a vb- és az mo-elmélet és a h 2 + molekulaion

30
A VB- és az MO-elmélet és a H 2 + molekulaion Fizikai kémia 2. előadás 1. rész dr. Berkesi Ottó

Upload: neith

Post on 04-Feb-2016

45 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

A VB- és az MO-elmélet és a H 2 + molekulaion. Fizikai kémia 2. előadás 1. rész dr. Berkesi Ottó. Előzmények. Az atomok szerkezetének kvantummecha-nikai leírása – 1920-30-as évek A kémikusok akkori képe a kémiai kötésről: Lewis-féle elmélet , amelyet Önök sav-bázis elméletként ismernek. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A VB- és az MO-elmélet és a H2+

molekulaion

Fizikai kémia 2. előadás 1. részdr. Berkesi Ottó

Page 2: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Előzmények

• Az atomok szerkezetének kvantummecha-nikai leírása – 1920-30-as évek

• A kémikusok akkori képe a kémiai kötésről:• Lewis-féle elmélet, amelyet Önök sav-bázis

elméletként ismernek

Page 3: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A Lewis-féle kötéselmélet

H . .Cl

H:Cl

Page 4: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A Lewis-féle kötéselmélet

H3N: H+

NHH

H

H

+

Page 5: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A Lewis-féle kötéselmélet

CO

OO C

O

OO

rezonancia alakok

COO

O 2-

C

O

OO

Page 6: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A VB-elmélet

• A H2 molekulára elvégzett számítások azt mutatták, hogy az az állapot, amikor a két elektron párosított spinű állapotban van, a molekula stabil, ha párhuzamos spinűek, akkor viszont szétesik. Ezt terjesztik ki!

• VB – Valence Bond – Vegyértékkötés-el-mélet: a kémiai kötést az ellentétes spinnel párosított elektronok hozzák létre.

Page 7: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A molekulák alakja• Kötés abba az irányba alakul ki, amelyik irányba atomi

pályák mutatnak!• Következmény: pl. a víz és az ammónia 90°-os kötésszögű

lenne – a kísérletek mást mutatnak!• Miért lineáris a CO2, miért tetraéderes a CH4?• Vegyértékelektronok taszításának elmélete (VSEPR): A

központi atom körüli elektronpárok taszítják egymást és a lehető legmesszebb kerülnek egymástól. A hibridpályák - sp, sp2, sp3 stb. - konstruálásával létre lehetett hozni a megfelelő irányba mutató pályákat. – Az alak már jó, de a szög értéke nem mindig helyes!

• Kiegészítő feltételezés: A nem kötő elektronpárok erő-sebben taszítanak mint a kötők – nagyobb a térigényük!

Page 8: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A VB-elmélet

• Megállapítható tehát, hogy a VB-elmélet önállóan nem tudja a molekulák alakját megjósolni, csak kiegészítő elméletekkel kvalitatívan magyarázni. A pontos számításokhoz, a szerkezet ismeretében különböző határszerkezeteket lehet és kell felírni.

• Hiányosságai miatt az ötvenes évek végére átadja a helyét a fizikusok elképzelésére alapuló MO-elméletnek, amelynek az alapjaival ismerkedünk meg!

Page 9: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Az MO-elmélet

• MO – Molecular Orbital – Molekulapálya-elmélet

• Az alapja az a feltételezés, hogy a molekulák elektronszerkezetének leírása nem alapulhat más törvényszerűségeken, mint amiket az atomok szerkezetének a leírásánál felhasználtak.

Page 10: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Az MO-elmélet

• Az atomi pályán lévő elektron állapotát a megfelelő AO-hul-lámfüggvénnyel írjuk le, amelyet az határoz meg, hogy milyen töl-tésű mag erőterében helyezkedik el az elek-tron, azaz a mag erőtere hozza azt létre!

• A molekulapályán lé-vő elektron állapotát a megfelelő MO-hul-lámfüggvénnyel írjuk le, amelyet az határoz meg, hogy a molekulát alkotó magok milyen eredő erőteret hoznak létre.

Page 11: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Az MO-elmélet

• Az elektronok atomi pályákra történő be-épülésére vonatkozó törvényszerűségek:

• Pauli-féle kizárási elv• Felépülési elv• Hund-féle maximális

multiplicitás elve

• Az elektronok mole-kulapályákra történő beépülésére vonatkozó törvényszerűségek:

• Pauli-féle kizárási elv• Felépülési elv• Hund-féle maximális

multiplicitás elve

Page 12: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Az MO-elmélet

• Az atomok azért jön-nek létre, mert az elek-tronok az atomi pályá-kon alacsonyabb ener-giájú állapotban van-nak, mint amikor a magtól végtelen mesz-szire találhatók, azaz nincsen a mag és köz-tük kölcsönhatás.

• Az molekulák azért jönnek létre, mert az elektronok a molekula pályákon alacsonyabb energiájú állapotban vannak, mint amikor atomi pályákon he-lyezkednek el, az adott magkonfiguráció mel-lett.

Page 13: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Az MO-elmélet

• A kémiai kötés tehát abból származtatható, hogy az egyensúlyi magkonfiguráció esetén kialakuló molekulapályákra lépő elektronok összes energiája csökken az atomi

pályán lévő elektronok összes energiájához képest!

Page 14: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

EV

m2

2

2

R

r1 r2

RrreV 111

4 210

2

Page 15: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

2ee

2pp vm

21vm

21

1836vv

mm

2p

2e

e

p

R

r1 r2

pe v43v

= konstansés a Vp-p is konstans

Page 16: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

R

ψMO hasonlít az ψAO-khoz ahol az e- csak az egyik mag erőterében van,ezért jó közelítés, ha azok lineáris kombinációjaként állítjuk elő, azaz ψMO = c1 ψ1(AO) + c2 ψ2(AO) ahol c1 és c2 valós számok.

