Химия оқулықтарының құрылымы мен мазмұны

	Тараз мемлекеттік педагогикалық институты	Ф 02/092
	Эссе «Химия оқулықтарының құрылымы мен мазмұны» 13 беттің беті	СМЖ «Оқу-әдістемелік» ҮК НҮ 07-2011 Баспа 1.Дана №1

 

 

 

Жоспары

 

1. Кіріспе
2. Молекулалық орбитальдар теориясы
3. Байланыстыратын және босаң орбитальдар
4. МО әдісі бойынша молекулалардың түзілуі
5. Қорытынды
6. Пайдаланылған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорияға кіріспе

 

Қазіргі уақытта бейорганикалық молекулалардың жалпы барлық есептеулері молекулалық орбитальдар әдісі (МО) шеңберінде жүргізіледі. Дегенмен ВБ  әдісінің кейбір идеялары сапалық талқылау үшін маңызды болып табылады. Гомоядролық екіатомды молекулаларды және екіатомды иондарды қарастырудан бастаймыз. Бұл бөлшектердің құрылысы туралы түсініктер гетероядролық екіатомды молекулаларға, яғни әртүрлі элементтердің атомдарынан тұратын молекулаларға оңай ауысуға мүмкіндік береді. Келесі қадам құрамында атомдар немесе иондардың орасан зор мөлшері бар көпатомды молекулалар мен қатты денелерге ауысу болады. Сонымен қатар үлкен молекулалардың бір бөлігін көрсететін атомдардың бірге байланысқан жұптарына сондай тәсілдер қолданылатындықтан, SF6 молекуласынан SF екі атомды топ немесе H2O2 молекуласынан ОО екі атомды тобы сияқты молекулалық үзінділер де қарастырылады.

Молекулалық орбитальдар әдісінің пайда болуына Льюис, Полинг бастауымен жасалған валенттік байланыс теориясы (спиндік теория), тұрғысынан кейбір химиялық байланыстың түзілу механизмін дұрыс түсіндіре алмайтын жағдайлар әсер етті.

Молекулалық орбитальдар теориясы – молекуланың электрондық құрылысын анықтайтын әдіс. Бұл теорияның негізгі принципі -  молекула бүтін біртұтас жүйе. Молекулаға барлық электрондар мен ядролар ортақ. Химиялық байланыстың түзілунің себебі – барлық электрондардың барлық ядролар мен электрондарға ортақ өрісте қозғалуы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Бірінші, валенттік байланыс әдісіне кедергі жасаған О2 , Н2 + молекулалары болды. Валенттік байланыс әдісі бойынша оттектің молекуласы диамагнитті қасиет көрсету керек. Бірақ іс жүзінде О2 – парамагнитті. Сыртқы магнит өрісінің ықпалына қарай заттарды парамагнитті не диамагнитті деп ажыратуға болатындығы көптен белгілі. Парамагнитті заттар магнит өрісіне тартылады, ал диамагнитті заттар магнит өрісінен тебіледі. Парамагнитті атомдармен молекулаларда жалқы электрондар болады. Жалқы электрондар тұрақты магниттік моментті құрады. Сол себептен жалқы электрондар саны неғұрлым көп болса, сол зат магнит өрісіне соғұрлым күшті тартылады.

Тәжірибе бойынша,  оттек молекуласы О2 парамагнитті, магнит моменті екіге тең. О2 молекуласында жалқы спиндері параллель екі электрон бар, валенттік байланыс әдісі осындай жағдайды түсіндіре алмайды. Сутек ионында  Н2 + бір ғана жалқы  электрон бар спині s=1/2, сол себептен  ол парамагнитті қасиет көрсетеді, ал Н2 молекулада жұп электрондар бар, сутек молкуласы диамагнитті.

Валенттік байланыс теориясы Ве2 молекуласының тұрақсыздығын және жалқы электрондардағы молекуладағы ролін түсіндіре алмайды. Молекулалық орбитальдар теориясы ВБТ-ның қайшылықтарына толық жауап бере алатын әдіс болып саналады.

