Cấu trúc phân tử và liên kết
Cấu trúc phân tử và liên kết mô tả cách các nguyên tử kết hợp thành phân tử thông qua các electron dùng chung, và cách sự tách biệt chuyển động hạt nhân và điện tử làm cho cơ học lượng tử phân tử trở nên khả thi.
Definition
Cấu trúc phân tử và liên kết là nghiên cứu về cách các electron liên kết các hạt nhân thành các phân tử bền vững và về các hình học cân bằng và mức năng lượng thu được, dựa trên việc giải phương trình Schrödinger phân tử trong sự tách biệt Born–Oppenheimer giữa chuyển động điện tử và hạt nhân.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm cơ sở cơ học lượng tử của các phân tử: phép gần đúng Born–Oppenheimer tách chuyển động điện tử nhanh khỏi chuyển động hạt nhân chậm và xác định các bề mặt thế năng; các lý thuyết về liên kết hóa học, bao gồm các mô hình obitan phân tử và liên kết hóa trị; và chuyển động quay và dao động của các hạt nhân trên các bề mặt thu được. Nó giải thích hình học phân tử, sự hình thành liên kết và cấu trúc mức năng lượng làm nền tảng cho quang phổ phân tử.
Sub-topics
Core questions
- Sự khác biệt lớn về khối lượng giữa hạt nhân và electron cho phép chúng ta tách chuyển động của chúng như thế nào?
- Điều gì giữ các nguyên tử lại với nhau trong một phân tử, và một liên kết hóa học được mô tả bằng cơ học lượng tử như thế nào?
- Các obitan phân tử hình thành từ các obitan nguyên tử như thế nào?
- Các hạt nhân chuyển động—quay và dao động—trên bề mặt thế năng điện tử như thế nào?
Key concepts
- Sự tách biệt Born–Oppenheimer
- Bề mặt thế năng
- Các obitan phân tử (LCAO)
- Các obitan liên kết và phản liên kết
- Bậc liên kết và độ dài liên kết
- Các mức dao động và quay
Key theories
- Phép gần đúng Born–Oppenheimer
- Vì các hạt nhân nặng hơn electron rất nhiều, phương trình Schrödinger điện tử được giải cho các hạt nhân cố định để đưa ra một bề mặt thế năng, trên đó các hạt nhân sau đó chuyển động; sự tách biệt này làm nền tảng cho hầu hết tất cả các lý thuyết cấu trúc phân tử.
- Lý thuyết obitan phân tử
- Các obitan phân tử được xây dựng dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử làm phân bố electron trên toàn bộ phân tử, với các tổ hợp liên kết và phản liên kết giải thích bậc liên kết, độ bền và tính chất từ.
- Cấu trúc quay–dao động
- Trên một bề mặt điện tử nhất định, các hạt nhân dao động gần trạng thái cân bằng và quay như một khối, tạo ra một thang các mức dao động, mỗi mức mang một tập hợp các mức quay tổ chức phổ phân tử.
Clinical relevance
Hiểu biết về cấu trúc phân tử và liên kết là nền tảng của toàn bộ hóa học và khoa học vật liệu—dự đoán khả năng phản ứng, hình học và phổ—và các bề mặt thế năng mà nó xác định là điểm khởi đầu cho hóa học tính toán, thiết kế thuốc và giải thích mọi dạng quang phổ phân tử.
History
Cơ học lượng tử đã được áp dụng cho các phân tử gần như ngay sau khi nó được hình thành: Heitler và London đã xử lý phân tử hydro vào năm 1927, cùng năm Born và Oppenheimer đã chứng minh việc tách chuyển động hạt nhân và điện tử. Hund và Mulliken sau đó đã phát triển lý thuyết obitan phân tử, và Pauling đã xây dựng mô hình liên kết hóa trị bổ sung của liên kết hóa học.
Key figures
- Max Born
- Robert Oppenheimer
- Friedrich Hund
- Robert Mulliken
Related topics
Seminal works
- born1927
- atkins2011
- bransden2003
Frequently asked questions
- Tại sao phép gần đúng Born–Oppenheimer lại tốt đến vậy?
- Các hạt nhân nặng hơn electron hàng nghìn lần, vì vậy electron điều chỉnh gần như ngay lập tức với bất kỳ cấu hình hạt nhân nào. Việc coi các hạt nhân là cố định khi giải cho các electron chỉ gây ra một sai số nhỏ, ngoại trừ gần các điểm mà các trạng thái điện tử trở nên suy biến.
- Sự khác biệt giữa lý thuyết obitan phân tử và lý thuyết liên kết hóa trị là gì?
- Lý thuyết obitan phân tử xây dựng các obitan phân bố trên toàn bộ phân tử, trong khi lý thuyết liên kết hóa trị mô tả các liên kết là các cặp electron cục bộ được chia sẻ giữa các nguyên tử cụ thể. Cả hai đều là các phép gần đúng cho cùng một hàm sóng chính xác và có thể được điều hòa.