електронні хмари навколо них - Розглянемо, наприклад, взаємодія двох атомів водню (електронна конфігурація кожного з них 1s), умовно показане на   Мал орбіталі; внизу - схематичне розподіл електронної щільності. Положення атомних ядер показано темними точками. АТ майже не перекриваються і не взаємодіють. У центрі показаний результат взаємодії, коли ядра вже зблизилися, їх АТ сильно перекриваються, і хвильові функції -електронів підсумовуються. Навколо ядер атомів виникає загальне для них електронну хмару - молекулярна орбіталь, що має найбільшу щільність між ядрами, яка і стягує позитивно заряджені ядра. Енергія електронів на цій МО виявляється менше суми енергій електронів на розрізнених АТ. Тому ця МО є енергетично вигідною і називається "зв'язує" (англ. "Bonding") молекулярної орбиталью.


Мал.3.3.

Зліва - атомні орбіталі водню до взаємодії; в центрі - зв'язує молекулярна орбіталь; праворуч - розпушуються (антісвязивающая) МО

Справа показаний результат взаємодії в разі, коли хвильові функції Справа показаний результат взаємодії в разі, коли хвильові функції   -електронів віднімаються -електронів віднімаються. Максимальна щільність електронної хмари досягається тут поза ядер, що сприяє електричному розштовхування атомів. Таку МО називають "розпушує" або антісвязивающей (англ. "Antibonding").

Освічена молекула водню Освічена молекула водню   є типовим прикладом ковалентного хімічного зв'язку, коли атоми утримуються разом в молекулі завдяки загальній парі електронів на енергетично вигідною зв'язує МО з максимальною щільністю негативного електричного заряду між ядрами є типовим прикладом ковалентного хімічного зв'язку, коли атоми утримуються разом в молекулі завдяки загальній парі електронів на енергетично вигідною зв'язує МО з максимальною щільністю негативного електричного заряду між ядрами. Щоб роз'єднати атоми, треба затратити певну енергію, яку називають енергією хімічного зв'язку.

Зовсім інша картина спостерігається при зближенні атомів гелію (електронна конфігурація 1s2). Навколо ядер тут знаходяться по два Зовсім інша картина спостерігається при зближенні атомів гелію (електронна конфігурація 1s2) -Електронна. При утворенні молекулярних орбіталей два з них займають зв'язує МО, а інші два змушені зайняти енергетично не вигідну розпушують МО. Через це виграш в енергії не досягається, і молекула не утворюється.

Проміжний випадок маємо при взаємодії атома гелію з атомом водню. Разом у них є 3 валентних електрона. Два з них займають зв'язує МО, а третій змушений зайняти розпушують МО. Досягається невеликий виграш в енергії. Тому молекула Проміжний випадок маємо при взаємодії атома гелію з атомом водню утворюється і може стабільно існувати в певних умовах. Однак вона недостатньо стійка і, наприклад, при кімнатних температурах швидко розвалюється.

Стійка ковалентний хімічний зв'язок між атомами може утворитися тільки тоді, коли вони мають не повністю заповнені зовнішні електронні подоболочки.

У деяких публікаціях АТ, що відрізняються лише квантовим числом, вважають однією АТ і кажуть, що на ній може знаходитися пара електронів з протилежно орієнтованими спинами або один електрон, який називають неспареним. Тоді кажуть, що "ковалентні хімічні зв'язки між атомами можуть утворити лише неспарені валентні електрони". Такий погляд не є точним. Адже АТ, які відрізняються лише квантовим числом, є однаковими тільки при відсутності зовнішнього електромагнітного поля. А це - окремий випадок. Зазвичай зовнішні електромагнітні поля завжди є (хоча б магнітне і електричне поля Землі, електромагнітне поле того середовища, в якій знаходиться атом). У електронів в станах, що відрізняються квантовим числом, власні магнітні моменти орієнтовані в протилежні сторони. Тому із зовнішнім електромагнітним полем вони взаємодіють по-різному, і відповідні АТ деформуються в зовнішньому полі по-різному. Це вже явно різні атомні орбіталі. Електронам на цих орбіталях відповідають кілька різних значень енергії, - це відомі із загального курсу фізики ефекти Штарка і Зеемана. Отже, краще, точніше з самого початку вважати АТ, що відрізняються квантовим числом, різними АТ, розуміючи, що за певних умов вони можуть і не відрізнятися.

