Teorie Molekulových Orbitalů (MO)

Podobné dokumenty
Born-Oppenheimerova aproximace

Symetrie Platonovská tělesa

Symetrie Platonovská tělesa

Překryv orbitalů. Vznik vazby překryvem orbitalů na dvou různých atomech A, B Obsazeno dvojicí elektronů Ψ = Ψ A Ψ Β

Teorie chemické vazby a molekulární geometrie Molekulární geometrie VSEPR

Kmity a rotace molekul

Teorie hybridizace. Vysvětluje vznik energeticky rovnocenných kovalentních vazeb a umožňuje předpovědět prostorový tvar molekul.

Víceatomové molekuly s jedním centrálním atomem

13. Spektroskopie základní pojmy

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Molekuly 2. Víceatomové molekuly s jedním centrálním atomem. Hybridizace. Hybridizace sp 3. Hybridizace

John Dalton Amadeo Avogadro

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Od kvantové mechaniky k chemii

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

Molekuly 1 12/4/2011. Molekula definice IUPAC. Molekuly. Proč existují molekuly? Kosselův model. Představy o molekulách

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK

Vybrané spektroskopické metody

Orbitaly, VSEPR 1 / 18

Orbitaly, VSEPR. Zdeněk Moravec, 16. listopadu / 21

Chemická vazba. John Dalton Amadeo Avogadro

Vybrané metody spektráln. lní analýzy. Metody charakterizace nanomaterálů I

Metody charakterizace nanomaterálů I

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Chemická vazba. Důvody pro vazbu = menší energie atomů ve vázaném stavu než energie jednotlivých oddělených atomů

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Periodická tabulka prvků

2.3 CHEMICKÁ VAZBA. Molekula bílého fosforu P 4 a kyseliny sírové H 2 SO 4. Předpona piko p je dílčí jednotkou a udává velikost m.

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

Barevné principy absorpce a fluorescence

Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

Průvodka. CZ.1.07/1.5.00/ Zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

Elektronový obal atomu

10A1_IR spektroskopie

VÍTEJTE V MIKROSVĚTĚ

ATOM VODÍKU MODEL : STOJÍCÍ BODOVÉ JÁDRO A ELEKTRON VZÁJEMNĚ ELEKTROSTATICKY INTERAGUJÍCÍ SCHRÖDINGEROVA ROVNICE PRO PŘÍPAD POTENCIÁLNÍ ENERGIE.

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/VIS OBLASTI SPEKTRA

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. VII. Spektroskopie a fotochemie

Periodická soustava prvků

Chemická vazba. Příčinou nestability atomů a jejich ochoty tvořit vazbu je jejich elektronový obal.

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

Vazby v pevných látkách

Barevné principy absorpce a fluorescence

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

4 Přenos energie ve FS

ATOMOVÉ JÁDRO. Nucleus Složení: Proton. Neutron 1 0 n částice bez náboje Proton + neutron = NUKLEON PROTONOVÉ číslo: celkový počet nukleonů v jádře

Spektroskopie v UV-VIS oblasti. UV-VIS spektroskopie. Roztok KMnO 4. pracuje nejčastěji v oblasti nm

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

přičemž předpokládáme A malé, U zahrnuje coulombické členy. Když roznásobíme závorku, p 2 reprezentuje kinetickou energii nabitých částic, člen

Opakování

Chemická vazba. Molekula vodíku. Elektronová teorie. Oktetové pravidlo (Kossel, Lewis, 1916) Pevnost vazby vazebná energie.


Nekovalentní interakce

Termodynamika - Formy energie

Nekovalentní interakce

Orbitaly ve víceelektronových atomech

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie. UV-vis oblast. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Absorpční fotometrie

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Přírodovědecká fakulta Organická chemie

Chemická vazba. Důvody pro vazbu = menší energie atomů ve vázaném stavu než energie jednotlivých oddělených atomů

Struktura atomů a molekul

A až E, s těmito váhami 6, 30, 15, 60, 15, což znamená, že distribuce D dominuje.

FLUORIMETRICKÉ STANOVENÍ FLUORESCEINU

Periodická soustava prvků

Viková, M. : ZÁŘENÍ II. Martina Viková. LCAM DTM FT TU Liberec, (hranol, mřížka) štěrbina. Přednášky z : Textilní fyzika

Molekuly. Vazby, přechody mezi energetickými hladinami, laser

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

13 Elektronová struktura molekul

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Elektronová a absorpční spektroskopie, Vibrační spektroskopie (absorpční a Ramanova rozptylu)

Periodická soustava prvků Prvky známé od nepaměti: Au, Ag, Fe, S, C, Zn, Cu, Sn, Pb, Hg, Bi P první objevený prvek, Hennig Brand (1669) Lavoisier

