Noget om: Kvalitativ beskrivelse af molekylære bindinger. Hans Jørgen Aagaard Jensen Kemisk Institut, Syddansk Universitet

Relaterede dokumenter
Atomers elektronstruktur I

Hvorfor guld er det ædleste metal et studie med tæthedsfunktionalteori

Atomer er betegnelsen for de kemisk mindste dele af grundstofferne.

Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Atomare elektroners kvantetilstande

Kvantecomputing. Maj, Klaus Mølmer

Standardmodellen og moderne fysik

Uskelnelige kvantepartikler

Rektangulær potentialbarriere

Forventet bane for alfapartiklerne. Observeret bane for alfapartiklerne. Guldfolie

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Faglig årsplan Skolerne i Oure Sport & Performanc. Læringsmål Faglige aktiviteter. Emne Tema Materialer. 9/10 klasse

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

I forløbet Atomet arbejdes med atomets opbygning. Forløbet består af 5 fagtekster, 31 opgaver og 8 aktiviteter. Derudover er der Videnstjek.

Spørgsmål 1. Øvelse: Kobber plus dibrom. Teori: Atomers opbygning.

Atomets bestanddele. Indledning. Atomer. Atomets bestanddele

Atomer, molekyler og tilstande 1 Side 1 af 7 Naturens byggesten

Big Bang og universets skabelse (af Jeanette Hansen, Toftlund Skole)

Kvantemekanik og atommodeller

A KURSUS 2014 ATTENUATION AF RØNTGENSTRÅLING. Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi

Heisenbergs Usikkerhedsrelationer Jacob Nielsen 1

Indhold En statistisk beskrivelse... 3 Bølgefunktionen... 4 Eksempel... 4 Opgave Tidsafhængig og tidsuafhængig... 5 Opgave 2...

Årsplan Fysik/kemi 8. kl.

Fysikforløb nr. 6. Atomfysik

Stern og Gerlachs Eksperiment

Intra- og intermolekylære bindinger.

Spørgsmål 1. Øvelse: Kobber plus dibrom. Teori: Atomers opbygning.

Youngs dobbeltspalteforsøg 1

1 Ioner og ionforbindelser

Du skal også komme ind på øvelsen Saltes opløselighed i vand.

Den klassiske oscillatormodel

Moderne Fysik 3 Side 1 af 7 Kvantemekanikken

1: Kemisk kinetik 1. Du skal gøre rede for kemiske reaktioners hastighed, herunder begrebet reaktionsorden.

Undervisningsbeskrivelse

Program 1. del. Kvantemekanikken. Newton s klassiske mekanik. Newton s klassiske mekanik

Undervisningsbeskrivelse

Kvanteteleportering og kvanteinformation. Anders S. Sørensen Quantop, center for kvanteopik Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet

Færdigheds- og vidensområder. Eleven kan anvende og vurdere modeller i fysik/kemi. Eleven kan anvende og vurdere modeller i fysik/kemi

Kemiske bindinger. Præsentation: Niveau: 8. klasse. Varighed: 7 lektioner

Eksamensspørgsma l kemi C, 2015, kec324 (CHT)

Bohr vs. Einstein: Fortolkning af kvantemekanikken

Anmeldelse. Jens Hebor, The Standard Conception as Genuine Quantum Realism. Odense: University Press of Southern Denmark 2005, 231 s.

Grundstoffer og det periodiske system

Lærebogen i laboratoriet

Lyn og torden. Niveau: klasse. Varighed: 3 lektioner

Med forbehold for censors kommentarer. Eksamensspørgsmål Kemi C, 2014, Kec223 (NB).

Nr Grundstoffernes historie Fag: Fysik A/B/C Udarbejdet af: Michael Bjerring Christiansen, Århus Statsgymnasium, november 2008

Stjernernes død De lette

Kvantefysik. Objektivitetens sammenbrud efter 1900

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

) ( 75,5 ( -75,5 ) ( 95,4 ( -1 ) (, 1 1. Vand, saltvand og negativt tryk. 60 LMFK-bladet, nr. 4, september Matematik. Kemi

Kvant 2. Notesamling....Of doom!

