Lý thuyết quỹ đạo phân tử

Lý thuyết quỹ đạo phân tử mô tả các electron trong một phân tử chiếm các quỹ đạo trải rộng trên tất cả các nguyên tử, được hình thành bằng cách kết hợp các quỹ đạo nguyên tử thành trạng thái liên kết và phản liên kết.

Definition

Lý thuyết quỹ đạo phân tử là một mô hình hóa học lượng tử trong đó các electron chiếm các quỹ đạo phân tử, thường được xây dựng dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các quỹ đạo nguyên tử, mở rộng trên toàn bộ phân tử và xác định liên kết cũng như các tính chất của nó.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả quỹ đạo phân tử của liên kết: sự kết hợp tuyến tính của các quỹ đạo nguyên tử, sự hình thành các quỹ đạo phân tử liên kết và phản liên kết, và sự xây dựng cấu hình electron phân tử để đưa ra bậc liên kết, hành vi từ tính và độ bền. Nó bao gồm việc xử lý các phân tử hai nguyên tử và đa nguyên tử đơn giản, các quỹ đạo sigma và pi, mối quan hệ giữa sự chồng chéo quỹ đạo và năng lượng, và các công cụ định tính như đối xứng quỹ đạo và quỹ đạo biên. Cơ chế biến phân tổng quát và phương pháp Hartree-Fock tự nhất quán được xử lý trong chủ đề phương pháp.

Core questions

• Các quỹ đạo phân tử được xây dựng như thế nào từ sự kết hợp của các quỹ đạo nguyên tử?
• Điều gì phân biệt quỹ đạo liên kết với quỹ đạo phản liên kết, và chúng ảnh hưởng đến độ bền như thế nào?
• Bậc liên kết được suy ra như thế nào từ sự chiếm giữ của các quỹ đạo phân tử?
• Lý thuyết quỹ đạo phân tử giải thích từ tính của các phân tử như oxy như thế nào?

Key concepts

• Tổ hợp tuyến tính của các quỹ đạo nguyên tử
• Các quỹ đạo liên kết và phản liên kết
• Bậc liên kết
• Các quỹ đạo sigma và pi
• Các quỹ đạo biên (HOMO và LUMO)

Key theories

Cấu trúc quỹ đạo phân tử LCAO

Các quỹ đạo phân tử được xấp xỉ bằng tổng có trọng số của các quỹ đạo nguyên tử; các tổ hợp xây dựng tập trung mật độ electron giữa các hạt nhân để tạo ra các quỹ đạo liên kết, trong khi các tổ hợp phá hủy tạo ra các nút và các quỹ đạo phản liên kết.

Nguyên lý Aufbau và bậc liên kết

Việc điền các quỹ đạo phân tử theo thứ tự năng lượng tăng dần theo nguyên lý Pauli và quy tắc Hund cho cấu hình electron, từ đó suy ra bậc liên kết, số cặp electron liên kết ròng và các tính chất từ tính.

Clinical relevance

Lý thuyết quỹ đạo phân tử giải thích độ bền liên kết, màu sắc, từ tính và khả năng phản ứng, là cơ sở cho lý luận quỹ đạo biên về tính chọn lọc của phản ứng, và hướng dẫn thiết kế thuốc nhuộm, chất bán dẫn, vật liệu quang điện và các phân tử thuốc liên hợp.

History

Lý thuyết quỹ đạo phân tử được Hund và Mulliken phát triển từ cuối những năm 1920 như một sự thay thế cho lý thuyết liên kết hóa trị của Pauling; cách xử lý của Huckel về các hệ pi liên hợp vào những năm 1930 và các ý tưởng quỹ đạo biên sau này của Fukui cùng các quy tắc Woodward-Hoffmann đã khiến nó trở thành trung tâm để hiểu về khả năng phản ứng.

Key figures

• Robert S. Mulliken
• Friedrich Hund
• Erich Huckel

Seminal works

• mcquarrie1997
• levinequantum2014

Frequently asked questions

Tại sao lý thuyết quỹ đạo phân tử dự đoán rằng oxy có từ tính?

Việc điền các quỹ đạo phân tử của phân tử oxy để lại hai electron không cặp trong các quỹ đạo pi phản liên kết suy biến, làm cho nó trở thành thuận từ; thành công này, mà các mô hình cặp electron đơn giản bỏ qua, là một thành tựu ban đầu của lý thuyết.

HOMO và LUMO là gì, và tại sao chúng lại quan trọng?

Chúng là các quỹ đạo phân tử bị chiếm cao nhất và không bị chiếm thấp nhất; vì các phản ứng và kích thích điện tử thường liên quan đến các quỹ đạo biên này, năng lượng và hình dạng của chúng ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng phản ứng, màu sắc và hành vi điện tử của một phân tử.