Химическая связь и молекулярные орбитали

Химическая связь описывает, как общие электроны удерживают атомы вместе в молекулах, а теория молекулярных орбиталей объясняет это, объединяя атомные орбитали в делокализованные молекулярные орбитали.

Definition

Химическая связь — это чистое притягивающее взаимодействие, которое удерживает атомы вместе в молекуле, возникающее квантово-механически из-за снижения электронной энергии при совместном использовании электронов; молекулярная орбиталь — это одноэлектронная волновая функция, распространяющаяся на всю молекулу, обычно построенная как линейная комбинация атомных орбиталей.

Scope

Эта тема охватывает квантово-механическое описание химической связи: ион водорода и молекула водорода как прототипы, построение связывающих и разрыхляющих молекулярных орбиталей методом линейной комбинации атомных орбиталей, порядок связи и его отношение к стабильности, а также комплементарную картину валентных связей с гибридизацией. Она объясняет ковалентную связь, совместное использование электронов и тенденции в прочности связи и магнетизме для двухатомных молекул.

Core questions

• Почему совместное использование электронов снижает энергию двух атомов и образует связь?
• Как молекулярные орбитали строятся из атомных орбиталей?
• Что отличает связывающие орбитали от разрыхляющих, и что такое порядок связи?
• Как соотносятся описания молекулярных орбиталей и валентных связей?

Key concepts

• Ковалентная связь и совместное использование электронов
• Связывающие и разрыхляющие орбитали
• Линейная комбинация атомных орбиталей
• Порядок связи
• Обменное взаимодействие
• Гибридизация и резонанс

Key theories

Теория молекулярных орбиталей (ЛКАО)

Объединение атомных орбиталей в фазе дает связывающую молекулярную орбиталь с повышенной электронной плотностью между ядрами, а в противофазе — более высокоэнергетическую разрыхляющую орбиталь с узлом; заполнение этих орбиталей определяет порядок связи и стабильность молекулы.

Теория валентных связей и ковалентная связь

Гайтлер и Лондон квантово-механически показали, что два атома водорода связываются посредством обменного взаимодействия их электронов, что стало основой картины валентных связей, позже расширенной Полингом с помощью гибридизации и резонанса.

Clinical relevance

Теории молекулярных орбиталей и валентных связей объясняют и предсказывают геометрию, стабильность, реакционную способность, а также магнитные и оптические свойства молекул, предоставляя концептуальный язык химии и основу для вычислительных методов, используемых в разработке лекарств и дизайне материалов.

History

Работа Гайтлера и Лондона 1927 года по молекуле водорода стала первым квантово-механическим объяснением ковалентной связи. Малликен и Хунд параллельно разработали подход молекулярных орбиталей, а книга Полинга 1939 года «Природа химической связи» синтезировала идеи валентных связей с гибридизацией и электроотрицательностью в концепцию, которая преобразила химию.

Key figures

• Walter Heitler
• Fritz London
• Robert Mulliken
• Linus Pauling

Seminal works

• heitler1927
• pauling1939
• atkins2011

Frequently asked questions

Что такое порядок связи?

Порядок связи — это половина разности между числом электронов на связывающих и разрыхляющих молекулярных орбиталях. Более высокий порядок связи соответствует более прочной и короткой связи; порядок связи, равный нулю, означает отсутствие стабильной связи, как, например, для двух атомов гелия.

Почему молекулярный кислород парамагнитен?

Теория молекулярных орбиталей помещает два самых высокоэнергетических электрона O₂ на отдельные вырожденные разрыхляющие орбитали с параллельными спинами, оставляя два неспаренных электрона. Это делает O₂ парамагнитным, что не предсказывается естественным образом простой картиной валентных связей.