ψMO=?

Ψ1(AO) Ψ2(AO)

Page 17: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

MOMOMOMOMO EH *^*

MOMOMO EH^

MOMOMOMOMO EH *^*

ddH MOMOMOMOMO E *^*

ddH MOMOMOMOMO E *^*

Page 18: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

d

dHH

MOMO

MOMO

MOE*

^*

^

ψMO = c1 ψ1(AO) + c2 ψ2(AO)

ahol c1 és c2 megkötés nélküli valós számok

Page 19: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

d

d

EMO

)c c()c c(

)c c(H)c c(

2(AO)21(AO)12(AO)21(AO)1

2(AO)21(AO)12(AO)21(AO)1

*

^*

d

d

d

d

1(AO)

*

1(AO)2(AO)

*

1(AO)1(AO)

*

1(AO)

2

1

1(AO)

*

1(AO)1(AO)

*

2(AO)2(AO)

*

1(AO)1(AO)

*

1(AO)

2

1

2(AO)21(AO)1

*

2(AO)22(AO)21(AO)1

*

1(AO)1

*

HcHcc2Hc

HcHccHccHc

)HcHc(c )HcHc(c

)Hc H c()c c(

2221

221221

2(AO)21(AO)12(AO)21(AO)1számlálóA

=

Page 20: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

d

ddd HcHccHcEMO

)c c()c c(

2

2(AO)21(AO)12(AO)21(AO)1*

2

^*

2

2

22

^*

1211

^*

1

2

1

d

d

d

1(AO)

*

1(AO)2(AO)

*

1(AO)1(AO)

*

1(AO)

2

1

1(AO)

*

1(AO)1(AO)

*

2(AO)2(AO)

*

1(AO)1(AO)

*

1(AO)

2

1

2(AO)21(AO)1

*

2(AO)22(AO)21(AO)1

*

1(AO)1

2221

221221

nevezőA

ccc2c

cccccc

)cc(c )cc(c=

Page 21: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

ddd

ddd

cccc

HcHccHcEMO

2

*

2

2

22

*

1211

*

1

2

1

2

^*

2

2

22

^*

1211

^*

1

2

1

2

2

1*

dii Az atomi pályák normáltsága miatt

cccc

HcHccHcE

d

ddd

MO2

22

*

121

2

1

2

^*

2

2

22

^*

1211

^*

1

2

1

2

2

Page 22: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

0^

*

diii H Coulomb-integrál, az atomi pálya energiája

0^

*

djiij H Rezonancia integrál, az AOMO át-menettel kapcsolatos energiatag

köztiésdjiijS 10*

Átfedési integrál, tartózkodási való-színűség változása a két mag között

cccc

HcHccHcE

d

ddd

MO2

22

*

121

2

1

2

^*

2

2

22

^*

1211

^*

1

2

1

2

2

Page 23: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

cScccccccEMO 2

21221

2

1

2

2

212211

2

1

22

mivel mindkettő a H1s pályája, ezért α1= α2 = α

cSccccccc

EMO 2

221

2

1

2

221

2

1

22

Nem lehet poláros, azaz az e- tartózkodási valószínűsége azonosa két mag körül, tehát ∫c1

2Ψ12 dτ = ∫c2

2 Ψ22 dτ is igaz, amiből

következik, hogy c12 ∫Ψ1

2 dτ = c22∫ Ψ2

2 dτ és c12 = c2

2

β12= β és S12= S

Page 24: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

cSccccc

E 222

222

22

Az egyik eset, ha c1 = c2 = c.

SScccc

12222

22

22

c1 c2+

erősítő interferencia

Page 25: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

cSccccc

E 222

222

22

A másik eset, ha c1 = -c2 = c.

SScccc

12222

22

22

c1 -c2+

gyengítő interferencia

csomósík

Page 26: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaion

2121és0

1

SE

21- 21

val!-0 egyenlő és nagyobbkisebb,

lehet1

SE

R4ππeV

0

2

pp

Page 27: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

-25

-20

-15

-10

-5

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

R/pm

E/eV

5

7

9

11

13

15

17

Mag

-mag

tasz

ítás/

eV

E-/eVE+/eVTeljes E/eVMag-mag/eV

A H2+ molekulaion

S

1

Re

De

S

1

Page 28: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

A H2+ molekulaionE/eV

-7,36

-13,49

-18,60

cc

cc

c=0,7071

-5,11eV

De = 5,11 eV - Vp-p = 1,8 eV

Page 29: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

VB versus MO• A H2

+ molekulaion kozmikus sugarak hatására létrejön a természetben is, és plazmakisüléssel elő is állítható, tehát a számítás eredménye he-lyes!

• A kémiai kötés kialakításához nincs szükség párosított spínű elektronpárokra! – ez csak a VB-elmélet ma már egyértelműen bizarr fizi-kai feltételezése, mert az elektronok taszítják egymást és a maximális multiplicitású spin-állapot az alacsonyabb energiájú a párosított-hoz képest!

Page 30: A VB- és az MO-elmélet és a H 2 +  molekulaion

Ajánlott irodalom

• P.W. Atkins, Fizikai Kémia II. Szerkezet, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp., 2002, 491-496, 500-505 old.

• http://hu.wikipedia.org/wiki/Vegyértékkötés-elmélet illetve http://en.wikipedia.org/wiki/Valence_bond_theory

• http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_orbital• http://en.wikipedia.org/wiki/Born-Oppenheimer• http://en.wikipedia.org/wiki/H2%2B• Veszprémi Tamás, Fehér Miklós, A kvantumkémia

alapjai, MK, Bp., 2002.