ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основные принципы квантовой органической химии из "Органическая химия" В уравнении Шредингера гр является волновой функцией электрона. Ее физический смысл у, г) является функцией от пространственных координат, ее квадрат характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке пространства Е — полная энергия электрона U — потенциальная энергия. [c.32] Решение уравнения дает значение энергии электрона Е (собственные значения) и выражения для волновой функции ij) (собственные функции). При решении уравнения для электрона в атоме водорода получается целый ряд возможных значений Е, характерных для электрона. Каждому значению Е отвечают свои выражения ДЛЯ115 иг1з , а следовательно, и область пространства, где вероятность нахождения электрона наибольшая. Так мы получаем представление о различных состояниях электрона (различных электронных орбиталях) в атоме (атомарных орбиталях АО). Ими являются известные нам из неорганической химии состояния S, р, d (s-, р-, d-орбитали и электроны). Эти состояния резко отличаются друг от друга своими энергиями и конфигурацией той части пространства, где вероятность нахождения электрона наибольшая. [c.32] Для s-состояния (s-орбнтали) характерна симметрия шара (рис. 5). В отличие от радиуса атома водорода 0,058 нм, рассчитанного Бором, здесь граница поверхности шара находится на расстоянии 0,14 нм от атомного ядра (поверхность шара ограничивает ту часть пространства, в которой вероятность нахождения электрона составляет 90%). [c.32] Для /7-состояния (р-орбитали) характерна цилиндрическая симметрия. Имеются три р-состояния — р ., Ру, (рис. 6). [c.32] Имеется 5 -состояний, характеризующихся своеобразными очертаниями пространства орбиталей. [c.33] Зная состояния электронов в атоме и их энергии, можно изобразить схемы распределения электронов (рнс. 7). [c.33] Чтобы охарактеризовать химическую связь при помощи уравнения Шредингера, необходимы некоторые исходные постулатьь Во-первых, нахождение электрона в химической связи (в простМшем случае между двумя атомами) или, в общем случае, в молекуле характеризуется молекулярной волновой функцией электрона — молекулярной орбиталью (МО). Эти молекулярные орбитали подобны атомным орбиталям электрона, только относятся к нескольким атомам одновременно. Если АО характеризует нахождение электрона в силовом поле ядра атома, то МО характеризует нахождение электрона в силовом поле двух или более ядер. [c.33] Одна из возможных МО обладает цилиндрической симметрией и называется а-ербиталью или а-связью. Она образуется при комбинации по оси X двух з-орбиталей, з- и р - или р - и рх-орбиталей. На рис. 9 изображена комбинация з-орбиталей (изображена только связывающая орбиталь). Разрыхляющая а-орбиталь обозначается о. [c.35] Второй возможной МО является орбиталь с плоскостной симметрией. Такие МО могут образоваться при комбинации по оси х орбиталей Ру и Ру или рг и рг (рис. 10). МО этого типа называются я-орбиталями или я-связями. Для них характерна узловая плоскость, волновая функция меняет знак при переходе из одной части в другую. [c.35] В разрыхляющих орбиталях имеется узловая плоскость между атомами, поэтому нахождение электронов в этих орбиталях не вызывает силы связывания. [c.35] В органических соединениях ст-связи встречаются наиболее часто. Между атомами первой образуется ст-связь. В структурных формулах она обозначается одной черточкой, например С—С. Если создаются условия для образования второй связи между атомлми, то ею может быть только л-связь. Обе связи в формулах обозначаются черточками, например С=С. Третья связь тоже может быть только л-связью. Все три связи в структурных формулах обозначают черточками, например с = С. [c.35] Рассмотренные выше теоретические рассуждения весьма трудно применять к углеродному атому. Несмотря тта то что он имеет н е-эквивалентные орбитали (две р-орбитали и одну з-орбиталь с двумя электронами), в большинстве насыщенных соединений углеродный атом образует четыре одинаковые /тв я-3 и. [c.35] при взаимодействии одной 5- и трех р-орбиталей образуется четыре 5р -гибридные орбитали — происходит кр -гибридизация (рис. 12). Оси симметрии гибридных орбиталей образуют между собой углы, равные 109 28 (тетраэдрический угол). [c.35] Возможны два других типа гибридизации, в которых не участвуют одна или две р-орбитали. Во-первых, возможна зр -гибриди-зация, в результате которой образуется три зр -гибридные орбитали и остается одна негибридизованная р-орбиталь. Оси симметрии р -гибридных орбиталей находятся в одной плоскости и образуют между собой угол 120 (тригональный угол), а ось р-орбитали направлена нерпендикулярно плоскости трех осей зр -гибридных орбиталей (рис. 13). [c.36] Представления об р - и р- гибридизации используют для объяс-иеиия и изображения образования двойных и тройных связей (рис. 15). [c.36] Гипотезу о гибридизации можно применить и для других атомов — Ы, О, 51, 5, Р и т. д. [c.36] Таким образом, в органических соединениях выделяют два типа связей — о- и л-связи, и говорят об а-электрониом остове, на котором образуются л-связи и л-электронные сопряженные системы. Это является некоторым приближением, но очень полезным для органической химии. [c.37] Квантовая органическая химия показала, что в молекулах органических соединений электроны находятся на строго определенных уровнях энергии — молекулярных орбиталях. [c.37] Например, молекула метана имеет четыре а-связи С—Н, четыре одинаковые связывающие орбитали (при более точном рассмотрении надо учитывать взаимодействие этих орбиталей и образование двух энергетических уровней). Имеется также четыре разрыхляющие орбитали (а ). Может произойти электронный переход а а (рис. 16). [c.37] В молекуле этилена имеется пять а-связей и одна л-связь, а значит, два типа орбиталей — аил (рис. 17). От л-орбиталей легче отрывать электрон (меньшая энергия ионизации). л-Электронные системы легче возбуждаются (переходы л- я ). [c.37] Вернуться к основной статье