Kimyo · Kimyoviy bog‘lanish · 1-kurs

Molekula: orbitallar, simmetriya

Nega suyuq kislorod magnit qutblari orasida osilib qoladi, suyuq azot esa to‘kiladi?

Vaziyat

Navoiyazot kabi azot zavodlarida havo ajratish qurilmasi havoni −190 °C atrofigacha sovitib suyultiradi va haydab, azot hamda kislorodga ajratadi. Zavod laboratoriyasida laborant ikkala suyuqlikni kuchli elektromagnit qutblari orasidan quyib ko‘rsatadi: suyuq azot to‘g‘ri tushib ketadi, och havorang suyuq kislorod esa qutblar orasida osilib qoladi. Ikkala molekula ham ikki atomli, ikkalasi ham rangsiz gaz — farq qayerda? Javob elektronlar joylashgan molekulyar orbitallarda, molekula shakli va simmetriyasida.

Mavzu

Molekula tuzilishi: orbitallar, simmetriya va qutblilik. Navoiyazotning havo ajratish qurilmasi: suyuq kislorod kuchli magnit qutblari orasida osilib qoladi, suyuq azot esa to‘kilib ketadi. Nega? Javob — molekulyar…

Asosiy tushunchalar

MO diagrammasi
Nuqtaviy guruhlar
Dipol va refraksiya

Formulalar

ψ = c_{A} φ_{A} \pm c_{B} φ_{B}

MO LCAO: molekulyar orbital — atom orbitallarining chiziqli kombinatsiyasi; «+» bog‘lovchi, «−» bo‘shashtiruvchi (tugunli).

n_{bog‘} = \frac{N_{bog‘lovchi} - N_{bo‘shashtiruvchi}}{2}

Bog‘ tartibi: N₂ — 3, O₂ — 2, F₂ — 1, He₂ — 0. Tartib ortsa bog‘ qisqaradi va mustahkamlanadi.

E_{k} = α + 2 β \cos \frac{k π}{n + 1}

Xyukkel usuli: n ta uglerodli chiziqli π-sistemaning sathlari ( $β < 0$ ); halqa uchun $E_{k} = α + 2 β \cos (2 π k / n)$ .

R_{M} = \frac{n^{2} - 1}{n^{2} + 2} \cdot \frac{M}{ρ} = \frac{4 π}{3} N_{A} α^{'}

Lorens–Lorents: molyar refraksiya (sm³/mol) — elektron qutblanuvchanlik o‘lchovi, atom va bog‘lar refraksiyalaridan additiv yig‘iladi.

\frac{ε - 1}{ε + 2} \cdot \frac{M}{ρ} = \frac{N_{A}}{3 ε_{0}} (α + \frac{μ^{2}}{3 k T})

Klauzius–Mossotti–Debay: qutblanish elektron/atom qismi (α) va doimiy dipollarning orientatsion qismi (μ²/3kT).

Nazariya

Kovalent bog‘: to‘yinuvchanlik, yo‘naluvchanlik, gibridlanish

Kovalent bog‘ to‘yinuvchan — atom faqat toq elektronlari (yoki bo‘sh orbital va juftlari) soniga teng bog‘ hosil qiladi, va yo‘naluvchan — orbitallar ma’lum yo‘nalishda qoplanadi. Valent bog‘lar (VB) nazariyasida bog‘ — ikki atom orbitalining qoplanishi: o‘q bo‘ylab σ, yonma-yon π. Markaziy atomning s va p orbitallari aralashib, teng gibrid orbitallar beradi: sp³ (s-ulushi 1/4, 109,5°, CH₄), sp² (1/3, 120°, etilen — qolgan p orbital π-bog‘ beradi), sp (1/2, 180°, asetilen — ikkita p orbital ikkita π-bog‘ beradi, shuning uchun C≡C uch karrali). Teng gibridlar orasidagi burchak $\cos θ = - a / (1 - a)$ ( $a$ — s-ulush). Bog‘ karraligi (tartibi) ortsa uzunlik kamayadi, energiya ortadi; elektromanfiylik farqi bog‘ni qutbli qiladi, elektron bulutining tashqi maydonda siljishi — qutblanuvchanlik. Gillespi (VSEPR) qoidalari va molekula shakllari — «Kimyoviy bog‘lanish turlari» tajribasida; chiziqli (CO₂, C₂H₂), yassi (BF₃, C₆H₆) va hajmiy (CH₄, SF₆) molekulalar bu yerda simmetriya rejimida.

