分子軌道理論認為原子在相互結(jié)合形成共價鍵時,由原子軌道組成分子軌道,分子軌道屬于整個分子。而價鍵理論比較簡單和粗糙。
分子軌道理論是現(xiàn)代共價鍵理論的一個分支。其與現(xiàn)代共價鍵理論的重要區(qū)別在于,分子軌道理論認為原子軌道組合成分子軌道,電子在分子軌道中填充、運動。而現(xiàn)代共價鍵理論則討論原子軌道,認為電子在原子軌道中運動。
高中化學(xué)分子軌道理論
分子軌道理論偏難,建議高中學(xué)生僅作了解。
我們把原子通過共用電子對結(jié)合的化學(xué)鍵成為共價鍵(covalent bond)。路易斯(G.N.Lewis)曾經(jīng)提出原子共用電子對成鍵的概念,也就是俗稱的“八隅律”(高中階段也只是停留于此)
然而,我們知道很多現(xiàn)實情況都無法用八隅率解釋,包括:PCl5,SCl6分子。更重要的是,八隅率從來沒有本質(zhì)上說明共價鍵的成因:為什么帶負電荷的兩個分子不會排斥反而是互相配對?
隨 著近代的量子力學(xué)(quantum mechanics)的建立,近代形成了兩種現(xiàn)代共價鍵理論,即是:現(xiàn)代價鍵理(valence bond theory)簡稱VB(又叫作電子配對法)以及分子軌道理論(molecular orbital theory)簡稱MO。價鍵理論強調(diào)了電子對鍵和成鍵電子的離域,有了明確的鍵的概念。也成功的給出了一些鍵的性質(zhì)以及分子結(jié)構(gòu)的直觀圖像。但是在解釋 H2+氫分子離子的單電子鍵的存在以及養(yǎng)分子等有順磁性或者大∏鍵的某些分子結(jié)構(gòu)時感到困難。而分子軌道理論可以完美的進行解釋,這里我就主要闡述MO法 的相關(guān)理論。
洪特(Hund)和密里肯(R.S Mulliken)等人提出了新的化學(xué)鍵理論,即是分子軌道理論。這是人們利用量子力學(xué)處理氫分子離子而發(fā)展起來的。
(一)氫分子離子的成鍵理論
氫分子離子(H2+)是由兩個核以及一個電子組成的最簡單分子,雖然不穩(wěn)定,但是確實存在。
如 何從理論上說明氫分子離子的形成呢?分子軌道理論把氫分子離子作為一個整體處理,認為電子是在兩個氫核a和b組成的勢場當(dāng)中運動。電子運動的軌道既不局限 在氫核a的周圍,也不會局限于氫核b的周圍,而是遍及氫核a和b。這種遍及分子所有核的周圍的電子軌道,成為“分子軌道”。
如何形成這樣 的分子軌道呢?我們必須通過波函數(shù)來描述原子當(dāng)中的運動狀態(tài),而波函數(shù)勢薛定諤方程的解。因為得到精確的薛定諤方程的解勢很困難的因此我們才去了近似方 法,假設(shè)分子軌道是各個原子軌道的組成。仍然以氫分子離子為例:當(dāng)這個單電子出現(xiàn)了一個氫原子核a附近時候,分子軌道Ψ很近似于一個院子軌道Ψa。同樣, 這個電子出現(xiàn)在另外一個氫原子b附近時候,分子軌道Ψ也很像原子軌道Ψb。不過這個只是兩種極端情況,合理的應(yīng)該是兩種極端情況的組合即是Ψa與Ψb的組 合。分子軌道理論假定了分子軌道是所屬原子軌道的線性組合(linear combination of atomic orbital,簡稱LCAO),即是相加相減而得得。例如氫分子離子當(dāng)中就有:
ΨI=Ψa+Ψb
ΨII=Ψa-Ψb
其 中Ψa和Ψb分別是氫原子a以及氫原子b得1s原子軌道。它們的相加相減分別可以得到ΨI以及ΨII。相加可以看出處在相同相位的兩個電子波組合時候波峰 疊加,這樣可以使得波增強。如果兩個波函數(shù)相減,等于加上一個負的波函數(shù),因此相減可以看成是有相反相位的兩個電子波組合時的波峰疊加,這樣似的波消弱或 者抵消。故在ΨI當(dāng)中,波函數(shù)數(shù)值和電子出現(xiàn)的幾率密度在兩個核當(dāng)中明顯增大,相應(yīng)的能量比氫原子1s軌道能量低,進入這個軌道的電子將促進這個兩個原子 的結(jié)合因此成為“成鍵軌道”(bonding orbital),用δ1s表示。ΨII當(dāng)中的波函數(shù)值在兩核中間為零,電子在兩核出現(xiàn)的幾率很小,甚至為0,其電子能量高于氫原子的1s軌道,進入這個 軌道的電子將促使這個兩個原子分離,所以稱為反鍵軌道(antibonding orbital)用δ1s*表示。(圖1)ΨI以及ΨII原子軌道能量之差基本相同,符號相反。用軌道能級圖表示(圖2)如果兩個原子軌道的能量不一樣 高,則它們所組成的分子軌道中,能量低的成鍵軌道比原來能量低的原子軌道的能量還低;能量高的反鍵軌道比原來能量高的原子軌道能量還高。
從氫分子離子的形成可以得出分子軌道理論是著眼于整個分子,把分子作為一個
整體來考慮。分子當(dāng)中的電子是在多個原子核以及電子的綜合勢場中運動。因此沒有明確的“鍵”的概念,F(xiàn)在將分子軌道理論扼要的介紹如下:
1。分子當(dāng)中的電子在遍及整個分子范圍內(nèi)運動,每一個電子的運動狀態(tài)都可以用一個分子波函數(shù)(或者稱為分子軌道)Ψ來描述。|Ψ|^2表示了電子在空間各處出現(xiàn)的幾率密度。
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