6.2.5. Объяснение образования и свойств двухатомных молекул типа в2 по методу молекулярных орбиталей (мо)

Согласно методу МО в молекуле нет атомных орбиталей (АО), а есть свя­зывающие и разрыхляющие МО, полученные линейной комбинацией (смешиванием) АО. При комбинации nАС образуется nМО, из них число связывающих равно числу энергии АО. Энергия связывающих МО меньше энергии АО, а энергия разрыхляющих МО больше энергии АО. Порядок размещения электронов на МО тот же, что и в случае АО; прежде всего заполняются МО с низкой энергией (принцип минимальной энергии) в соответствии с принципом Паули и правилом Гунда.

Наиболее простой случай образования МО имеет место при комбинации АО двух атомов одного и того же элемента (В₂). При комбинации двух s-s AО образуются две МО, называемые σ (сигма) орбиталями. Одна из них связывающая ( ), другая – разрыхляющая ( ). Две -МО получаются также комбинацией двух р_х-р_х АО ( и ). Комбинацией двух р_у-р_у и двух р_z-p_z АО образуются две ^св-МО ( и ) и две ^раз-МО ( и ).

Образование МО из атомных и изменение их энергии можно представить в виде энергетической диаграммы, где по вертикали откладываются значения энергии орбиталей (рис. 5).

Рис. 5. Энергетическая схема образования МО при комбинации АО двух атомов одного и того же элемента (В₂)

Метод МО позволяет определить магнетизм молекулы. Так, наличие непарных электронов в молекуле обусловливает её парамагнетизм, а отсутствие таковых – диамагнетизм. По методу МО можно найти кратность связи. Кратность  равна полуразности числа электронов на связывающих n_св и разрыхляющих n_раз МО:

. (2)

Если число электронов на связывающих и разрыхляющих МО равное, то кратность связи равна нулю. Следовательно, эти электроны не оказывают влияния на образование химической связи.

По методу МО также можно объяснить устойчивость молекулы. Устойчивость молекулы связана с энергетическим балансом всех связывающих и разрыхляющих электронов. Ориентировочно можно считать, что один разрыхляющий электрон сводит на нет действие одного связывающего электрона. Таким образом, чем больше электронов на связывающих и меньше их на разрыхляющих МО, тем устойчивее молекула.

Пример 11. Объясните по методу МО образование молекулы О₂. Определите кратность связи и ее магнетизм.

Решение. Молекула О₂ состоит из атома одного и того же элемента – кислорода. Его электронная формула следующая: ₈О 1s²2s²2p⁴.

Валентные электроны атома кислорода 2s²2p⁴ принимают участие в образовании химической связи, т.е. МО получаются линейной комбинацией 2s- и 2р- АО двух атомов кислорода. Согласно вышеизложенному по методу МО энергетическая диаграмма молекулы кислорода будет иметь следующий вид (рис. 6).

Рис. 6. Энергетическая диаграмма молекулы О₂

Распределение двенадцати валентных электронов в молекуле кислорода происходит в соответствии с принципом минимальной энергии. Сначала заполняются и МО по два электрона с антипараллельными спинами (принцип Паули). Затем шесть электронов разместятся на трех связывающих МО ( ; ; ) по два электрона с антипараллельными спинами. Оставшиеся два электрона займут разрыхляющие МО ( и ) по одному электрону с параллельными спинами согласно правилу Гунда. После размещения электронов на МО энергетическая диаграмма молекулы кислорода будет иметь следующий вид (рис. 7).

Рис. 7. Схема заполнения валентными электронами орбиталей молекулы О₂

Кратность связи, рассчитанная по формуле (2), равна двум. Наличие двух непарных электронов определяет парагнетизм молекулы.