Molekulyar orbitallar nazariyasi

MO LCAO usulida elektronlar butun molekulaga tegishli orbitallarda joylashadi. Ikki atom orbitali qo‘shilganda ikkita MO hosil bo‘ladi: bog‘lovchi (fazalari mos, yadrolar orasida zichlik ortadi, energiya pasayadi) va bo‘shashtiruvchi (yadrolar orasida tugun tekisligi, energiya ko‘proq ko‘tariladi). Elektronlar Pauli prinsipi va Xund qoidasi bo‘yicha joylashadi. 2-davr molekulalarida Li₂–N₂ uchun 2s va 2p energiyalari yaqin, ular aralashib σ2p ni π2p dan yuqoriga ko‘taradi — shuning uchun B₂ paramagnit, C₂ diamagnit; O₂ va F₂ da 2s–2p farqi katta, tartib odatiy. O₂: (σ2s)²(σ*2s)²(σ2p)²(π2p)⁴(π*2p)² — ikki juftlashmagan elektron, paramagnit, bog‘ tartibi 2. Bu Lyuis formulasi (O=O, hamma elektron juft) tushuntira olmaydigan faktni MO nazariyasi oldindan aytadi. Geteroyadroli CO, NO, HF da bog‘lovchi orbitallar elektromanfiyroq atom tomonga siljigan. HOMO–LUMO farqi (energetik tirqich) reaksion qobiliyat va yutilish spektrini belgilaydi. H₂ ning potensial egri chizig‘i va spektrlar — «Molekula: bog‘lanish va spektr», atom orbitallarining shakli — «Vodorod atomi orbitallari» tajribalarida.

π-sistemalar: Xyukkel usuli va aromatiklik

Tutash qo‘shbog‘li molekulalarda σ-skelet va π-elektronlar alohida qaraladi. Xyukkel usuli (eng sodda yarim empirik usul): har uglerod bitta $p_{z}$ orbital beradi, $H_{i i} = α$ (kulon integrali), qo‘shni atomlar uchun $H_{i j} = β$ (rezonans integrali, $β < 0$ ), qolganlari va qoplanish 0. Sekulyar tenglama yechimi: etilen $α \pm β$ ; butadiyen $α \pm 1,618 β$ , $α \pm 0,618 β$ ; benzol $α + 2 β$ , $α + β$ (2 ta), $α - β$ (2 ta), $α - 2 β$ . Delokalizatsiya energiyasi: butadiyen $0,472 β$ , benzol $2 β$ . Benzolni gidrogenlash issiqligi ≈ −208 kJ/mol, siklogeksenniki ≈ −120 kJ/mol: $3 \cdot (- 120) - (- 208) \approx 150$ kJ/mol barqarorlik, demak $| β | \approx 75$ kJ/mol. Xyukkel qoidasi: yassi halqada $4 n + 2$ π-elektron (benzol — 6) — aromatik, barqaror; $4 n$ (siklobutadiyen — 4) — antiaromatik: ikki elektron ikkita bog‘lanmaydigan sathda juftlashmagan. Hisoblash usullari (Xyukkel, kengaytirilgan Xyukkel, ab initio) bog‘ tartibi, zaryad taqsimoti, ionlanish potensiali va HOMO–LUMO tirqichini beradi; sahnadagi MO sathlari ham shunday sodda model bilan chizilgan.

Simmetriya elementlari, nuqtaviy guruhlar va kristallar

Simmetriya amali molekulani o‘zi bilan ustma-ust tushiradi; uni bajaradigan geometrik obyekt — element: $C_{n}$ o‘qi ( $360 ° / n$ ga burish), $σ$ tekislik (aks ettirish; $σ_{h}$ — bosh o‘qqa perpendikulyar, $σ_{v}$ , $σ_{d}$ — o‘qdan o‘tuvchi), $i$ markaz (inversiya), $S_{n}$ (burish + perpendikulyar tekislikda aks ettirish), $E$ (ayniyat). Amallar ko‘paytiriladi (ketma-ket bajariladi): $σ \cdot σ = E$ , $C_{3} \cdot C_{3} = C_{3}^{2}$ , $C_{2} \cdot σ_{h} = i$ ; molekulaning barcha amallari nuqtaviy guruh hosil qiladi: H₂O $C_{2 v}$ (4 amal), NH₃ $C_{3 v}$ (6), BF₃ $D_{3 h}$ (12), CH₄ $T_{d}$ (24), SF₆ $O_{h}$ (48), C₆H₆ $D_{6 h}$ (24), CO₂ $D_{\infty h}$ . Guruh blok-sxema bo‘yicha topiladi (taxtada). Inversiya markazi, bir nechta $C_{n}$ o‘qi yoki bosh o‘qqa perpendikulyar $σ_{h}$ tekisligi bor molekulalar qutbsiz: dipol faqat $C_{1}$ , $C_{s}$ , $C_{n}$ , $C_{n v}$ guruhlarida bo‘lishi mumkin. Komplekslarda ham geometriya simmetriya bilan ifodalanadi: oktaedr $O_{h}$ , tetraedr $T_{d}$ , yassi kvadrat $D_{4 h}$ . Kristallarda nuqtaviy simmetriyaga translatsion simmetriya qo‘shiladi: elementar yacheyka butun panjarani takrorlaydi; 7 ta singoniya (kub, tetragonal, rombik, monoklin, triklin, trigonal, geksagonal) va 14 Brave panjarasi. Atom, molekulyar, ion va metall panjaralar; bir modda qatlamlari turlicha joylashgan politiplar (SiC, ZnS). Tuzilish rentgen-struktur tahlil bilan aniqlanadi — «Kristall va amorf jismlar» tajribasida.

