Tabla de Contenidos
Orbital antywiążący (zwany także orbitalem antywiążącym) to rodzaj orbitalu molekularnego charakteryzujący się wyższym poziomem energii, a zatem mniej stabilnym niż orbitale atomowe, które razem go spowodowały. Z tego powodu jest to orbital, który, przyjmując elektrony, powoduje, że cząsteczka jest mniej stabilna, a wiązanie słabsze.
W rzeczywistości obecność elektronów na orbitali antywiążących zmniejsza kolejność wiązań kowalencyjnych między dwoma atomami i stąd pochodzi „anty” antywiązania.
Aby lepiej zrozumieć koncepcję orbitali antywiążących, musimy pokrótce zapoznać się z teorią orbitali molekularnych, w ramach której ujęte są tego typu orbitale.
teoria orbitali molekularnych
Istnieje kilka teorii, które starają się wyjaśnić obserwowane cechy wiązań chemicznych . Dwie najbardziej rozpowszechnione teorie to teoria wiązań walencyjnych i teoria orbitali molekularnych. Ten ostatni stwierdza, że kiedy dwa atomy są ze sobą związane chemicznie, ich orbitale atomowe łączą się, tworząc nowy zestaw orbitali, które nie należą już do każdego atomu z osobna, ale raczej do całej cząsteczki. Innymi słowy, powstaje zestaw lub zestaw orbitali molekularnych.
Krótko mówiąc, tak jak atomy mają orbitale atomowe, cząsteczki po utworzeniu również tworzą orbitale molekularne, w których rozmieszczone są wszystkie elektrony atomów tworzących cząsteczkę. Sposób, w jaki elektrony wypełniają te orbitale molekularne, reprezentuje molekularny odpowiednik konfiguracji elektronowej atomów iw dużej mierze determinuje właściwości cząsteczek.
Tworzenie orbitali molekularnych
Orbitale molekularne powstają z liniowej kombinacji orbitali atomowych. Z matematycznego punktu widzenia oznacza to, że orbital molekularny jest reprezentowany przez funkcję falową, która jest otrzymywana przez liniową kombinację funkcji falowych orbitali atomowych dwóch atomów połączonych wiązaniem kowalencyjnym.
Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej podobne pod względem energii są dwa łączące się orbitale atomowe, tym lepiej będą się łączyć, więc w homojądrowej cząsteczce dwuatomowej (utworzonej przez dwa atomy tego samego pierwiastka) orbital 1s atomu będzie idealnie łączył się z orbital 1s drugiego, następnie 2s połączy się z 2s, następnie 2p z 2p i tak dalej.
Wiążące i antywiążące orbitale molekularne
Mechanika kwantowa ustanawia szereg reguł, które określają sposób, w jaki orbitale atomowe łączą się, tworząc nowe orbitale molekularne. Po pierwsze, zasady te stanowią, że liczba utworzonych orbitali molekularnych musi być zawsze równa liczbie połączonych orbitali atomowych.
Z drugiej strony, gdy dwa orbitale atomowe są połączone, jeden z utworzonych orbitali molekularnych ma zawsze niższą energię, a drugi wyższą energię niż oryginalne orbitale atomowe. W przypadkach, w których połączonych jest kilka orbitali atomowych tego samego podpoziomu (na przykład trzy orbitale p, pięć orbitali d), powstanie również równoważna liczba orbitali molekularnych, z których połowa ma niższą energię, a druga połowa wyższą energia. energia. Jednak rozkład energii tych orbitali może być złożony, w zależności od połączenia poszczególnych atomów, jak pokazano na poniższym rysunku.
W obu przypadkach umieszczenie elektronów na orbitali molekularnych o najwyższej energii destabilizuje cząsteczkę i osłabia wiązanie kowalencyjne między dwoma atomami. Oznacza to, że zestaw orbitali molekularnych o najwyższej energii, który powstaje w wyniku połączenia orbitali atomowych, odpowiada antywiążącym orbitali molekularnych. Te orbitale są identyfikowane przez umieszczenie gwiazdki w indeksie górnym na symbolu orbity.
Orbitale antywiążące i destrukcyjna interferencja
Jak wspomniano wcześniej, kombinacja orbitali atomowych jest kombinacją funkcji falowych. Oznacza to, że orbital molekularny jest w istocie wynikiem interferencji dwóch fal i, jak zawsze w takich przypadkach, ta interferencja może być konstruktywna lub destrukcyjna, w zależności od tego, czy dwie fale są w fazie, czy nie.
W tym sensie podczas tworzenia orbitali molekularnych mogą wystąpić dwa skrajne przypadki:
- Że między dwoma jądrami atomowymi oba orbitale znajdują się w tej samej fazie i dlatego zachodzi konstruktywna interferencja. W tym przypadku uzyskuje się orbital molekularny, w którym elektrony z dużym prawdopodobieństwem znajdują się między dwoma atomami, reprezentując w ten sposób wiążący orbital molekularny.