Осы теорияның іргесін қалаған ғалымдар: Малликен, (бірінші О2 молекуласының молекулалық орбиталін сызды), Гунд, Леннард, Джонсон, Жоккел, Хюккель және т.б.

Молекулалық орбитальдар теориясы – молекуланың электрондық құрылысын анықтайтын әдіс. Бұл теорияның негізгі принципі -  молекула бүтін біртұтас жүйе. Молекулаға барлық электрондар мен ядролар ортақ. Химиялық байланыстың түзілунің себебі – барлық электрондардың барлық ядролар мен электрондарға ортақ өрісте қозғалуы.

МО ерекшеліктері.  Валенттік байланыс әдісі АО (атомдық орбиталь) жеке атомның электронның қозғалысын сипаттайды. Молекулалық орбитальдар бүкіл молекуладағы ядроларға ортақ. МО – көп центрлі орбитальдар. МО әдісі молекуладағы әр электронға сәйкес молекулалық орбитальды сипаттайды. Орбитальдарды былайша ажыратады:

АО – s, p, d, f

МО – σ, π, φ

Молекулалық орбитальдар атомдық орбитальды сызықты комбинациялау нәтижесінде түзіледі деп саналады. Бастапқы әріптерін алып қысқартқанда былай жазылады: АОСК=МО, молекулалық орбиталь ол атомдық орбитальдардың сызықты комбинациясы.

Бірақ, молекулалық орбитальдар түзілуі үшін АО – орбитальдар кесімді шарттарға сай болуы қажет:

• Атомдық орбитальдар энергияларының шамасы жақын болуы;
• Атомдық орбитальдағы бүркескен электрон бұлттары тығыздығының шамасы үлкен болуы;
• Атомдық орбитальдардың байланыс орталығы бір симметрияда болуы.

Молекулалық орбитальдар әдісінің принципі – молекуладағы әр электронды сипаттайтын толқындық функция молекула құрамындағы барлық ядролар өрісіне қатынасты болуы қажет. Ең қарапайым түрінде: молекулалық орбиталь дегеніміз атомдық орбитальдардың өзара сызықты комбинациясын құру нәтижесінде түзілген жаңа орбиталь.

Молекулалық орбитальдар әдісі молекуладағы электрондар бірнеше орталықтарға ие болған ( атомдардың ядролары) толқындық функциялармен сипатталады. Атомдық орбитальдарды өзара қосып не алып тастаса молекулалық орбитальдар түзіледі.

 

Теория негізделген жуықтаулар

 

Атомдардың электрондық құрылысын бейнелеу кезіндегі сияқты орбитальды жуықтау тұжырымдамасы қабылданады, яғни молекуладағы N электрондарға арналған Ψ толқындық функциясы ψ бірэлектронды  функцияның  N  туындысы ретінде жазылуы мүмкін деп ұйғарылды: Ψ = ψ(1) ψ(2) ... ψ(N).  Бұл өрнектің мағынасы сынада: бірінші электрон  ψ(1) толқындық функциясымен, екіншісі - ψ(2) толқындық функциясымен және т.с. суреттеледі. Бұл бірэлектронды функциялар молекулалық орбитальдар болып табылады. Атомдар үшін де,  бірэлектронды толқындық функцияның квадраты молекулада электронның таралу мүмкіндігін анықтайды: молекулалық орбитальдағы электронның орбитальдың үлкен амплитудасы бар жерінде болу мүмкіндігі жоғары, сонымен қатар орбиталь түйіндер арқылы өтетін жерде ол мүлдем бола алмайды.

Келесі жуықтау мынаған негізделеді: ядроға жақын болатын электронның толқындық функциясының осы атомның орбиталінен іс жүзінде айырмашылығы болмайды. Мысалы, молекуладағы Н атомыныңядросына электрон жақын орналасқан кезде оның толқындық функциясы іс жүзінде осы атомның 1s-орбиталі болады. Демек әрбір атомммен берілген атомдық орбиталь дардың суперпозициясы ретінде молекулалық орбиталь үшін қолайлы бірінші жуықтау құрастыруға болады. Молекулалық орбитальды мұндай модельдеу атомдық орбитальдардың сызықты комбинациясы деп аталады. Сызықты комбинация – бұл әр түрлі салмақтық коэффициенттері бір атомдық орбитальдардың қосындысы.