Atomare kvantegasser. Michael Budde. Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik

- erkendelsens begrænsning og en forenet kvanteteori for erkendelsen

Elektronik og styring Kemiske metoder. Himmel og jord Energi på vej. x x x x. x x x x. x x x x. x x x x x x x x. x x x. x x

Reaktionsmekanisme: 3Br 2 + 3H 2 O. 5Br - + BrO H + Usandsynligt at alle 12 reaktantpartikler støder sammen samtidig. ca.

Protein syntese. return

Atomer og kvantefysik

Undervisningsbeskrivelse

Årsplan Fysik/kemi 8. kl.

The Big Bang. Først var der INGENTING. Eller var der?

Stofegenskaber. Tryk og opdrift Elektricitet. Start på kemi

Spørgsmål 1. Øvelse: Dannelse af ioner ved oxidation af magnesium. Teori: Atomers opbygning.

Årsplan Fysik/kemi 8. kl.

Forløbet består af 7 fagtekster, 12 opgaver, tip en 12 er, 5 praktiske aktiviteter, flere kemi-sudokuer og en mindre skriftlig elevopgave.

nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Introduktion, teori og beskrivelse

Grundstoffer og det periodiske system

Årsplan i Fysik 7.klasse. 2018/2019 Abdiaziz Farah

Gymnasieøvelse i Skanning Tunnel Mikroskopi (STM)

LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29

Kvanteinformation, kvantekryptografi

Kvantemekanikken i filosofisk belysning

Undervisningsbeskrivelse

Det anbefales ikke at stå for tæt på din færdige stjerne, da denne kan være meget varm.

Statitisk fysik Minilex

REAKTIONER I OPLOESNING, EN UDFORDRING FOR KVANTEKEMIEN Ph.d forsvar

Undervisningsbeskrivelse

Myonens Levetid. 6. december 2017

Naturvidenskab. En fællesbetegnelse for videnskaberne om naturen, dvs. astronomi, fysik, kemi, biologi, naturgeografi, biofysik, meteorologi, osv

Undervisningsbeskrivelse

Kvantemekanik. Atomernes vilde verden. Klaus Mølmer. unı vers

Eksamensspørgsmål Kemi C, 2016, Kec225 (KSD).

Grundlæggende egenskaber for vand og fedt

Undervisningsbeskrivelse

Mundtlige eksamensopgaver

Årsplan i fysik for 7. klasse 2019/2020

Øvelse i kvantemekanik Elektron-spin resonans (ESR)

Folkeskolens afgangsprøve Maj-juni 2006 Fysik / kemi - Facitliste

EKSAMENSSPØRGSMÅL Kemi C maj/juni 2017

Oxidationstal og elektronparbindinger December 2015

Atomers opbygning og øvelsen: Spændingsrækken. Atomer og øvelsen: Spændingsrækken

Læringsmål i fysik - 9. Klasse

Heisenbergs usikkerhedsrelationer. Abstrakt. Hvorfor? Funktionsrum. Nils Byrial Andersen Institut for Matematik. Matematiklærerdag 2013

Eksamensspørgsmål Kemi C, 2015, Kec124 (NB).

Grundstoffer og det periodiske system

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Kernefysik og dannelse af grundstoffer. Fysik A - Note. Kerneprocesser. Gunnar Gunnarsson, april 2012 Side 1 af 14

Magnetisme. Ladede partikler i bevægelse kan mærke et magnetfelt. Lorentzkraften: F = ee + ev x B

Laboratorieøvelse Kvantefysik

Transkript:

Noget om: Kvalitativ beskrivelse af molekylære bindinger Hans Jørgen Aagaard Jensen Kemisk Institut, Syddansk Universitet E-mail: hjj@chem.sdu.dk 8. februar 2000

Orbitaler Kvalitativ beskrivelse af molekylære bindinger med molekylorbitaler sp, sp2, sp3 hybridisering QMOT - kvalitativ molekylorbitalteori - hvorfor virker det ofte? Hvad er en orbital egentlig?