- Że dwa orbitale atomowe znajdują się w przeciwnych fazach, więc dochodzi do destrukcyjnej interferencji z utworzeniem węzła między dwoma jądrami (to znaczy funkcja falowa staje się zerowa w punkcie środkowym między dwoma jądrami). W tym przypadku prawdopodobieństwo otrzymania elektronu między dwoma atomami wynosi zero, więc te orbitale reprezentują antywiążące orbitale molekularne .
Orbitale antywiążące σ (sigma) i π (pi).
Teoria orbitali molekularnych zapożycza niektóre koncepcje z teorii wiązań walencyjnych. Zgodnie z tą teorią orbitale mogą nakładać się czołowo, gdy orbitale atomowe są ustawione wzdłuż osi wiązania lub poprzecznie, gdy orbitale atomowe są zorientowane równolegle. Zgodnie z teorią wiązań walencyjnych daje to początek dwóm klasom wiązań chemicznych, którymi są wiązania σ (sigma) i wiązania π (pi).
Z punktu widzenia teorii orbitali molekularnych to nakładanie się jest interpretowane jako powstawanie orbitali molekularnych σ i π. Oznacza to, że gdy powstaje cząsteczka, mogą powstać zarówno wiążące orbitale molekularne σ i π, jak i antywiążące orbitale molekularne σ i π. Antywiążące orbitale π mogą tworzyć się tylko między orbitalami atomowymi p,dof, ale nie między orbitalami s.
Orbitale antywiążące i kolejność wiązań
Jednym z powodów, dla których orbitale antywiążące otrzymały swoją nazwę, jest to, że umieszczenie elektronów na tych orbitaliach osłabia wiązanie kowalencyjne między dwoma atomami. Dzieje się tak, ponieważ obecność tych elektronów zmniejsza kolejność wiązań, która reprezentuje liczbę par elektronów skutecznie współdzielonych między dwoma związanymi atomami. Kolejność obligacji można obliczyć za pomocą następującego równania:
gdzie i w reprezentuje liczbę elektronów w wiążących orbitali molekularnych (elektrony wiążące), a e * antienl reprezentuje liczbę elektronów w orbitali antywiążących (elektrony wiążące). Im większa liczba elektronów antywiążących, tym niższy rząd wiązań.
W przypadku, gdy obie liczby elektronów są równe, rząd wiązań wynosi zero, więc atomy nie mogą się ze sobą wiązać. Tak właśnie dzieje się w przypadku gazów szlachetnych, których otoczki elektronowe są całkowicie wypełnione, co tłumaczy brak cząsteczek helu, neonu, argonu itp.
Ilustracja powstawania orbitali antywiążących
Poniższy rysunek przedstawia powstawanie orbitali molekularnych, gdy dwa identyczne atomy z drugiego okresu układu okresowego pierwiastków łączą się, tworząc homojądrową cząsteczkę dwuatomową.
Jak widać, połączenie dwóch orbitali atomowych zawsze generuje dwa orbitale molekularne, więc jeśli połączymy dwa atomy z elektronami na 5 orbitali atomowych, jak na poprzednim rysunku, powstanie w sumie dziesięć orbitali molekularnych. Jak widać, z dziesięciu orbitali molekularnych trzy są antywiążącymi orbitalami σ, a 2 są orbitalami antywiążącymi π. Druga połowa to orbitale wiążące.
Dla zilustrowania powyższego poniżej przedstawiono powstawanie cząsteczki azotu (N 2 ), pierwiastka 7 układu okresowego pierwiastków oraz pierwiastka drugiego okresu .
W tym przykładzie konfiguracja elektronowa cząsteczki to
Na podstawie tej konfiguracji elektronicznej możemy określić, że zlecenie obligacji to:
Wskazuje to, że cząsteczka azotu składa się z dwóch atomów tego pierwiastka połączonych ze sobą trzema parami elektronów lub, co na to samo, potrójnym wiązaniem.
Bibliografia
Atkins, P. i dePaula, J. (2010). Chemia fizyczna (wyd. 8). Panamerican Medical Editorial.
Chang, R. i Goldsby, K. (2013). Chemia (wyd. 11). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Moreno, C. (2019, 9 kwietnia). Teoria orbitali molekularnych . Bioprof. https://bioprofe.com/molecular-orbital-theory/
Zamówienie łącza . (nd). Chemia.ES. https://www.quimica.es/enciclopedia/Orden_de_enlace.html
Autonomiczny Uniwersytet Meksyku. (nd). Orbitale molekularne w wiązaniu chemicznym . UNAM. https://amyd.quimica.unam.mx/pluginfile.php/6316/mod_resource/content/1/Whitten%20orbitales%20moleculares.pdf
