Molekulák világa 2. kémiai szeminárium. Szilágyi András

Hasonló dokumentumok
Molekulák világa 1. kémiai szeminárium

A kémiai kötés magasabb szinten

A kémiai kötés magasabb szinten

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

FELADATMEGOLDÁS. Tesztfeladat: Válaszd ki a helyes megoldást!

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

Az anyagszerkezet alapjai. Az atomok felépítése

3. A kémiai kötés. Kémiai kölcsönhatás

A kovalens kötés elmélete. Kovalens kötésű molekulák geometriája. Molekula geometria. Vegyértékelektronpár taszítási elmélet (VSEPR)

A hidrogénmolekula. Energia

Az anyagszerkezet alapjai. Az atomok felépítése

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Az anyagszerkezet alapjai

ORVOSI KÉMIA. Az anyag szerkezete

Atomszerkezet. Atommag protonok, neutronok + elektronok. atompályák, alhéjak, héjak, atomtörzs ---- vegyérték elektronok

Thomson-modell (puding-modell)

A kovalens kötés polaritása

Kémiai kötések. Kémiai kötések. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

A hidrogénmolekula. Emlékeztető: az atompályák hullámok (hullámfüggvények!) A hullámokra érvényes a szuperpozíció (erősítés és kioltás) elve!

Elektronegativitás. Elektronegativitás

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

Kötések kialakítása - oktett elmélet

A kémiai kötés. Kémiai kölcsönhatás

Kémiai alapismeretek 2. hét

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

Atomok, elektronok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

Fizikai kémia 2. Előzmények. A Lewis-féle kötéselmélet A VB- és az MO-elmélet, a H 2+ molekulaion

Atomszerkezet. Atommag protonok, neutronok + elektronok. atompályák, alhéjak, héjak, atomtörzs ---- vegyérték elektronok

Szalai István. ELTE Kémiai Intézet 1/74

20/10/2016 tema04_biolf_

Periódusos rendszer (Mengyelejev, 1869) nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil

A periódusos rendszer, periodikus tulajdonságok

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Energiaminimum- elve


Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

A kémiai kötés magasabb szinten

Kémiai kötés: több atom reakcióba lépése során egy közös, stabil (telített) külső elektronhéj alakul ki.

Általános és szervetlen kémia 3. hét Kémiai kötések. Kötések kialakítása - oktett elmélet. Lewis-képlet és Lewis szerkezet

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

tema04_

A testek részecskéinek szerkezete

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

2, = 5221 K (7.2)

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Kémiai alapismeretek 3. hét

Az anyagok kettős (részecske és hullám) természete

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Slide 1 /39

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Az elemeket 3 csoportba osztjuk: Félfémek vagy átmeneti fémek nemfémek. fémek

Az egészen kis részek. e. meli 03

Fermi Dirac statisztika elemei

A SZILÁRDTEST FOGALMA. Szilárdtest: makroszkópikus, szilárd, rendezett anyagdarab. molekula klaszter szilárdtest > σ λ : rel.

A kvantummechanikai atommodell

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Vegyületek - vegyületmolekulák

Átmenetifém-komplexek mágneses momentuma

Előtétszó Jele Szorzó milli m 10-3 mikro 10-6 nano n 10-9 piko p femto f atto a 10-18

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Slide 1 /39

AZ ATOM. Atom: atommag + elektronfelhő = proton, neutron, elektron. Elemi részecskék

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Kémiai kötés Lewis elmélet

Az atomok szerkezete II.; A kémiai jelrendszer; A periódusos rendszer

4. Molekulák, ionok, kémiai alapelvek, a kémiai kötés típusai. Kémiai kötés kialakulásának oka: energianyereség.

Elektronok, atomok. Tartalom

Az anyagismeret kémiai- szerkezeti alapjai

Az elektronpályák feltöltődési sorrendje

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Modern fizika vegyes tesztek

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

dinamikai tulajdonságai

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

Kolloidkémia 1. előadás Első- és másodrendű kémiai kötések és szerepük a kolloid rendszerek kialakulásában. Szőri Milán: Kolloidkémia

Sillabusz orvosi kémia szemináriumokhoz 1. Kémiai kötések

I. Atomszerkezeti ismeretek (9. Mozaik Tankönyv: oldal) 1. Részletezze az atom felépítését!

Az atom felépítése Alapfogalmak

Equation Chapter 1 Section 1AZ ANYAGOK TULAJDONSÁGAIT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK. 1. ábra Az anyagok tulajdonságait befolyásoló tényezők

Mit tanultunk kémiából?2.

