Molekülorbitaltheorie

Die Molekülorbitaltheorie beschreibt Elektronen in einem Molekül als Besetzer von Orbitalen, die sich über alle Atome erstrecken und durch die Kombination von Atomorbitalen zu bindenden und antibindenden Zuständen gebildet werden.

Definition

Die Molekülorbitaltheorie ist ein quantenchemisches Modell, bei dem Elektronen Molekülorbitale besetzen, die typischerweise als Linearkombinationen von Atomorbitalen konstruiert werden, sich über das gesamte Molekül erstrecken und dessen Bindung und Eigenschaften bestimmen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Molekülorbitalbeschreibung der Bindung: die Linearkombination von Atomorbitalen, die Bildung von bindenden und antibindenden Molekülorbitalen und den Aufbau von molekularen Elektronenkonfigurationen zur Bestimmung von Bindungsordnung, magnetischem Verhalten und Stabilität. Es umfasst die Behandlung von zweiatomigen und einfachen mehratomigen Molekülen, Sigma- und Pi-Orbitalen, die Beziehung zwischen Orbitalüberlappung und Energie sowie qualitative Werkzeuge wie Orbitalsymmetrie und Grenzorbitale. Die allgemeine Variationsmethode und die selbstkonsistente Hartree-Fock-Methode werden im Methodenthema behandelt.

Core questions

• Wie werden Molekülorbitale als Kombinationen von Atomorbitalen konstruiert?
• Was unterscheidet bindende von antibindenden Orbitalen, und wie beeinflussen sie die Stabilität?
• Wie ergibt sich die Bindungsordnung aus der Besetzung von Molekülorbitalen?
• Wie erklärt die Molekülorbitaltheorie den Magnetismus von Molekülen wie Sauerstoff?

Key concepts

• Linearkombination von Atomorbitalen
• Bindende und antibindende Orbitale
• Bindungsordnung
• Sigma- und Pi-Orbitale
• Grenzorbitale (HOMO und LUMO)

Key theories

LCAO-Konstruktion von Molekülorbitalen

Molekülorbitale werden als gewichtete Summen von Atomorbitalen angenähert; konstruktive Kombinationen konzentrieren die Elektronendichte zwischen den Kernen, um bindende Orbitale zu ergeben, während destruktive Kombinationen Knoten und antibindende Orbitale erzeugen.

Aufbau-Prinzip und Bindungsordnung

Das Besetzen von Molekülorbitalen in der Reihenfolge steigender Energie gemäß dem Pauli-Prinzip und der Hund'schen Regel ergibt die Elektronenkonfiguration, aus der die Bindungsordnung, die Nettoanzahl bindender Elektronenpaare und die magnetischen Eigenschaften folgen.

Clinical relevance

Die Molekülorbitaltheorie erklärt Bindungsstärken, Farben, Magnetismus und Reaktivität, bildet die Grundlage für Grenzorbital-Argumentationen zur Reaktionsselektivität und leitet das Design von Farbstoffen, Halbleitern, Photovoltaikmaterialien und konjugierten Arzneimittelmolekülen.

History

Die Molekülorbitaltheorie wurde ab den späten 1920er Jahren von Hund und Mulliken als Alternative zu Paulings Valenzbindungstheorie entwickelt; Hückels Behandlung konjugierter Pi-Systeme in den 1930er Jahren und die späteren Grenzorbital-Ideen von Fukui sowie die Woodward-Hoffmann-Regeln machten sie zentral für das Verständnis der Reaktivität.

Key figures

• Robert S. Mulliken
• Friedrich Hund
• Erich Huckel

Seminal works

• mcquarrie1997
• levinequantum2014

Frequently asked questions

Warum sagt die Molekülorbitaltheorie voraus, dass Sauerstoff magnetisch ist?

Die Besetzung der Molekülorbitale des Sauerstoffmoleküls lässt zwei Elektronen in entarteten antibindenden Pi-Orbitalen ungepaart, wodurch es paramagnetisch wird; dieser Erfolg, den einfache Elektronenpaar-Modelle nicht erfassen, war ein früher Triumph der Theorie.

Was sind HOMO und LUMO, und warum sind sie wichtig?

Es sind die höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale; da Reaktionen und elektronische Anregungen in der Regel diese Grenzorbitale betreffen, beeinflussen ihre Energien und Formen die Reaktivität, Farbe und das elektronische Verhalten eines Moleküls stark.