МО әдісін ең қарапайым түрде атомдық орбитальдардың тек валенттік қабатының электрондары молекулалық орбитальдар түзу үшін қолданады. Сонымен Н2 молекулалық орбиталін сутектің екі 1s-орбиталін, әр атомнан бір-бірден, қолдана отырып құрастыруға болады:

ψ = сАϕА + сВϕВ

Бұл жағдайдағы базистік жиынтық\, яғни молекулалық орбиталь құрастырылған  ϕ атомдық орбитальдардың жиынтығы сутектің екі 1s-орьитальдарынан тұрады: біреуі А атомынан, екіншісі В атомынан. Сызықты комбинациядағы с коэффициенттері молекулалық орбиталь құрастыруға әрбір атомдық орбиталь қандай дәрежеде қатысатынын көрсетеді: с2 мәні неғұрлым үлкен болса, бұл орбитальдың молекулалық орбитальға қосатын үлесі соғұрлым көп.

Н2 молекуласы үшін минимальды энергия беретін сызықты комбинацияға әрбір 1s-орбитальдардың үлесі бірдей (с2А= с2В).  Нәтижесінде бұл орбитальда электрондар әрбір ядроның айналасында тең ықтималдылықпен табылуы мүмкін. Бұл жағдайда сА =сВ = 1 және

ψ+ = ϕА + ϕВ

энергиясы ең жоғары орбитальдар сәйкес келетін комбинация да екі 1s-орбитальдардың теңдей үлестерімен сипатталады (с2А= с2В), бірақ коэффициенттерінің таңбалары әр түрлі болады:

ψ- = ϕА - ϕВ

АОСК-дағы коэффициенттердің салыстырмалы таңбалары орбитальдың энергиясын анықтау кезінде өте маңызды рөл атқарады; олар молекуланың әр түрлі бөліктеріндегі атомдық орбитальдардың интерференциясының сипатын, яғни бұл бөліктерде электрондық тығыздықтың артуын немесе кемуін анықтайды.

Тағы екі ескерту жасау керек. Біріншіден, жоғарыда көрсетілгендей, екі атомдық орбитальдардың екі молекулалық орбитальдар тұрғызуға болады. Сонымен қатар ең жалпы жағдайда N атомдық орбитальдардың базисті жиынтығынан N молекулалық орбитальдар тұрғызуға болады. Мысалы, егер О2 молекуласындағы әрбір оттек атомының барлық төрт валентті орбитальдарын қолданатын болса, онда сегіз атомдық орбитальдан сегіз молекулалық орбитальдар тұрғызуға болады. Екіншіден, атомдардағы сияқты, Паули принципіне сәйкес, әрбір молекулалық орбитальда тек екі электрон ғана бола алады; егер екі электрон бір орбитальда орналсса, онда олардың спиндері жұптасқан болуы керек. Сонымен, екінші период элементтерінің атомдарынан құралған екі атомды молекулаларда сегіз молекулалық орбитальдар болады, оларды электрондармен толтыруға болады және оларға 16 электроннан артық орналастыраға болмайды.

N атомдық орбитальдардан түзілген молекулалық орбитальдардың энергиясының мәні үшін жалпы  заңдылық мынадай: бір молекулалық орбиталь энергиясы бойынша бастапқы атомдардың атомдық орбитальдарына қарағанда төмен, келесісі – жоғары, ал қалғандары олардың арасында таратылады.

N молекулалық орбитальдар N атомдық орбитальдардың сызықты комбинация құрастыру кезінде түзіледі; сызықты комбинацияда коэффициенті үлкен атомдық орбитальдарда электрондар үлкен ықтималдылықпен болады. Әрбір молекулалық  орбиталь екі жұптасқан электрондармен тола алады.