Dipol, qutblanuvchanlik va refraksiya (laboratoriya)

Dipol momenti $μ = q l$ (1 D = 3,336·10⁻³⁰ C·m) — molekuladagi zaryadlar markazlarining siljishi; bu yerda vektor manfiy uchidan musbat uchiga yo‘nalgan. Bog‘ dipollari vektor qo‘shiladi: CO₂, BF₃, CCl₄, trans-C₂H₂Cl₂ da yig‘indi 0, lekin CO₂ ning kvadrupol momenti bor. Maydonda dielektrik qutblanadi: elektron (bulut siljiydi), atom (yadrolar siljiydi) va orientatsion (doimiy dipollar buriladi; $μ^{2} / 3 k T$ — harorat ko‘tarilsa kamayadi) qutblanish — Klauzius–Mossotti–Debay tenglamasi. Yorug‘lik chastotasida faqat elektron qismi ulguradi: $ε \to n^{2}$ , Lorens–Lorents tenglamasi molyar refraksiya $R_{M}$ ni beradi; u additiv: $R (C H_{2}) \approx 4,62$ , C 2,418, H 1,100, O(OH) 1,525, Cl 5,967, C=C 1,733 sm³/mol. Laboratoriya: Abbe refraktometri prizmasiga 2–3 tomchi suyuqlik tomiziladi, okulyardagi yorug‘–qorong‘i chegara kompensator bilan rangsizlantiriladi va dastak bilan xochga keltiriladi, shkaladan $n_{D}$ (4 xona) o‘qiladi (20 °C). $R_{M}$ hisoblanib, additiv qiymat bilan solishtiriladi; qand eritmalarining $n$ i bo‘yicha darajalash egri chizig‘i chizilib, noma’lum eritma konsentratsiyasi topiladi. Qattiq jismlarning taqiqlangan sohasi va yarim o‘tkazgichlar — «Qattiq jismlarda zonalar» tajribasida.

Molekulalararo kuchlar; xavfsizlik va model

Van-der-Vaals kuchlari $U = - C_{6} / r^{6}$ : orientatsion (Kezom, $μ^{4} / 3 {(4 π ε_{0})}^{2} k T$ ), induksion (Debay, $2 α^{'} μ^{2} / 4 π ε_{0}$ ) va dispersion (London, $\frac{3}{4} α^{' 2} I$ ). Hisob ko‘rsatadi: HCl, HBr, HI da ham asosiy hissa — dispersion; faqat suvda orientatsion hissa ustun. Vodorod bog‘ (F, O, N dagi H va qo‘shni molekulaning bo‘linmagan jufti) bundan ham kuchli: NH₃, H₂O, HF qaynash harorati o‘z guruhidagi og‘irroq gidridlarnikidan yuqori. Ion–dipol ta’sir tuzlarni suvda eritadi; donor–akseptor molekulyar komplekslar (masalan, I₂·benzol) zaif bog‘ hosil qiladi. Real gazlar va kritik holat — «Real gazlar» tajribasida. Xavfsizlik: suyuq azot va kislorod (−196 / −183 °C) teriga sovuq kuyish beradi — himoya ko‘zoynagi va qo‘lqop; suyuq O₂ yog‘, qog‘oz va organik moddalar bilan portlovchi aralashma hosil qiladi, olovdan uzoq tuting. Benzol, CCl₄, xloroform zaharli — refraktometriyani tortish shkafida bajaring. Model: MO sathlari sxematik (atom orbital energiyalari va sodda Xyukkel tipidagi model), izosirtlar tugunsiz Sleyter orbitallari bilan chizilgan; bog‘ dipollari Δχ ga proporsional (HCl bo‘yicha darajalangan) — lone juftlar va induksiya hisobga olinmagan, shuning uchun model μ tajribadagidan farq qiladi; magnit kuchi sifat jihatdan ko‘rsatilgan.

Bilasizmi?

Robert Malliken 1966-yilda «kimyoviy bog‘lar va molekulalarning elektron tuzilishini molekulyar orbitallar usulida tadqiq qilgani uchun» kimyo bo‘yicha Nobel mukofotini olgan.
Dipol momenti birligi «debay» Piter Debay sharafiga atalgan; u 1936-yilda dipol momentlari va gazlarda rentgen hamda elektron difraksiyasi bo‘yicha ishlari uchun Nobel mukofotiga sazovor bo‘lgan.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Kimyoviy bog‘lanish turlari — 8-sinf