Kvantummechanika. - dióhéjban - Kasza Gábor július 5. - Berze TÖK

a Bohr-féle atommodell (1913) Niels Hendrik David Bohr ( )

Az atom- olvasni. 1. ábra Az atom felépítése 1. Az atomot felépítő elemi részecskék. Proton, Jele: (p+) Neutron, Jele: (n o )

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

8. Osztály. Kód. Szent-Györgyi Albert kémiavetélkedő

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

Atomok és molekulák elektronszerkezete

A molekulák szerkezetének leírásához a kémiai kötés elméletének a kidolgozása a szükséges feltétel, nem véletlen tehát, hogy ez az, ami a kémikust

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Kormeghatározás gyorsítóval

ELEMI RÉSZECSKÉK ATOMMODELLEK

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Bevezetés az általános kémiába

Általános és szervetlen kémia 3. hét. Kémiai kötések. Kötések kialakítása - oktett elmélet. Az elızı órán elsajátítottuk, hogy.

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Kémiai alapismeretek 2. hét

Megismerhető világ. Bevezetés a kémiába. Hullámok. Ismert kölcsönhatások. EM sugárzás fajtái (spektruma) Az atom felépítése

Anyagtudomány ANYAGSZERKEZETI ALAPISMERETEK GERZSON MIKLÓS

Atomszerkezet, kötések

Anyagtudomány. Anyagszerkezeti alapismeretek

Átírás:

Molekulák világa 2. kémiai szeminárium Szilágyi András

Kvantummechanikai ismétlés Kvantummechanikai részecskéről csak valószínűségi állítást tehetünk A részecske leírója a hullámfüggvény, ez kódolja a megtalálási valószínűséget ( Ψ 2 ΔV) és az impulzust (a görbe hullámhossza, változásának intenzitása ) Jól lokalizált részecske esetén (Δx kicsi) az impulzus bizonytalansága nagy (Δp nagy), valamint nagy helybizonytalanságú részecskénél az impulzus jól meghatározott (Heisenberg-féle határozatlansági reláció) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 2

A periódusos rendszer - kvatumszámok H-atom: proton Coulomb-potenciáljába bezárt elektron A H-atom elektronjának a hullámfüggvénye alapállapotban gömbszimmetrikus Gerjesztés hatására (energia befektetésével) ez a szimmetria megbomlik csomógömbök és csomósíkok jönnek létre A H-atom elektronjának állapotát (egyelőre) három kvantumszámmal lehet jellemezni Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 3

A periódusos rendszer - kvatumszámok Főkvantumszám (n) jelöli a (közel) azonos energiájú elektronok csoportját (héj) n = csomók száma + 1 n = 1,2,3, Mellékkvantumszám (l) meghatározza a pálya alakját l = a csomósíkok száma l = 0,, n-1 hagyományosan: l=0 s, l=1 p, l=2 d, l=3 f Mágneses kvantumszám (m l ) a pálya térbeli orientációját határozza meg m l = -l, -l+1,, 0,, l-1, l (összesen 2l+1 térbeli orientáció) s-pálya: 1 orientáció; p-pálya: 3 orientáció, d-pálya: 5 orientáció Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 4

A periódusos rendszer - kvatumszámok 1s (n=1, l=0, g=0) nincs csomó Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 5

A periódusos rendszer - kvatumszámok 1s (n=1, l=0, g=0) nincs csomó 2s (n=2, l=0, g=1) egy csomógömb Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 6

A periódusos rendszer - kvatumszámok 1s (n=1, l=0, g=0) nincs csomó 2s (n=2, l=0, g=1) egy csomógömb 2p (n=2, l=1, g=0) egy csomólap (3 irányítás) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 7