на Мал. 3.4 показані приблизні форми зв'язують МО, які утворюються при хімічній взаємодії атомів в результаті перебудови на   Мал - і - атомних орбіталей. Вгорі показаний випадок, коли взаємодіють і перебудовуються дві орбіталі, посередині - випадок, коли взаємодіють і перебудовуються одна - і одна - атомні орбіталі, внизу - випадок, коли взаємодіють і перебудовуються дві орбіталі.


Мал.3.4.

Приблизні форми зв'язують молекулярних орбіталей, що утворюються в результаті взаємодії і перебудови s- і p- атомних орбіталей. Жирними точками вказані положення кістяка атомів

Якщо молекула утворюється з однакових атомів, то загальна електронна пара (МО) є симетричною щодо їх ядер. Якщо ж молекула утворюється з різних атомів, то МО не є симетричною. Щільність МО більше біля того ядра, яке має більшу спорідненість з електроном. Наприклад, в молекулах типу Якщо молекула утворюється з однакових атомів, то загальна електронна пара (МО) є симетричною щодо їх ядер щільність МО значно більше біля ядра галогену.

Молекулярні орбіталі при кратних хімічних зв'язках

Атоми можуть об'єднуватися не однієї, а двома або трьома парами загальних електронів. Наприклад, два атома азоту N (електронна конфігурація Атоми можуть об'єднуватися не однієї, а двома або трьома парами загальних електронів ) Об'єднуються в молекулу за допомогою трьох пар р-електронів ( Мал. 3.5 ).

АТ, орієнтовані вздовж осі ОХ ( АТ, орієнтовані вздовж осі ОХ (   ), Що проходить через центри ядер, перекриваються найсильніше і утворюють зв'язує молекулярну орбіталь ), Що проходить через центри ядер, перекриваються найсильніше і утворюють зв'язує молекулярну орбіталь . АТ і , Орієнтовані ортогонально до напрямку зв'язку, перекриваються менше і утворюють зв'язують молекулярні орбіталі і з максимальною щільністю електронного хмари поза осі молекули.

на Мал. 3.5 праворуч показана лише на   Мал , Яка складається з двох симетричних частин електронного хмари - над і під віссю ОХ. аналогічно , Яка для спрощення на малюнку не показана, складається з двох симетричних частин електронного хмари перед і за площиною малюнка. Хімічні зв'язки, утворені парами електронів на молекулярних орбіталях і , Помітно слабкіше, ніж хімічний зв'язок, що утворюється парою електронів на MOX. Темними точками умовно показані "остови" атомів азоту - ядро ​​атома з внутрішньої електронної оболонкою і -подоболочкой 2-й оболонки. Ці "остови" практично не змінюються при утворенні молекули азоту .

Зв'язують МО, в яких максимум електронної щільності досягається на прямій, що сполучає ядра атомів, називають Зв'язують МО, в яких максимум електронної щільності досягається на прямій, що сполучає ядра атомів, називають   - зв'язками, а МО, в яких максимум електронної щільності досягається поза цією прямою, -   - зв'язками - зв'язками, а МО, в яких максимум електронної щільності досягається поза цією прямою, - - зв'язками.

У з'єднаннях металів з неметалами говорять про "іонному" типі хімічного зв'язку. За класичним уявленням при цьому валентні електрони переходять від атома металу до атома неметалла. Це виявляється енергетично вигідним, оскільки зовнішні електронні оболонки обох атомів стають "заповненими" - як у атомів інертного газу. Утворилися негативний і позитивний іони електрично притягуються, що і створює "іонну зв'язок". Але "класичний" погляд на іонну хімічний зв'язок не є точним. Насправді мова йде лише про ймовірність перебування валентних електронів біля одного з іонів. Хвильова функція валентних електронів, розташованих в основному біля остова неметалла, не дорівнює нулю також і в околиці остова атома металу. Але головне те, що максимум щільності МО знаходиться між "остовами" атомів. Тобто і тут мова йде про освіту пов'язують МО, а іонна зв'язок є частково і ковалентного. Хоча точніше сказати, що іонна зв'язок є ідеальним крайнім випадком ковалентного, коли щільність МО біля катіона прагне до нуля.

Хоча і прийнято говорити, що "молекули складаються з атомів", насправді вони завжди складаються з позитивно заряджених катіонів, які ми вище назвали "остовами", і негативно заряджених електронів на молекулярних орбіталях, що пов'язують ці остови. Наприклад, молекула азоту складається з двох іонів азоту Хоча і прийнято говорити, що молекули складаються з атомів, насправді вони завжди складаються з позитивно заряджених катіонів, які ми вище назвали остовами, і негативно заряджених електронів на молекулярних орбіталях, що пов'язують ці остови і трьох пар електронів на зв'язуючих МО ( , і ); молекула води складається з двох іонів (Протонів) і одного іона і з двох пар електронів у вигляді двох зв'язують МО.

