Метод молекулярных орбиталей (мо)

Метод ВС дает наглядное представление об образовании и строении молекул. Однако, его основные предпосылки о локализации связи между атомами и некоторые другие не позволяют правильно описать строение некоторых молекул и ионов. Согласно методу ВС химическая связь образуется за счет обобществленной пары электронов. Поэтому метод ВС не может объяснить существование молекулярного иона , у которого имеется лишь один связывающий электрон. Метод ВС не объясняет существование свободных радикалов, наличие парамагнитных свойств у молекул кислорода и бора и некоторые другие моменты.

Более общим и универсальным оказался метод молекулярных орбиталей (МО). Метод МО представляет собой естественное распространение теории атомных орбиталей на поведение электронов в молекуле.

Предполагается, что электроны в молекуле находятся на молекулярных орбиталях, охватывающих все ядра атомов в молекуле. Молекулярные орбитали занимают весь объем молекулы.

Основные положения метода мо

1. Молекула состоит из ядер атомов и электронов, в отличие от метода ВС, где молекула состоит из атомов и химическая связь образуется за счет обмена неспаренными электронами между атомами.

2. Электроны в молекуле находятся на молекулярных орбиталях.

3. Молекулярные орбитали строятся как линейные комбинации атомных орбиталей. Сокращенно этот метод обозначается МО-ЛКАО.

Если _А – волновая функция, описывающая состояние электронов в атоме А, а _В – в атоме В, то волновая функция электронов в молекуле

_АВ = С₁_А  С₂_В

4. Число молекулярных орбиталей равно числу атомных орбиталей.

5. Заполнение молекулярных орбиталей электронами производится с соблюдением принципа наименьшей энергии; принципа Паули; правила Гунда.

Рассмотрим молекулу водорода с позиции метода МО.

Н₂ состоит из двух ядер водорода и двух электронов. Так как атомы водорода одинаковы, то С₁=С₂. Если волновая функция электрона первого атома водорода ‑ ₁, а второго ‑ ₂, то волновые функции электронов на молекулярных орбиталях равны:

₁ = ₁ + ₂

₂ = ₁ ‑ ₂

Решение уравнения Шредингера показывает, что при сложении функций двух атомных орбиталей оба электрона большую часть времени проводят между двумя ядрами, что способствует связыванию атомов, энергия системы понижается и связь образуется. ₁ – связывающая молекулярная орбиталь.

При вычитании функций двух атомных орбиталей электронная плотность между атомами равна нулю и ядра атомов отталкиваются друг от друга. Химическая связь не образуется. ₂ – разрыхляющая молекулярная орбиталь.

Таким образом, метод МО показывает, что при связывании двух атомов в молекулу реализуются два состояния электрона – две молекулярные орбитали, одна с более низкой энергией, а другая с более высокой. Это обозначается на диаграмме МО.

АО МО АО

Н Е Н₂ Е Н

Атомные орбитали могут перекрываться как по -, так и по -типу, в результате формируются - и -МО. Соединительные линии показывают из каких атомных орбиталей образовались молекулярные.

Обозначения: ‑ связывающая молекулярная орбиталь, образованная по -типу из 1s атомных орбиталей;

‑ разрыхляющая молекулярная орбиталь, образованная по -типу из 1s атомных орбиталей.

Заполнение молекулярных орбиталей электронами осуществляется по принципам заполнения атомных орбиталей. Электроны, находящиеся на связывающих и разрыхляющих молекулярных орбиталей оказывают противоположное влияние на стабильность молекулы, поэтому порядок (кратность) связи в методе МО определяют по разнице числа электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях. n-кратность (порядок) связи.

В отличие от метода ВС в методе МО принимают, что в образовании связи не обязательно участвует пара электронов, поэтому в методе МО допускается порядок связи, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т.д., т.е. любые электроны на молекулярных орбиталях образуют связь.

Необходимыми условиями для образования МО из АО являются:

а) близкие значения энергии исходных атомных орбиталей;

б) значительное перекрывание атомных орбиталей

в) одинаковая симметрия атомных орбиталей относительно оси молекулы.