โครงสร้างโมเลกุลและพันธะเคมี
โครงสร้างโมเลกุลและพันธะเคมีอธิบายว่าอะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุลได้อย่างไรผ่านการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน และการแยกการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนทำให้กลศาสตร์ควอนตัมของโมเลกุลสามารถจัดการได้
Definition
โครงสร้างโมเลกุลและพันธะเคมีคือการศึกษาว่าอิเล็กตรอนยึดเหนี่ยวนิวเคลียสเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลที่เสถียรได้อย่างไร และรูปทรงสมดุลและระดับพลังงานที่เกิดขึ้น โดยอาศัยการแก้สมการชโรดิงเงอร์ของโมเลกุลภายใต้การแยกการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสแบบบอร์น-ออพเพนไฮเมอร์
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมพื้นฐานทางกลศาสตร์ควอนตัมของโมเลกุล: การประมาณของบอร์น-ออพเพนไฮเมอร์ (Born–Oppenheimer approximation) ที่แยกการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่รวดเร็วออกจากการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสที่ช้า และกำหนดพื้นผิวพลังงานศักย์; ทฤษฎีพันธะเคมี รวมถึงภาพแบบออร์บิทัลโมเลกุลและพันธะวาเลนซ์; และการเคลื่อนที่แบบหมุนและการสั่นของนิวเคลียสบนพื้นผิวที่เกิดขึ้น สิ่งนี้อธิบายรูปทรงโมเลกุล การก่อตัวของพันธะ และโครงสร้างระดับพลังงานที่เป็นพื้นฐานของการสเปกโทรสโกปีของโมเลกุล
Sub-topics
Core questions
- ความแตกต่างของมวลที่มากระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนทำให้เราสามารถแยกการเคลื่อนที่ของพวกมันได้อย่างไร?
- อะไรที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกันในโมเลกุล และพันธะเคมีถูกอธิบายในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างไร?
- ออร์บิทัลโมเลกุลก่อตัวจากออร์บิทัลอะตอมได้อย่างไร?
- นิวเคลียสเคลื่อนที่อย่างไร—การหมุนและการสั่น—บนพื้นผิวพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอน?
Key concepts
- การแยกแบบบอร์น-ออพเพนไฮเมอร์
- พื้นผิวพลังงานศักย์
- ออร์บิทัลโมเลกุล (LCAO)
- ออร์บิทัลแบบสร้างพันธะและแบบต้านพันธะ
- อันดับพันธะและความยาวพันธะ
- ระดับการสั่นและการหมุน
Key theories
- การประมาณของบอร์น-ออพเพนไฮเมอร์
- เนื่องจากนิวเคลียสมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนมาก สมการชโรดิงเงอร์ของอิเล็กตรอนจึงถูกแก้สำหรับนิวเคลียสที่อยู่กับที่เพื่อให้ได้พื้นผิวพลังงานศักย์ ซึ่งนิวเคลียสจะเคลื่อนที่อยู่บนนั้น; การแยกนี้เป็นพื้นฐานของทฤษฎีโครงสร้างโมเลกุลเกือบทั้งหมด
- ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล
- ออร์บิทัลโมเลกุลที่สร้างขึ้นจากการรวมกันเชิงเส้นของออร์บิทัลอะตอมจะกระจายอิเล็กตรอนไปทั่วทั้งโมเลกุล โดยการรวมกันแบบสร้างพันธะและแบบต้านพันธะจะอธิบายอันดับพันธะ ความเสถียร และคุณสมบัติทางแม่เหล็ก
- โครงสร้างการหมุน-การสั่น
- บนพื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์ที่กำหนด นิวเคลียสจะสั่นใกล้สมดุลและหมุนเป็นองค์รวม ทำให้เกิดลำดับของระดับการสั่น ซึ่งแต่ละระดับมีชุดของระดับการหมุนที่จัดระเบียบสเปกตรัมของโมเลกุล
Clinical relevance
ความเข้าใจโครงสร้างโมเลกุลและพันธะเคมีเป็นพื้นฐานของวิชาเคมีและวิทยาศาสตร์วัสดุทั้งหมด ซึ่งช่วยในการทำนายปฏิกิริยา รูปทรง และสเปกตรัม และพื้นผิวพลังงานศักย์ที่กำหนดขึ้นเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับเคมีเชิงคำนวณ การออกแบบยา และการตีความสเปกโทรสโกปีของโมเลกุลทุกรูปแบบ
History
กลศาสตร์ควอนตัมถูกนำมาประยุกต์ใช้กับโมเลกุลเกือบจะทันทีหลังจากที่ได้รับการกำหนดขึ้น: ไฮต์เลอร์และลอนดอนได้ศึกษาโมเลกุลไฮโดรเจนในปี 1927 ซึ่งเป็นปีเดียวกับที่บอร์นและออพเพนไฮเมอร์ให้เหตุผลในการแยกการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสและอิเล็กตรอน จากนั้นฮุนด์และมัลลิเคนได้พัฒนาทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล และพอลลิงได้ขยายภาพพันธะวาเลนซ์ที่เสริมกันของพันธะเคมี
Key figures
- Max Born
- Robert Oppenheimer
- Friedrich Hund
- Robert Mulliken
Related topics
Seminal works
- born1927
- atkins2011
- bransden2003
Frequently asked questions
- เหตุใดการประมาณของบอร์น-ออพเพนไฮเมอร์จึงดีมาก?
- นิวเคลียสมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนหลายพันเท่า ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงปรับตัวเข้ากับการจัดเรียงนิวเคลียสเกือบจะทันที การพิจารณานิวเคลียสว่าอยู่กับที่เมื่อแก้สมการสำหรับอิเล็กตรอนจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ยกเว้นบริเวณที่สถานะอิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นภาวะเสื่อม
- ความแตกต่างระหว่างทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลและทฤษฎีพันธะวาเลนซ์คืออะไร?
- ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลสร้างออร์บิทัลที่กระจายไปทั่วทั้งโมเลกุล ในขณะที่ทฤษฎีพันธะวาเลนซ์อธิบายพันธะว่าเป็นคู่ของอิเล็กตรอนที่อยู่เฉพาะที่ซึ่งใช้ร่วมกันระหว่างอะตอมที่เฉพาะเจาะจง ทั้งสองเป็นวิธีการประมาณค่าฟังก์ชันคลื่นที่แม่นยำเดียวกันและสามารถนำมาประนีประนอมกันได้