A periódusos rendszer - kvatumszámok 1s (n=1, l=0, g=0) nincs csomó 2s (n=2, l=0, g=1) egy csomógömb 2p (n=2, l=1, g=0) egy csomólap (3 irányítás) 3s (n=3, l=0, g=2) két csomógömb Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 8

A periódusos rendszer - kvatumszámok 1s (n=1, l=0, g=0) nincs csomó 2s (n=2, l=0, g=1) egy csomógömb 2p (n=2, l=1, g=0) egy csomólap (3 irányítás) 3s (n=3, l=0, g=2) két csomógömb 3p (n=3, l=1, g=1) egy csomógömb, egy csomólap (három irányítás) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 9

A periódusos rendszer - kvatumszámok 1s (n=1, l=0, g=0) nincs csomó 2s (n=2, l=0, g=1) egy csomógömb 2p (n=2, l=1, g=0) egy csomólap (3 irányítás) 3s (n=3, l=0, g=2) két csomógömb 3p (n=3, l=1, g=1) egy csomógömb, egy csomólap (három irányítás) 3d (n=3, l=2, g=0) két csomólap (öt irányítás) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 10

A periódusos rendszer - kvatumszámok Nézzünk nagyobb rendszámú atomokat! Az elektronok száma megegyezik a rendszámmal. Milyen pályára kerülnek a további elektronok? Tapasztalatok szerint Az 1s pályára két elektron kerülhet r H r He <r Li A harmadik már a kisebb energiájú (kevésbé kötött) 2s pályára kerül Ha egy állapot betelik, egy következőbe kerülnek az elektronok További kiépülésnél: egy adott kvantumszám-hármassal (n,l,m l ) jellemzett állapotban csak két elektron lehetséges! Ennek a két elektronnak a spinje (saját mágneses momentuma) ellentétes. Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 11

A periódusos rendszer - kvatumszámok Spinkvantumszám (m l ) Az elektron saját mágneses momentuma m l = +1/2 ( fel, ), -1/2 ( le, ) Pauli-elv: Egy kvantumállapotban legfeljebb két, ellentétes spinű elektron tartózkodhat. Az n főkvantumszámú héjon összesen elektron tartózkodhat: N(n=1)=2, N(n=2)=8, N(n=3)=18, n Adott mellékkvantumszám mellett: N(s)=2, N(p)=6, N(d)=10, 1 N( n) = 2(2l + 1) = 2n l= 0 2 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 12

A periódusos rendszer Egy elektront négy kvantumszámmal lehet jellemezni: főkvantumszám (n) mellékkvantumszám (l) mágneses kvantumszám (m l ) spinkvantumszám (m s ) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 13

A periódusos rendszer Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 14

A periódusos rendszer Az elektronhéjak kiépülésének elvei Egyelektronos rendszerekben az energia csak a főkvantumszámtól függ: E n = me 4 1 2 2 2 2 32π ε 0 h n Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 15

A periódusos rendszer Az elektronhéjak kiépülésének elvei Többelektronos rendszerekben az energia nem csak a főkvantumszámtól függ: egy 2p állapotú elektron jobban érzi az 1s elektron leárnyékoló hatását, mint a mag közelébe is eljutó 2s elektron: E 2p > E 2s, hasonlóan 3p és 3s-re is: E 3p > E 3s. Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 16

A periódusos rendszer Az energiasorrend: 1s << 2s < 2p << 3s < 3p << 4s < 3d < 4p << 5s 4d < 5p << 6s Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 17

A periódusos rendszer Az elektronhéjak kiépülésének elvei Egy (n,l,m l ) kvantumállapotban legfeljebb két elektron tartózkodhat (Pauli-elv) Az elektronhéjak növekvő energia szerint népesülnek be (Aufbau-elv) Az azonos energiájú pályák egyensúlyban általában úgy töltődnek be, hogy az elektronok azonos spinnel, különböző pályákra kerüljenek, így csökkentve egymás taszítását (Hund-féle maximális multiplicitás elve) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 18

A periódusos rendszer H (1s) 1 He (1s) 2 Li (1s) 2 (2s) 1 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 19

