ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล

ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลอธิบายอิเล็กตรอนในโมเลกุลว่าครอบครองออร์บิทัลที่กระจายอยู่ทั่วอะตอมทั้งหมด ซึ่งสร้างขึ้นโดยการรวมออร์บิทัลอะตอมเข้ากับสถานะพันธะและสถานะต้านพันธะ

Definition

ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลเป็นแบบจำลองทางเคมีควอนตัมที่อิเล็กตรอนครอบครองออร์บิทัลโมเลกุล ซึ่งโดยทั่วไปสร้างขึ้นจากการรวมเชิงเส้นของออร์บิทัลอะตอม ที่ขยายไปทั่วทั้งโมเลกุลและกำหนดพันธะและคุณสมบัติของโมเลกุล

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการอธิบายพันธะด้วยออร์บิทัลโมเลกุล: การรวมเชิงเส้นของออร์บิทัลอะตอม การก่อตัวของออร์บิทัลโมเลกุลแบบสร้างพันธะและแบบต้านพันธะ และการสร้างการจัดเรียงอิเล็กตรอนของโมเลกุลเพื่อให้ได้อันดับพันธะ พฤติกรรมทางแม่เหล็ก และความเสถียร ซึ่งรวมถึงการพิจารณาโมเลกุลไดอะตอมและโมเลกุลพอลิอะตอมอย่างง่าย ออร์บิทัลซิกมาและไพ ความสัมพันธ์ระหว่างการซ้อนทับของออร์บิทัลกับพลังงาน และเครื่องมือเชิงคุณภาพ เช่น สมมาตรของออร์บิทัลและออร์บิทัลฟรอนเทียร์ กลไกการแปรผันทั่วไปและวิธีการฮาร์ทรี-ฟอกแบบสอดคล้องกันเองจะกล่าวถึงในหัวข้อวิธีการ

Core questions

• ออร์บิทัลโมเลกุลสร้างขึ้นจากการรวมกันของออร์บิทัลอะตอมได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างออร์บิทัลแบบสร้างพันธะกับออร์บิทัลแบบต้านพันธะ และส่งผลต่อความเสถียรอย่างไร?
• อันดับพันธะมาจากตำแหน่งของออร์บิทัลโมเลกุลได้อย่างไร?
• ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลอธิบายความเป็นแม่เหล็กของโมเลกุลเช่นออกซิเจนได้อย่างไร?

Key concepts

• การรวมเชิงเส้นของออร์บิทัลอะตอม
• ออร์บิทัลแบบสร้างพันธะและแบบต้านพันธะ
• อันดับพันธะ
• ออร์บิทัลซิกมาและไพ
• ออร์บิทัลฟรอนเทียร์ (HOMO และ LUMO)

Key theories

การสร้างออร์บิทัลโมเลกุลแบบ LCAO

ออร์บิทัลโมเลกุลประมาณได้ว่าเป็นผลรวมถ่วงน้ำหนักของออร์บิทัลอะตอม; การรวมกันแบบสร้างสรรค์จะรวมความหนาแน่นของอิเล็กตรอนระหว่างนิวเคลียสเพื่อสร้างออร์บิทัลแบบสร้างพันธะ ในขณะที่การรวมกันแบบทำลายจะสร้างโหนดและออร์บิทัลแบบต้านพันธะ

การบรรจุแบบ Aufbau และอันดับพันธะ

การบรรจุออร์บิทัลโมเลกุลตามลำดับพลังงานที่เพิ่มขึ้นตามหลักการของ Pauli และกฎของ Hund จะให้การจัดเรียงอิเล็กตรอน ซึ่งจากนั้นจะสามารถหาอันดับพันธะ จำนวนสุทธิของคู่อิเล็กตรอนแบบสร้างพันธะ และคุณสมบัติทางแม่เหล็กได้

Clinical relevance

ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลอธิบายความแข็งแรงของพันธะ สี แม่เหล็ก และปฏิกิริยาเคมี เป็นพื้นฐานของการให้เหตุผลแบบออร์บิทัลฟรอนเทียร์เกี่ยวกับการเลือกสรรของปฏิกิริยา และเป็นแนวทางในการออกแบบสีย้อม สารกึ่งตัวนำ วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ และโมเลกุลยาแบบคอนจูเกต

History

ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลได้รับการพัฒนาโดย Hund และ Mulliken ตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1920 เพื่อเป็นทางเลือกแทนทฤษฎีพันธะวาเลนซ์ของ Pauling; การพิจารณาระบบไพแบบคอนจูเกตของ Huckel ในทศวรรษ 1930 และแนวคิดออร์บิทัลฟรอนเทียร์ในภายหลังของ Fukui และกฎของ Woodward-Hoffmann ทำให้ทฤษฎีนี้มีความสำคัญต่อความเข้าใจปฏิกิริยาเคมี

Key figures

• Robert S. Mulliken
• Friedrich Hund
• Erich Huckel

Seminal works

• mcquarrie1997
• levinequantum2014

Frequently asked questions

เหตุใดทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลจึงทำนายว่าออกซิเจนเป็นแม่เหล็ก?

การบรรจุออร์บิทัลโมเลกุลของโมเลกุลออกซิเจนทำให้อิเล็กตรอนสองตัวไม่จับคู่กันในออร์บิทัลไพแบบต้านพันธะที่เสื่อมสภาพ ทำให้เป็นพาราแมกเนติก; ความสำเร็จนี้ ซึ่งภาพคู่อิเล็กตรอนอย่างง่ายไม่สามารถอธิบายได้ ถือเป็นชัยชนะแรกเริ่มของทฤษฎีนี้

HOMO และ LUMO คืออะไร และทำไมจึงสำคัญ?

เป็นออร์บิทัลโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนครอบครองสูงสุดและออร์บิทัลโมเลกุลที่ไม่มีอิเล็กตรอนครอบครองต่ำสุด; เนื่องจากปฏิกิริยาและการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์มักเกี่ยวข้องกับออร์บิทัลฟรอนเทียร์เหล่านี้ พลังงานและรูปร่างของพวกมันจึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อปฏิกิริยาเคมี สี และพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุล