Liên kết hóa học và Obitan phân tử

Liên kết hóa học mô tả cách các electron dùng chung giữ các nguyên tử lại với nhau trong phân tử, và lý thuyết obitan phân tử giải thích điều này bằng cách kết hợp các obitan nguyên tử thành các obitan phân tử không định xứ.

Definition

Liên kết hóa học là tương tác hấp dẫn ròng giữ các nguyên tử lại với nhau trong một phân tử, phát sinh theo cơ học lượng tử từ sự giảm năng lượng điện tử khi các electron được chia sẻ; một obitan phân tử là một hàm sóng một electron trải rộng trên toàn bộ phân tử, thường được xây dựng như một tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả cơ học lượng tử về liên kết hóa học: ion phân tử hydro và phân tử hydro làm nguyên mẫu, sự kết hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử để tạo ra các obitan phân tử liên kết và phản liên kết, bậc liên kết và mối quan hệ của nó với độ bền, và hình ảnh liên kết hóa trị bổ sung với sự lai hóa. Nó giải thích liên kết cộng hóa trị, sự chia sẻ electron, và các xu hướng về độ bền liên kết và tính từ tính trong các phân tử hai nguyên tử.

Core questions

• Tại sao việc chia sẻ electron lại làm giảm năng lượng của hai nguyên tử và hình thành liên kết?
• Các obitan phân tử được xây dựng từ các obitan nguyên tử như thế nào?
• Điều gì phân biệt các obitan liên kết với các obitan phản liên kết, và bậc liên kết là gì?
• Các mô tả obitan phân tử và liên kết hóa trị có liên quan với nhau như thế nào?

Key concepts

• Liên kết cộng hóa trị và sự chia sẻ electron
• Các obitan liên kết và phản liên kết
• Tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử
• Bậc liên kết
• Tương tác trao đổi
• Lai hóa và cộng hưởng

Key theories

Lý thuyết obitan phân tử (LCAO)

Kết hợp các obitan nguyên tử cùng pha tạo ra một obitan phân tử liên kết với mật độ electron tăng cường giữa các hạt nhân, và lệch pha tạo ra một obitan phản liên kết năng lượng cao hơn với một nút; việc điền đầy các obitan này xác định bậc liên kết và độ bền phân tử.

Lý thuyết liên kết hóa trị và liên kết cộng hóa trị

Heitler và London đã chứng minh bằng cơ học lượng tử rằng hai nguyên tử hydro liên kết với nhau thông qua tương tác trao đổi của các electron của chúng, cơ sở của hình ảnh liên kết hóa trị sau này được Pauling mở rộng với sự lai hóa và cộng hưởng.

Clinical relevance

Các lý thuyết obitan phân tử và liên kết hóa trị giải thích và dự đoán hình học, độ bền, khả năng phản ứng, và các tính chất từ tính và quang học của các phân tử, cung cấp ngôn ngữ khái niệm của hóa học và cơ sở cho các phương pháp tính toán được sử dụng trong khám phá thuốc và thiết kế vật liệu.

History

Nghiên cứu của Heitler và London năm 1927 về phân tử hydro là lời giải thích cơ học lượng tử đầu tiên về liên kết cộng hóa trị. Mulliken và Hund đã phát triển phương pháp obitan phân tử song song, và cuốn sách "Bản chất của liên kết hóa học" năm 1939 của Pauling đã tổng hợp các ý tưởng liên kết hóa trị với sự lai hóa và độ âm điện thành một khuôn khổ đã làm thay đổi hóa học.

Key figures

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

Seminal works

• heitler1927
• pauling1939
• atkins2011

Frequently asked questions

Bậc liên kết là gì?

Bậc liên kết là một nửa hiệu số giữa số electron trong các obitan phân tử liên kết và phản liên kết. Bậc liên kết cao hơn tương ứng với một liên kết mạnh hơn, ngắn hơn; bậc liên kết bằng 0 có nghĩa là không có liên kết bền nào hình thành, như đối với hai nguyên tử heli.

Tại sao oxy phân tử lại thuận từ?

Lý thuyết obitan phân tử đặt hai electron năng lượng cao nhất của O₂ vào các obitan phản liên kết suy biến riêng biệt với spin song song, để lại hai electron không cặp đôi. Điều này làm cho O₂ thuận từ, một kết quả mà hình ảnh liên kết hóa trị đơn giản không dự đoán được một cách tự nhiên.