A periódusos rendszer Be (1s) 2 (2s) 2 B (1s) 2 (2s) 2 (2p x ) 1 C (1s) 2 (2s) 2 (2p x ) 1 (2p y ) 1 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 20

A periódusos rendszer N (1s) 2 (2s) 2 (2p x ) 1 (2p y ) 1 (2p z ) 1 O (1s) 2 (2s) 2 (2p x ) 2 (2p y ) 1 (2p z ) 1 F (1s) 2 (2s) 2 (2p x ) 2 (2p y ) 2 (2p z ) 1 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 21

A periódusos rendszer gömbölyű elektronfelhő ( p x +p y +p z gömbszimmetrikus) 2 2 2 Ψ (2 px) + Ψ(2 px) + Ψ(2 px ) ~ ~ ( x 2 + y 2 + z 2 )e r / 2r = r e 0 2 r / 2 r 0 nagy távolság 2p és 3s között Ne (1s) 2 (2s) 2 stabil elektronszerkezet, nem reakcióképes nemesgáz (2p x ) 2 (2p y ) 2 (2p z ) 2 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 22

Ionok, ionos kötés Miért keletkeznek ionok? Pozitív ionok keletkezésére a klasszikus fizika is tud magyarázatot adni +Ze töltésű atommag, ha Z-nél kevesebb elektron veszi körül: pozitív ion könnyen adnak le egy illetve két elektront (Li +, Na +, K +, Be 2+, Mg 2+, Ca 2+ ), a kialakuló szerkezetek már gömbölyű (nemesgáz-konfiguráció) elektronszerkezetűek, tovább nehezen bonthatók egy periódusban tovább haladva növekszik a mag elektromos töltése, erősödik az e megkötöttsége, az ionizáció egyre nehezebb Negatív ionok keletkezése klasszikusan nehezen magyarázható! Mi,,vesz rá egy semleges atomot egy negatív elektron befogadására? Kvantummechanikára van szükség! Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 23

Ionok, ionos kötés Tekintsünk egy F-atomot teljes töltése nulla (9e - + 9p + ) elektronszerkezete: 1s 2 2s 2 2p x2 2p y2 2p z 1 az elektronszerkezet nem homogén, hiányzik egy,,csutka, a 2p z -pályáról egy elektron a gömbszimmetriához a töltéseloszlás nem homogén, a sarkoknál pozitív, az egyenlítőn negatív töltésű zóna alakul ki az elektromosan aktív sarkok egy 10. elektront is magukhoz tudnak vonni és meg tudnak kötni Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 24

Ionok, ionos kötés Tekintsünk egy F-atomot teljes töltése nulla (9e - + 9p + ) elektronszerkezete: 1s 2 2s 2 2p x2 2p y2 2p z 1 az elektronszerkezet nem homogén, hiányzik egy,,csutka, a 2p z -pályáról egy elektron a gömbszimmetriához a töltéseloszlás nem homogén, a sarkoknál pozitív, az egyenlítőn negatív töltésű zóna alakul ki az elektromosan aktív sarkok egy 10. elektront is magukhoz tudnak vonni és meg tudnak kötni Az oktettszerkezetre való törekvés a Pauli-elv és a Coulomb-erő következménye Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 25

Ionok, ionos kötés a LiF kialakulása Kiindulásként Li- és F-atomok egyenlő mennyiségben Egy Li-atom külső elektronjának leválasztásához I Li =0,9 aj szükséges Ezt az elektront befogadja egy F-atom, energianyereség: A=0,6 aj A keletkezett Li- és F-ion sugara r + =70 pm és r - =130 pm (ennél közelebb kerülve az elektronállapotok átfednek, ez sérti a Pauli-elvet!) 2 e 4πε 0( r + + r ) A Coulomb-vonzás energianyeresége =1,15 aj. I LI 2 e < A + 4πε ( 0 r + + r ) A befektetett (ionizációs) energia kisebb, mint a felszabaduló, így az ionkötés bizonyos esetekben kedvezőbb, mint az atomos állapot! Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 26