Atomers elektronstruktur I en spinorbital er bølgefunktionen for en enkelt elektron simpleste model for flere elektroner (N): produkt af spinorbitaler antisymmetrisk -> Slaterdeterminant er en uafhængig partikel model: hver elektron føler kun middelfeltet fra de andre elektroner bedste Slaterdeterminant kaldes Hartree- Fock (HF), self-consistent field (SCF) Sammenligning: en model af solsystemet jorden ser kun middelfeltet fra de andre planeter i virkeligheden: korrelation mellem deres bevægelser Den tilsvarende effekt for elektronstrukturen kaldes elektronkorrelation: de enkelte elektroners sandsynlighedstætheder er korrelerede! nødvendigt at tage hensyn til denne for at få en nøjagtig beskrivelse af atomets egenskaber

Atomorbitaler for enelektronatomer I Klassisk ville elektronen kunne være i en vilkårlig elliptisk bane (smlgn. solsystemet) bremsstrahlung -> ville blive opslugt af kernen kvantemekanisk beskrivelse nødvendig for at få overensstemmelse med virkeligheden orbital i stedet for orbit (orbit = en bane à la Bohr) orbital en funktion af (x,y,z), punkter i rummet kan være både positiv og negativ kvadratet giver sandsynlighedstætheden integreret ( opsummeret ) over hele rummet = 1 Schrödingerligningen! Coulombpotentialet Heisenbergs usikkerhedsrelation jo mindre område elektronen tvinges til at være på, des større er dens bevægelsesenergi (kinetisk energi) balance ved egentilstandene 1s, 2s, 2p,...

Atomorbitaler for enelektronatomer II 1s: positiv over det hele 2s, 2p: et fortegnsskift (en knudeflade) 3s, 3p, 3d: to fortegnsskift (to knudeflader) osv. egentilstandenes energier viser sig at være proportional med antallet af knudeflader E = 0,5 Z 2 / n 2 specielt for Coulompotentialet at 2s og 2p får præcist samme energi sp, sp 2, sp 3 hybridiserede orbitaler er faktisk også egentilstande! middelafstanden til kernen vokser med n -> skalstrukturen alle løsningerne er parvis ortogonale dvs. for produktet skal positive og negative områder ophæve hinanden præcist hvis symmetriske om kernen, fortæller matematikken os at der er præcist n 2 muligheder med n-1 knudeflader

Atomers elektronstruktur II Pauliprincippet igennem kvantemekanikkens matematik betyder orbitalerne skal være ortogonale dvs. for produktet skal positive og negative områder ophæve hinanden præcist størrelsen vokser med antal knudeflader Z -> Z eff (r) Skærmning (Slater s regler) Approksimativt ser en elektron i nl en skærmet kerneladning Zeff(n,l) gruppe 1s: Z 0.30 gruppe 2s,2p: Z 1,70 (n 2 1) 0,35 gruppe 3s,3p: Z 8,80 (n 3 1) 0,35 gruppe 3d: Z 18,00 (n 4 1) 0,35 2s og 2p får nu forskellig orbitalenergi GIVER GEOMETRISK EFFEKT!!! skalstrukturen

Om bl.a. 4s og 3d Orbitalenergier ionisationsenergier orbitalenergier afhænger derfor af elektronkonfigurationen betyder ikke noget så længe de er vel separerede derfor fungerer QMOT og Hückel godt for 1.-3. periode problemer ved 4. periode 3d ligger i samme skal som 3s og 3p 4s ligger i næste skal, dvs. middelafstanden til kernen er større énelektronergien af 3d er altid mindre end af 4s! men i mange-elektronsystemer indgår også vekselvirkningen med alle de andre elektroner gør det ofte en fordel at okkupere 4s før 3d! teoretisk gennemgang: J.Chem.Educ. 73 (1996) 499.