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Kvantová mechanika - model téměř volných elektronů. model těsné vazby

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

2. Polarita vazeb, rezonance, indukční a mezomerní

Transkript:

Teorie Molekulových Orbitalů (MO) Kombinace atomových orbitalů na všech atomech v molekule Vhodná symetrie Vhodná (podobná) energie Z n AO vytvoříme n MO Pro začátek dvouatomové molekuly: H 2, F 2, CO,... Vazebný MO v molekule H 2 Stejně i pro víceatomové: BF 3, CH 4,... 1

Born-Oppenheimerova aproximace 2

Interference vlnových funkcí Konstruktivní + + Destruktivní + + 3

LCAO = Lineární kombinace atomových orbitalů Kombinace dvou vlnových funkcí (orbitalů) se stejným znaménkem Ψ = c 1 Ψ A +c 2 Ψ Β Ψ = c 3 Ψ A c 4 Ψ Β Kombinace dvou vlnových funkcí (orbitalů) s opačným znaménkem 4

LCAO = Lineární kombinace atomových orbitalů Ψ = c 1 Ψ A +c 2 Ψ Β Ψ = c 3 Ψ A c 4 Ψ Β Ψ Protivazebný MO Atomové orbitaly 1 s 1 s odečíst sečíst Počet MO = počet AO Ψ Vazebný MO 5

LCAO = Lineární kombinace atomových orbitalů 6

Ψ Protivazebný MO Ψ Vazebný MO 7

Rozdíl mezi VB a MO VB MO H H H H Lokalizované vazby Delokalizované vazby 8

Ψ Protivazebný MO Energetická destabilizace stabilizace Ψ Vazebný MO ve srovnání s volnými atomy 9

π MO vzniklé kombinací p AO Protivazebný π MO Vazebný π MO 10

H 3 + Vzrůstá energie, klesá stabilita Protivazebný MO Nevazebný MO Vazebný MO Vzrůstá počet uzlových rovin 11

H 3 + Vzrůstá energie, klesá stabilita Protivazebné MO Vzrůstá počet uzlových rovin Vazebný MO 12

LCAO = Lineární kombinace AO LCAO obecně pro n atomů a m orbitalů Ψ i = c 1 Ψ 1 +c 2 Ψ 2 + c 3 Ψ 3 +...+ c n Ψ n Ze 6 AO (s+2p+3s) vznikne 6 MO MO s nejnižší energií, nemá žádnou uzlovou rovinu, nejvíce vazebný, kombinace po jednom AO z každého atomu, všechny se stejným znaménkem 13

Aufbau Hund Pauli Zaplňování MO elektrony Pravidla pro zaplňování MO elektrony Protivazebný MO Vazebný MO 14

Řád vazby Řád = emo * emo 2 Řád vazby = ½ (počet vazebných e počet protivazebných e) 15

σ 1s Řád vazby σ 1s 1s 0.5 1s 1s 1.0 1s σ 1s H 2 + kation σ 1s H 2 molekula σ 1s σ 1s 1s 0.5 1s 1s 0.0 1s σ 1s He 2 + kation σ 1s He 2 molekula 16

Řád vazby Molekula Vazebné elektrony Protivaz. elektrony Řád vazby Délka vazby, Å Vazebná energie, kj mol 1 H 2 + 1 0 0.5 1.06 255 H 2 2 0 1 0.74 432 He 2 + 2 1 0.5 1.08 230 He 2 2 2 0 --- 0 1 elektronová vazba: 1 vazebný e tvoří silnější vazbu než 2 vazebné a 1 protivazebný e 17

18

MO vzniklé kombinací p AO + z z x + x + y y 19

MO vzniklé kombinací p AO Protivazebný MO σ 2pz * Vazebný MO σ 2pz 20

MO vzniklé kombinací p AO Protivazebný MO π 2px * Vazebný MO π 2px 21

Pi vazba v ethenu pomocí MO LUMO = nejnižší neobsazený MO HOMO = nejvyšší obsazený MO 22

Typy molekulových orbitalů Lepší překryv snižuje energii vazebného MO a zvyšuje energii protivazebného MO: σ > π > δ 23

Tvorba MO z d orbitalů σ π δ σ π δ d(z 2 ) d(z 2 ) d(xz) d(xz) d(yz) d(yz) d(x 2 y 2 ) d(x 2 y 2 ) 24 d(xy) d(xy)

Mísení s-p orbitalů Energeticky blízké orbitaly na stejném atomu se mohou smíchat Bez mísení s-p Mísení s-p velký rozdíl s-p malý rozdíl s-p 25

Energie Bez mísení s-p Mísení s-p σ 2s σ 2s Pro O 2 až Ne 2 Pro H 2 až N 2 26

Diatomické molekuly π 2p Vzrůstající s-p mísení Pro O 2 až Ne 2 Pro H 2 až N 2 27