Kovalens kötés Miért keletkeznek kovalens molekulák? Független atomok általában nem jelentik az energetikailag legkedvezőbb állapotot Az ionos kötés mellett többek között létrejön kovalens kötés is A klasszikus fizika nem ad magyarázatot arra, hogy két semleges atom (pl. H-atom) miért vonzza egymást és miért jön létre stabil, kötött H 2 molekulaállapot! az elektronegativitások egyenlők, vagy csak kissé különböznek nincs ok arra, hogy az elektronok csak az egyik magra összpontosuljanak a jelenség nem magyarázható a Coulomb-vonzással. Kvantummechanikára van szükség! Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 27

Kovalens kötés A H 2+ -molekulaion létrejöttének vázlatos magyarázata. Ha az elektront egy proton zárja be, mozgásterének átmérője 2a 0 =100 pm, a hely bizonytalansága Δx a 0. Ha ehhez a kötött rendszerhez egy másik protont közelítünk, az elektron futópályája megnő, az elektronhullám szétterül, az impulzus-bizonytalanság így az elektron kinetikus energiája csökken A csökkenő kinetikus energia kompenzálhatja a protonok Coulomb-taszítását, létrejöhet a H 2+ -molekula. Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 28

Kovalens kötés A molekulába kötött elektron alapállapoti állóhulláma lógjon túl 10%- kal a protonok kijelölte szakaszon. Ekkor az alap-elektronhullám félhullámhossza: λ R h = R + 2 λ = = 2, 4R 2 10 mv Az elektron mozgási energiája (sebesség becslése de-broglie-val): 2 2 h h h v = Em = = 2 2 m λ 2m(2,4R) 11,5mR Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 29

Kovalens kötés Az elektronfelhő a két proton közötti távolság felénél a legsűrűbb. Egyszerűsítésként sűrítsük ide az összes töltést, ekkor a potenciális energiák: 2 2 e e E( pp) =, E( pe) = E( ep) = 4πε R 4πε ( R / 2) 0 0 A teljes energia pedig: E( R) = Em + E( pp) + 2 E( pe) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 30

Kovalens kötés Teljes négyzetté alakítás és kerekítés után: 2 h 1 E( R) = 3,4 m R 1 2,25a 0 2 4 3 I H a 0 me 2 4 4πε0h = 2 2 2 2 me 32π ε 0 h a H-atom sugara, I H = a H-atom ionizációs energiája Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 31

Kovalens kötés Teljes négyzetté alakítás és kerekítés után: Minimuma 2 h 1 E( R) = 3,4 m R 1 2,25a 4 R = 2,25r0 -nál, ekkor E( R) = I H = 2, 9 aj. 3 0 2 4 3 I H Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 32

Kovalens kötés Teljes négyzetté alakítás és kerekítés után: Minimuma 2 h 1 E( R) = 3,4 m R 1 2,25a 4 R = 2,25r0 -nál, ekkor E( R) = I H = 2, 9 aj. 3 Ez az állapot energetikailag kedvezőbb, mint az atomi! 0 2 4 3 I H Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 33

Kovalens kötés A kinyúlt elektronpálya annyira csökkenti a kvantumnyüzsgést, hogy ez az energianyereség kompenzálja a protonok taszítását Az elektron inkább vesz részt a p + -e - -p + rendszerben, mint a H- atomba zárva: kovalens molekula jön létre A H 2+ -rendszer mért adatai: R H2+ =106 pm, D H2+ =0,4 aj. A kötött töltése miatt magához vonz még egy elektront, létrejön a H 2 -molekula: R H2 =87 pm (<R H2+ ); D H2 =0,73 aj (<2 D H2+ ) Az egynél több atommagot átfogó elektron-állóhullám a molekulapálya. Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 34

Az LCAO-módszer Molekulákat építenénk fel atomokból Ismertek az atomi elektronpályák (AO: atomic orbital) A kötés létrejötte után az elektronok kiterjedtebb pályára kerülnek: molekulapályák (MO: molecular orbital) Egyszerű feltételezés: molekulapályák az atompályák összegéből jönnek létre (lineárkombináció) LCAO: Linear Combination of Atomic Orbitals Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 35