 

Байланыстыратын және босаң орбитальдар

 

ψ+ орбиталі – бұл байланыстырушы орбитальдың мысалы. Бұл орбиталь электрондармен толған кезде молекуланың энергиясы жекеленген атомдардың энергиясына қарағанда төмен болады. Химиялық байланысты талқылау кезінде бірінші жуықтауда ψ+ байланыстырушы сипаты таңбалары бойынша бірдей амплитудалары бар екі атомды орбитальдардың интерференциясымен түсіндіріледі, ядролар арасындағы толқындық функцияның амплитудасының жоғарылауының себебі болып табылады. ψ+ орбитальда орналасқан электрон ядроаралық кеңісиікте жоғары ықтималдылықпен болады және екі ядромен де күштірек әрекеттесе алады. Демек, орбитальдардың бүркесуін, яғни ядроаралық кеңістікте электроннның болу ықтималдығын арттыратын, бір орбитальдың екіншісі орналасқан аймаққа тарауын байланыс беріктілігінің шамасы деп есептеуге болады.

ψ- орбиталі – босаң орбитальдің мысалы. Бұл орбиталь электрондармен толған кезде молекуланың энергиясы жеке атомдардың үлкен энергиясы таңбалары бойынша әртүрлі амплитудалары бар екі атомды орбитальдардың интерференциясы салдарынан пайда болады, бұл кезде толқындық функцияның амплитудалары азайтылады және екі ядро арасында түйінді жазықтық пайда болады. ψ- орбитальда орналасқан электрондар ядроаралық кеңістіктен айтарлықтай шығарылған және энергиялық тиімділігі төмен орынға орналаса алады. Әдеттегідей, көпатомды молекуладағы молекулалық орбитальдардың энергиясы, онда ядроаралық түйіндер неғұрлым көп болса, соғұрлым жоғары болады. энергияның жоғарылауы ядролар арасындағы кеңістіктен электрондардың үсті-үстіне толық шығарылғанын көрсетеді.

Байланыстырушы орбитальдар амплитудаларының таңбасы бірдей көрші атомдардың атомдық орбитальдарының интерференциясы салдарынан пайда болады; босаң орбитальдар – амплитудаларының таңбасы әртүрлі атомдық орбитальдардың интерференциясы салдарынан пайда болады.  Ядролар   арасындағы түйіндік жазықтықтың пайда болуымен дәлелденеді.

МО теорясы тұрғысынан сутектік молекулалық ионын Н2 екі протоннан және бір электроннан тұратын ең қарапайым молекула. Электрон молекулалық орбитальға орналасқан молекулалық орбитальдар сутек атомдарының валенттік 1s-орбитальдарының комбинациялануы арқылы жасалады. Екі сутек атомының 1s-орбитальдарын комбинациялағанда екі молекулалық орбиталь түзіледі.

Ψ1 және Ψ2 молекулалық орбитальдарының қасиеттерін қарастырайық. Атомдық орбитальдарды өзара қосу арқылы жасалған молекулалық орбитальдың пішіні келтірілген.

Одан мынаны байқауға болады: Ψ1 молекулалық орбиталіне орналасқан электрон ядролар (протондар) аралығындағы кеңістікте қозғалып, ядролар арасында тығыз электрон зонасын түзеді. Оң зарядталған протондар осы теріс зонаға тартылып, тұрақты жүйе: Н2 молекулалық ионын түзеді.

Сонымен атомдық орбитальдардың қосылуы нәтижесінде түзілген молекулалық орбитальға орналасқан электрон ядроларды байланыстырады және мұндай молекулалық орбитальдың энергиясы тастапқы атомдық орбитальдардікінен төмен. Сондықтан атомдық орбитальдардың қосылуы арқылы  жасалған молекулалық орбиталь байланыстыратын орбиталь деп аталады. Байланыстыратын орбитальмен сипатталатын электрон  бұлтының тығыздығы ядроларды жалғастыратын түзудің бойында орналасқандықтан ол сигма байланыстыратын орбиталь деп аталып, қысқаша σ(байл) деп белгіленеді. Атомдық орбитальді бір-бірінен алу арқылы жаслған молекулалық орбитальдың пішіні мына суретте көрсетілген.