Interakční diagram pro Li 2 až N 2 σ* 2p π* 2p π* 2p 2p x 2p y 2p z 2p x 2p y 2p z E σ 2p π 2p π 2p 2s σ* 2s 2s σ 2s 28

29

30

Diatomické molekuly 31

Diatomické molekuly v plynné fázi Délka (pm) E vaz (kj mol -1 ) Li-Li σ 2 2s 267 110 Be...Be σ 2s2 σ* 2 2s?? B-B σ 2s2 σ* 2s2 π 2 2p 159 290 C=C σ 2s2 σ* 2s2 π 4 2p 124 602 N N σ 2s2 σ* 2s2 π 2p4 σ 2 2p 110 942 O=O σ 2s2 σ* 2s2 σ 2p2 π 2p4 π* 2 2p 121 494 F-F σ 2s2 σ* 2s2 σ 2p2 π 2p4 π* 4 2p 142 155 32

N 2 trojná vazba O 2 paramagnetická molekula 33

Kyslík a jeho molekulové ionty O 2 + O 2 O 2 O 2 2 Počet valenčních elektronů 11 12 13 14 Obsazení HOMO π x * a π y * Řád vazby 2.5 2.0 1.5 1.0 Délka vazby, pm 112 121 126 149 34

Multiplicita M = 2 S + 1 S = součet nepárových spinů (½) v atomu nebo molekule M název S 1 singlet 0 2 dublet ½ 3 triplet 1 4 kvartet 1½ 5 kvintet 2 6 sextet 2½ 35

Singletový kyslík 1 Δ Tripletový kyslík 3 Σ 95 kj mol -1 36

Počet val. elektr. Izoelektronové sloučeniny Příklady diatomických částic 9 10 11 12 13 14 BO, CN, CP, CO + N 2, CO, CN, BF, NO +, TiO, SiO O 2+, NO, SO + O 2, SO O 2, Cl 2+, ClO F 2, O 2 2, ClO 37

Ψ = c 3 Ψ A c 4 Ψ Β MO v polárních molekulách χ(a) << χ(b) iontová vazba c 1 0 vazebný MO = Ψ Β c 4 0 protivazebný MO = Ψ A χ(a) < χ(b) polární vazba c 1 <c 2 vazebný MO má větší příspěvek od B c 3 >c 4 protivazebný MO má větší příspěvek od A Ψ = c 1 Ψ A +c 2 Ψ Β χ(a) = χ(b) nepolární vazba c 1 = c 2 c 3 = c 4 stejný příspěvek od obou atomů 38

MO v polárních molekulách, HF Protivazebný MO Nevazebný MO Slabě vazebný MO Vazebný MO Vazebný MO koncentrován na atomu s vyšší elektronegativitou - F Protivazebný MO koncentrován na atomu s nižší elektronegativitou - H 39

σ* pz MO v CO LUMO π* px, y HOMO σ pz π px, y σ* s σ* s σ s C + O 10 elektronů 40

LUMO σ* pz π* px, y σ pz C O π px, y Volný e pár na C HOMO σ* s Volný e pár na O σ s 41 C O

42

43

Molekulové orbitaly CH 4 Použité atomové orbitaly C s + 3 p 4H 4 s C + 4H 8 elektronů 44

Molekulové orbitaly CH 4 AO uhlíku MO methanu AO vodíku 45

PES methanu souhlasí s modelem MO Plocha = 3 Plocha = 1 46

47

H H H Benzen H H H Oddělený pohled na sigma a pi systém 48

Vazebné MO v benzenu 49

C 3 H 3 + C 4 H 4 2+ 50

C 5 H 5 51

C 6 H 6 52

1,3-butadien H H H H H H LUMO HOMO 53

Molekulové ionty IE O O 2 2 + + e Odtržení nejslaběji vázaného e v HOMO 54

Molekulové ionty CN + e CN Přidání e do HOMO 55

Excitace molekul E celk = E(elektronová) + E(vibrační) + E(rotační) + E ost Jednotlivé složky E celk jsou nezávislé velmi rozdílné velikosti (Bornova-Oppenheimmerova aproximace) E(elektron) 100 kj mol 1 UV a viditelná E(vibrační) 1.5 50 kj mol 1 Infračervená E(rotační) 0.1 1.5 kj mol 1 Mikrovlnná a daleká IČ 56

Kvantování rotační energie E(rotační) = (ħ 2 /2I) J(J +1) J = rotační kvantové číslo I = moment setrvačnosti (μ r 2 ) μ = m 1 m 2 /(m 1 + m 2 ) Výběrové pravidlo ΔJ = ±1 Rotační energie Za normální teploty jsou molekuly v mnoha excitovaných rotačních stavech, rotační energie srovnatelná s tepelnou energií pohybu molekul 57