Totalenergi summen af orbitalenergier tæller frastødningen mellem to elektroner dobbelt summen af orbitalenergier fortæller derfor ikke hvilken konfiguration der er den stabile men ofte er der overensstemmelse problemer når orbitalenergierne er tæt på hinanden

Molekylers elektronstruktur I Forskel til atomfysik: flere atomkerner som hænger sammen! Hvordan? Ren kvantemekanik: både kerner og elektroner beskrives med bølgefunktion og sandsynlighedstætheder molekylmodeller med kerner og bindinger, med ligevægtsgeometrier, og med kerner der vibrerer omkring disse fungerer godt de må altså være en god tilnærmelse til virkeligheden må afspejles kvantemekanisk ja: Born-Oppenheimer approksimationen skyldes kernerne bevæger sig meget langsommere T = 1/2 m v 2 ; m p = 1836 m e, v e 40 v p større forskel for tungere atomer: elektronerne ser (næsten) ikke kernernes bevægels, kun deres positioner svarer til stregformlerne

Molekylers elektronstruktur II: simpleste model : atomer i molekyler atomerne beskrevet med atomorbitaler molekylorbitaler dannes ud fra atomorbitalerne kemisk binding: delokalisering med samme fase positivt overlap: opbygning af negativ ladning mellem kernerne (Feynman s teorem: for den optimerede bølgefunktion er kraften på kernen lig med den elektrostatiske kraft) bindende orbital negativt overlap: ladning væk fra mellemregionen ud mod de to kerner antibindende orbital (ikke bindende: ca. nul overlap, elektronerne forbliver lokaliserede ved det ene atom)

f.eks. ædelgasser er dårlige til at lave bindinger fordi der ikke er plads til flere elektroner i yderste okkuperede skal, men binding ville kræve bidrag fra næste skal, og så er elektronen skærmet fra kernen.

Vigtige begreber i QMOT geometrisk effekt (1s, 2s, 2p,...) Skærmning af kernen korrelation med atomradier og ionradier stabilisering ved pardannelse når ikkedegenererede orbitaler fordi elektronerne så kan komme tættere på kernerne (den geometriske effekt) Hund s regel ved degenererede orbitaler flest mulige uparrede QMOT og Hückel fungerer kvalitativt fordi de tager hensyn til at orbitalenergien (OG bidraget til molekylets totalenergi) generelt vokser med antallet af knudeflader.

Til sidst: lidt om kemiske reaktioner og reaktionsbarrierer den geometriske effekt på orbitalerne jeg har talt om, giver nogle typiske elektronstrukturer omkring atomerne f.eks. sp, sp2, sp3 hybridisering de generelle træk i disse lokale elektronstrukturer kan overføres (typiske bindingsvinkler og bindingslængder) i en given reaktion kan et C f.eks. være sp2 hybridiseret i reaktanten og være sp3 hybridiseret i produktet giver i almindelighed reaktionsbarriere betydning for molekylmekanik

Lidt om VSEPR aftagende repulsion for 1) lone pair lone pair 2) lone pair bindingspar 3) bindingspar bindingspar Kvalitativ forklaring: lone pair indeholder kun elektroner dvs.meget negativt ladede bindingspar forbinder til en positiv atomkerne dvs. netto mindre negativt ladede Molekylmekanik (molecular mechanics, force fields) tager automatisk hensyn til dette og meget mere! (men kræver mange flere parametre bestemt empirisk) smlgn. gruppefunktioner

Noget om: Relativistiske effekter i kemien Hans Jørgen Aagaard Jensen Kemisk Institut, Syddansk Universitet E-mail: hjj@chem.sdu.dk 8. februar 2000

Einstein, den specielle relativitetsteori v < c E = mc2 m = m 1 0 2 v c 2 i atomare enheder: c 137 (kun!)

Kemiske effekter af den specielle relativitetsteori Schrödingerligningen for enelektron atomer: E(1s) = 0,5 Z 2 = T(1s) + V(1s) virialteoremet: T(1s) = E(1s) = 0,5 Z 2 T(1s) 0,5 m v 2, dvs. v Z c / 137 m = m 0 / (1-v 2 /c 2 ) m 0 / (1-Z 2 /137 2 ) PROBLEMER!!! stigende for stigende Z l = r x mv bevaret, dvs. r bliver mindre spin-orbit s og p bliver mere kompakte d og f udvider sig, og splitter op Schrödingerligningen forudsiger guld er sølvfarvet! Diracligningen; Dirac s udtalelse!