Az LCAO-módszer 1s pályák Kötőpálya a két atomi hullámfüggvény összegéből (fázisban adjuk össze őket) Ψ = N( Ψ + Ψ ) Ψ = NΨ + NΨ + 2NΨ k A B 2 k 2 A 2 A A Ψ B közelítés, mert nem veszi figyelembe B protonnak az A atomállapotra és A protonnak a B atomállapotra való hatását N<1 szükséges normálás miatt interferenciatag megnöveli az elektronsűrűséget a két mag között a széleken a töltés lecsökken (N<1) kötőpálya Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 36

Az LCAO-módszer 1s pályák Lazítópálya a két atomi hullámfüggvény különbségéből (ellenfázisban összeadva) Ψ = N( Ψ Ψ ) Ψ = NΨ + NΨ 2NΨ k A B 2 k 2 A 2 A A Ψ B közelítés, mert nem veszi figyelembe B protonnak az A atomállapotra és A protonnak a B atomállapotra való hatását N>1 szükséges normálás miatt interferenciatag lecsökkenti az elektronsűrűséget a két mag között a széleken a töltés megnő (N>1) lazítópálya Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 37

Az LCAO-módszer 1s pályák Molekulapálya 1s elektronokból Azonos fázisban összeadva őket: kötőpálya, nagy elektronsűrűség a két mag között Ellentétes fázisban összeadva: lazítópálya, kis elektronsűrűség a magok között Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 38

Az LCAO-módszer 1s pályák Két AO-ból két MO Ha a két atom azonos, azonos mértékben járulnak hozzá az MO-hoz Kezdetben mindkét atomnak egy elektronja van Az MO-n az elektronok spinje csak ellentétes lehet (Pauli-elv) Két elektron az atommagok között összetartja a molekulát Kötőpálya energiája kb. annyival van az atomi szint alatt, mint amennyivel a lazító felette Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 39

Az LCAO-módszer 1s pályák Két AO-ból két MO Ha a két atom azonos, azonos mértékben járulnak hozzá az MO-hoz Kezdetben mindkét atomnak egy elektronja van Az MO-n az elektronok spinje csak ellentétes lehet (Pauli-elv) Két elektron az atommagok között összetartja a molekulát Lazítópálya energiája többel van az atomi szint alatt, mint amennyivel a kötő alatta egy elektront előléptetve a kötés felbomlik Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 40

Az LCAO-módszer 1s pályák Csináljuk hélium-molekulát hélium atomokból (1s 2 )! A harmadik elektron a Pauli elv miatt már lazítópályára kerül, ekkor a rendszer még kötött: He 2+ létezik A negyedik elektron is a lazítópályára került, ekkor két kötő és két lazító: nincs He 2 molekula Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 41

Az LCAO-módszer kötésrend Általánosan Az állóhullám-minták alakja a Pauli-elv miatt korlátozza a molekulák létrejöttét Kötő molekulapálya akkor jön létre, ha mindekét atomban van adott atomállapotban magányosan tartózkodó elektron Egy ilyen vegyérték -0,5-0,1 aj energiával járul hozzá a disszociációs energiához Ha az elektronok száma nagy, egyes elektronok lazítópályára kerülnek, gyengítik a kötést Lazítópálya jobban akadályozza a kötés létrejöttét, mint amennyire a kötőpálya segíti. Kötés rendje (vegyértéke)= = (e - száma a kötő MO-kon e - száma a kötő MO-kon)/2 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 42

Az LCAO-módszer p-pályák Nem csak s pályák fedhetnek át, hanem p-k is! Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 43

Az LCAO-módszer p-pályák A molekulatengely irányába eső pályák (2p x ) átfedéséből létrejövő kötő és lazítópálya a 2pσ és 2pσ* MO. σ-pályák (általánosan): a molekulatengely körül forgásszimmetrikus MO-k Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 44

Az LCAO-módszer p-pályák A molekulatengely irányára merőleges pályák (2p y,2p z ) átfedéséből létrejövő kötő és lazítópálya a 2pπ és 2pπ* MO. π-pályák (általánosan): a molekulatengely körül nem forgásszimmetrikus MO-k Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 45