Mikrovlnná spektroskopie Rotační spektra jen pro látky v plynné fázi Lze získat velmi přesná data o vazebných délkách a úhlech I = moment setrvačnosti = μ r 2 Vazebná délka v H 2 0.74116 Å 58

Vibrační energie Kvantování vibrační energie E(vibrační) = k ħ 2 (v + ½) v = vibrační kvantové číslo Výběrové pravidlo Δv= ±1 Energie nulového bodu: Pro v = 0 E(vibrační) = ½ k ħ 2 H 2 E(disoc) = 432 kj mol 1 E(v = 0) = 25 kj mol 1 Za normální teploty jsou molekuly v základním vibračním stavu v = 0 59

Vibrační energie Molekula Vibrační energie, cm 1 H 2 D 2 H 2 + 4159.2 2990.3 2173 ΰ = 1/2π (k /m) ½ 60

Rotačně vibrační spektrum HCl (g) IČ oblast ν 0 = 2886 cm 1 ν 0 Δv= ±1 ΔJ = ±1 61

Typy vibrací Valenční Deformační 62

Vibrační spektroskopie Oblast λ (μm) vlnočet (cm 1 ) Blízká IČ 0.78-2.5 12800-4000 Střední IČ 2.5-50 4000-200 Daleká IČ 50-1000 200-10 Nejužitečnější oblast 4000 400 cm 1 obsahuje vibrace většiny molekul 63

Infračervená a Ramanova spektroskopie Infračervená spektroskopie Vibrace musí měnit dipolový moment molekuly (HCl, H 2 O) Průchod IČ záření přes vzorek, měříme absorbované množství Ramanova spektroskopie Vibrace musí měnit polarizaci molekuly (H 2 ) Průchod viditelného záření (laser) přes vzorek, měříme rozptýlené množství 64

ΰ = 1/2π (k /m) ½ 65

Elektronová energie Výběrové pravidlo ΔS = 0 S 1 T 1 S 1 IE(S 1 ) Excitovaný stav r eq < r* Základní stav S 0 LUMO HOMO IE(S 0 ) S 0 IE(S 0 ) > IE(S 1 ) povolený zakázaný 66

Molekula H 2 H 2 H 2 + + e r eq (H 2 ) = 0.74 Å r* (H 2+ ) = 1.06 Å E disoc (S 0 ) = 432 kj mol 1 E disoc (S 1 ) = 255 kj mol 1 S 1 E disoc (S 1 ) Excitovaný (*) stav H 2 + Základní stav IE(H 2 ) = 1490 kj mol 1 E disoc (S 0 ) S 0 H 2 r eq < r* E disoc (S 0 ) > E disoc (S 1 ) 67

Elektronové přechody Prázdné Zaplněno elektrony 68

Elektronové přechody 150 nm σσ 180 nm ππ 69

Elektronové přechody 190 nm nσ 285 nm nπ 70

Excitace - deexcitace Excitovaný stav vr Základní elektronický stav 71

Excitace - deexcitace 72

Excitace - deexcitace A = absorpce fotonu vr = vibrační relaxace, uvolnění tepla IC = vnitřní přeměna, nezářivá, mezi stavy se stejnou multiplicitou, spinově povolená ISC = mezisystémový přechod, nezářivá, mezi stavy se různou multiplicitou, spinově zakázaný F = fluorescence, spinově povolená emise S 1 S 0, rychlá, vyzáření fotonu P = fosforescence, spinově zakázaná emise T 1 S 0, pomalá, vyzáření fotonu 73

vr IC ISC vr A F P 74

I = I 0 exp[ ε(λ) cd] % Transmitance = (I / I 0 ) 100 Lambert-Beerův zákon Absorbance = log(i / I 0 ) = ε(λ) c d ε(λ) = molární extinkční koeficient c = molární koncentrace (M) d = délka kyvety Platí pro určitou λ Johann H. Lambert (1728-1777) August Beer (1825-1863) 75

Absorpčí spektrum 76

77

Mechanismy přetržení chemické vazby Termální excitace dodaná tepelná energie je napumpována do vibračních modů (valenčních vibrací), vazba se prodlužuje, zeslabuje, až se přeruší relativně pomalé, 10 12 s Elektronická excitace energie dopadajícího záření (fotony, elektrony) je použita na excitaci vazebného elektronu do protivazebného orbitalu okamžité, 10 15 s 78

Mechanismy přetržení chemické vazby Smíšená vibračně elektronická excitace energie (tepelná) několika vibrací (fononů) je spojena a napumpována do elektronického přechodu valenčního elektronu do protivazebného orbitalu 79