Гібридизація атомних орбіталей

Якщо у атома на зовнішній електронній оболонці є Якщо у атома на зовнішній електронній оболонці є   - і   -Електронна, то квантова механіка допускає можливість утворення гібридних   -орбіталей - і -Електронна, то квантова механіка допускає можливість утворення "гібридних" -орбіталей. Енергія електрона на sр-орбіталі трохи вище, ніж енергія на орбіталі, але нижче, ніж енергія на орбіталі. Число утворених гібридних орбіталей завжди дорівнює числу вихідних АТ.

Наприклад, у атома берилію ( Наприклад, у атома берилію (   , Електронна конфігурація   ) На зовнішній електронній оболонці знаходяться два   -Електронна , Електронна конфігурація ) На зовнішній електронній оболонці знаходяться два -Електронна. В такому стані атом берилію не може утворити ковалентні хімічні зв'язки (оскільки обидві орбіталі зайняті електронами). Однак в комбінації з однією з незайнятих -орбіталей при витратах відносно невеликий енергії можливе утворення двох гібридних -орбіталей. Їх спрощена форма показана на Мал. 3.6 праворуч.


Мал.3.6.

Гібридизація s- і p-орбіталей: зліва показані дві вихідні, а праворуч - дві сформовані гібридні sр-орбіталі

Кожна з цих орбіталей асиметрична, вони дзеркально симетричні і орієнтовані назустріч під кутом Кожна з цих орбіталей асиметрична, вони дзеркально симетричні і орієнтовані назустріч під кутом   (Через взаємну кулонівського відштовхування) (Через взаємну кулонівського відштовхування). В такому стані атом берилію (електронна конфігурація ) Стає хімічно активним і утворює зв'язують МО, наприклад, з двома атомами хлору. При цьому виникає "лінійна" молекула зі структурною формулою , В якій ковалентні хімічні зв'язки розташовуються уздовж однієї прямої.

У атома бору ( У атома бору (   , Електронна конфігурація   ) Під час хімічних реакцій при невеликих витратах енергії відбувається гібридизація однієї s-орбіталі з двома   -орбіталей, умовно показана на   Мал , Електронна конфігурація ) Під час хімічних реакцій при невеликих витратах енергії відбувається гібридизація однієї s-орбіталі з двома -орбіталей, умовно показана на Мал. 3.7 . В результаті гібридизації формуються три рівноправні АТ, які через взаємну кулонівського відштовхування орієнтуються в одній площині під кутами точно . Тому при взаємодії бору, наприклад, з атомами хлору утворюється молекула ВCl3, в якій всі три ковалентних хімічних зв'язку розташовуються в одній площині під кутами друг до друга.

У атома кремнію ( У атома кремнію (   , Електронна конфігурація   ) При невеликих витратах енергії відбувається гібридизація однієї   орбіталі з трьома   -орбіталей, умовно показана на   Мал , Електронна конфігурація ) При невеликих витратах енергії відбувається гібридизація однієї орбіталі з трьома -орбіталей, умовно показана на Мал. 3.8 .

Чотири утворені рівноправні гібридні АТ через взаємну кулонівського відштовхування орієнтуються в просторі під кутами Чотири утворені рівноправні гібридні АТ через взаємну кулонівського відштовхування орієнтуються в просторі під кутами   друг до друга друг до друга. Тому при взаємодії кремнію, наприклад, з атомами водню утворюється молекула , В якій чотири ядра водню розміщуються в просторі в вершинах правильного тетраедра. Описані гібридні МО типу часто називають "тетраедричних".

Зазначені кути між тетраедричних МО можуть дещо змінюватися, якщо МО з'єднують даний атом з різними атомами. Наприклад, в молекулі Зазначені кути між тетраедричних МО можуть дещо змінюватися, якщо МО з'єднують даний атом з різними атомами кут між осями МО, що зв'язують атом кремнію з атомом хлору, дещо відрізняється від кутів між осями МО, що з'єднують атом кремнію з атомами водню.

Дансхолл джем в «Помаде»

3 ноября, в четверг, приглашаем всех на танцевальную вечеринку, в рамках которой пройдет Дансхолл Джем!

Клуб Помада: ул. Заньковецкой, 6
Вход: 40 грн.

  • 22 апреля намечается Dancehall Party в Штанах!
    22 апреля намечается Dancehall Party в Штанах!

    Приглашаем всех-всех-всех на зажигательную вечеринку «More... 
    Читать полностью