Az LCAO-módszer s és p-pályák σ-pályák (forgásszimmetria): Ψ A (s)±ψ B (s) sσ, sσ* (s s), Ψ A (s)±ψ B (p x ) spσ x, spσ x *(s p), Ψ A (p x )±Ψ B (p x ) pσ x, pσ x *(p p) szimmetriája miatt a molekula két része egymáshoz képest elfordulhat közelebb esnek a vonzó atommaghoz, stabilabbak, keményebbek Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 46

Az LCAO-módszer s és p-pályák π-pályák (nincsen forgásszimmetria): Ψ A (p y )±Ψ B (p y ) pπ y, pπ y *(p p), Ψ A (p z )±Ψ B (p z ) pπ z, pπ z *(p p), Ψ A (p z )±Ψ B (d) pdσ z, pdσ z *(p d),... elforgatáskor: csökken a p-pályák átfedése energetikailag kedvezőtlen (a molekularészek nem tudnak elfordulni) távolabb esnek az atommagtól, lágyak, polarizálhatók, elektromosan érzékenyek Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 47

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) 1sσ 1sσ* Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 48

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) 2sσ 2sσ* Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 49

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) 2p x σ Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 50

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) 2p y π Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 51

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) 2p z π Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 52

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) energetikailag mélyen ülő,,core MO-k nem játszanak szerepet, mert E(1sσ) -E(1sσ*) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 53

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) valenciaelektronok (legkülső, n=2 héjon) egy 2pσ-kötés két 2pπ-kötés (π y, π z ) E(2sσ) -E(2sσ*), nemkötő (magányos) elektronpárok Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 54

Az LCAO-módszer N 2 -molekula N 2 molekula két N atomból (1s 2 2s 2 2p 3 ) Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 55

Az LCAO-módszer N 2, O 2 N 2 és O 2 molekula (1s 2 2s 2 2p 3 és 1s 2 2s 2 2p 4 ) N 2 O 2 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 56

Az LCAO-módszer N 2, O 2 N 2 és O 2 molekula (1s 2 2s 2 2p 3 és 1s 2 2s 2 2p 4 ) a kötőpályák e - -száma 10, a lazítópályáké 4 a kötés rendje 3 nagy disszociációs energia (D=1,2 aj) nagy energiakülönbség az utolsó betöltött (2pπ) és az első betöltetlen (2pπ*) MO között nehezen gerjeszthető, alig reakcióképes N 2 Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 57

Az LCAO-módszer N 2, O 2 N 2 és O 2 molekula (1s 2 2s 2 2p 3 és 1s 2 2s 2 2p 4 ) a két további elektron lazítópályára kerül, de taszítják egymást 2pπ y *-ra és 2pπ z *-ra a kötőpályák e - -száma 10, a lazítópályáké 6 a kötés rendje 2 kisebb disszociációs energia (D O2 ⅔D N2 =0,8 aj) könnyen gerjeszthető, jól reakcióképes, puha elektronszerkezet Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 58 O 2

Az LCAO-módszer ionos vagy kovalens Azonos atomokból felépülő molekuláknál a kötőpályához való elektronhozzájárulás mindkét atomnál azonos. Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 59

Az LCAO-módszer ionos vagy kovalens Ha nem azonosak a kötésben résztvevő atomok, az energiaszintek, tehát az elektronéhségek (elektronegativitások) különböznek. Ha kicsi a különbség a kötés még kovalens... Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 60

Az LCAO-módszer ionos vagy kovalens Ha nagy akkor inkább ionos... Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 61

Az LCAO-módszer ionos vagy kovalens Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 62

A kémiai kötés Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 63

Irodalom Kvantummechanika kémiai szemszögből: D. O. Hayward: Quantum Mechanics for Chemists, Royal Society of Chemistry, UK, 2002 P. W. Atkins: Fizikai kémia II., Nemzeti Tankönyvkiadó, 1998 Kvantummechanikai szimulációk: www.falstad.com/qmatom winter.group.shef.ac.uk/orbitron csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/flash.mhtml Molekulák világa - 2. kémiai szeminárium 64