ساختار مولکولی و پیوند
ساختار مولکولی و پیوند چگونگی ترکیب اتمها در مولکولها از طریق الکترونهای مشترک، و چگونگی قابل حل شدن مکانیک کوانتومی مولکولی با جداسازی حرکت هستهای و الکترونی را توصیف میکند.
Definition
ساختار مولکولی و پیوند، مطالعه چگونگی پیوند الکترونها به هستهها برای تشکیل مولکولهای پایدار و هندسههای تعادلی و سطوح انرژی حاصل، بر اساس حل معادله شرودینگر مولکولی در چارچوب جداسازی بورن-اوپنهایمر حرکت الکترونی و هستهای است.
Scope
این حوزه شامل مبانی کوانتومی مولکولها میشود: تقریب بورن-اوپنهایمر که حرکت سریع الکترونی را از حرکت کند هستهای جدا میکند و سطوح انرژی پتانسیل را تعریف میکند؛ نظریههای پیوند شیمیایی، از جمله مدلهای اوربیتال مولکولی و پیوند ظرفیت؛ و حرکت چرخشی و ارتعاشی هستهها بر روی سطوح حاصل. این حوزه هندسه مولکولی، تشکیل پیوند، و ساختار سطوح انرژی را که زیربنای طیفسنجی مولکولی است، توضیح میدهد.
Sub-topics
Core questions
- چگونه تفاوت جرم زیاد بین هستهها و الکترونها به ما امکان میدهد حرکات آنها را جدا کنیم؟
- چه چیزی اتمها را در یک مولکول کنار هم نگه میدارد، و چگونه یک پیوند شیمیایی به صورت کوانتومی توصیف میشود؟
- اوربیتالهای مولکولی چگونه از اوربیتالهای اتمی تشکیل میشوند؟
- هستهها چگونه—چرخشی و ارتعاشی—بر روی سطح انرژی پتانسیل الکترونی حرکت میکنند؟
Key concepts
- جداسازی بورن-اوپنهایمر
- سطح انرژی پتانسیل
- اوربیتالهای مولکولی (LCAO)
- اوربیتالهای پیوندی و ضدپیوندی
- مرتبه پیوند و طول پیوند
- سطوح ارتعاشی و چرخشی
Key theories
- تقریب بورن-اوپنهایمر
- از آنجا که هستهها بسیار سنگینتر از الکترونها هستند، معادله شرودینگر الکترونی برای هستههای ثابت حل میشود تا یک سطح انرژی پتانسیل به دست آید، که هستهها سپس بر روی آن حرکت میکنند؛ این جداسازی اساساً زیربنای تمام نظریه ساختار مولکولی است.
- نظریه اوربیتال مولکولی
- اوربیتالهای مولکولی که به عنوان ترکیب خطی اوربیتالهای اتمی ساخته میشوند، الکترونها را در سراسر مولکول غیرمتمرکز میکنند، با ترکیبات پیوندی و ضدپیوندی که مرتبه پیوند، پایداری و خواص مغناطیسی را توضیح میدهند.
- ساختار چرخشی-ارتعاشی
- بر روی یک سطح الکترونی معین، هستهها در نزدیکی تعادل ارتعاش میکنند و به صورت یکپارچه میچرخند، که منجر به نردبانی از سطوح ارتعاشی میشود که هر یک شامل مجموعهای از سطوح چرخشی است و طیفهای مولکولی را سازماندهی میکند.
Clinical relevance
درک ساختار مولکولی و پیوند زیربنای تمام شیمی و علم مواد است—پیشبینی واکنشپذیری، هندسه، و طیفها—و سطوح انرژی پتانسیلی که تعریف میکند، نقطه شروع شیمی محاسباتی، طراحی دارو، و تفسیر هر شکل از طیفسنجی مولکولی است.
History
مکانیک کوانتومی تقریباً بلافاصله پس از تدوین آن در مورد مولکولها به کار گرفته شد: هایتلر و لندن مولکول هیدروژن را در سال ۱۹۲۷ بررسی کردند، همان سالی که بورن و اوپنهایمر جداسازی حرکت هستهای و الکترونی را توجیه کردند. سپس هوند و مولیکن نظریه اوربیتال مولکولی را توسعه دادند، و پاولینگ مدل مکمل پیوند ظرفیت را برای پیوند شیمیایی تشریح کرد.
Key figures
- Max Born
- Robert Oppenheimer
- Friedrich Hund
- Robert Mulliken
Related topics
Seminal works
- born1927
- atkins2011
- bransden2003
Frequently asked questions
- چرا تقریب بورن-اوپنهایمر اینقدر خوب است؟
- هستهها هزاران بار سنگینتر از الکترونها هستند، بنابراین الکترونها تقریباً بلافاصله با هر پیکربندی هستهای سازگار میشوند. در نظر گرفتن هستهها به عنوان ثابت هنگام حل برای الکترونها تنها خطای کوچکی را ایجاد میکند، مگر در نزدیکی نقاطی که حالتهای الکترونی همتراز میشوند.
- تفاوت بین نظریه اوربیتال مولکولی و نظریه پیوند ظرفیت چیست؟
- نظریه اوربیتال مولکولی اوربیتالهایی را میسازد که در سراسر مولکول غیرمتمرکز هستند، در حالی که نظریه پیوند ظرفیت پیوندها را به عنوان جفت الکترونهای موضعی که بین اتمهای خاص به اشتراک گذاشته میشوند، توصیف میکند. هر دو تقریبهایی برای یک تابع موج دقیق هستند و میتوانند با هم سازگار شوند.