Upload
glora
View
56
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Ivan Černušák , Miroslav Urban Katedra fyzikálnej a teoretickej chémie PriF UK. Te ória chemickej väzby. Bertrand Russell (1872-1970): All exact science is dominated by the idea of approximation. Jednoduché otázky. Čo sú elementárne častice? Čo sú atómy? Čo sú molekuly? - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
TCHV 1
Ivan Černušák, Miroslav UrbanKatedra fyzikálnej a teoretickej chémie
PriF UK
Teória chemickej väzby
Bertrand Russell (1872-1970): All exact science is dominated by the idea of
approximation
Jednoduché otázky
TCHV 2
•Čo sú elementárne častice?
•Čo sú atómy?
•Čo sú molekuly?
•Čo je ďalej...?
Z histórie...
TCHV 3
• <10-11s Vesmír vypĺňa kvark/gluónová plazma(vznik/zánik elementárnych častíc)Baryogenéza (hmota dominuje nad antihmotou)
• 10-6s kvarky+gluóny Protóny/neutróny• 1s elektróny/pozitróny, T=1010K• 3min atómy: vodík, deutérium, hélium...• 3,8x105r ľahké atómy, svetlo a reliktné žiarenie• 30mil r hviezdy a ťažšie atómy• 200mil r galaxie, Mliečna cesta• 9mld r Slnečná sústava
Z histórie...
TCHV 4
10000 K
30 K
Prvé molekuly
Astrofyzikálna časová os (úryvok z rozsiahlejšieho cyklu)
TCHV 5
Iná časová os
TCHV 6
Literatúra:
TCHV 7
1. R. Zahradník,R. Polák: Základy kvantové chemie,
SNTL Praha, 1985.
motto: Fakta bez teorie je chaos. Teorie bez fakt je fantasie
2. R. Boča, S. Biskupič, Kvantová teória chemickej väzby a
chemickej štruktúry, STU Bratislava, 2011
3. V. Lukeš a kol., Počítačové modelovanie molekúl –
metódy počítačovej chémie, STU Bratislava, 2011
4. R.L. de Kock, a H.B. Gray, Chemical Structure and
Bonding. Benjamin/Cummings, Publishing Co., 1980
5. http://www.qch.fns.uniba.sk/TCHV/
6. Nasleduje aforizmus...
Kto je autorom tohto múdreho výroku , som už nenašiel.
Ale dodávam pre chemikov (a nielen pre nich):
Pár týždňov počítačového modelovaniaVám môže ušetriť mesiace zbytočnej práce v laboratóriu.
dní
TCHV 8
Pár hodín v knižniciVám môže ušetriť mesiace práce v laboratóriu.*
* Existuje aj invertujúca glosa: Pár mesiacov driny v laboratóriu vás ušetrí od pár hodín v knižnici
Anotácia:
TCHV 9
1.Minimórum z matematiky a fyziky (elementárne častice, vlnová funkcia, operátor, symetria, multiplicita ...)
2.Štruktúra atómu – vodík, spektrá, momenty hybnosti, term
3.Atómy a molekuly? N-časticová úloha nutnosť aproximácií – teórie MO a VV (N jednočasticových úloh)
4. ?? Slaterov determinant, fermióny, antisymetria VF5. (Skoro) všetko je v molekule vodíka! Ďalšie dvojatómové
homo- a heteronukleárne molekuly, krivka pot.energie 6.Elektrónová konfigurácia (, , ...d väzby), orbitálne
energie, korelačné diagramy, molekulové termy, excitované stavy, vlastnosti molekúl
7.Krok za 1-časticový model: Fermiho a Coulombická diera, spinová a elektrónová korelácia, mnohočastičové efekty
7 - Krátka odbočka
TCHV 10
Many-body interactions
Two-body interactions
TCHV 11
F. A. Kekulé (von Stradonitz, sic!*), 1867:I rather expect that we shall someday find a
mathematico-mechanical explanation for what we now call atoms which will render an account of their properties.
* Stará česká šľachtická rodina. Mimochodom, z prvých piatich Nobelových cien za chémiu boli tri udelené Kekulého žiakom.
Téza a Antitéza...
TCHV 12
While the various Lewis electron
accountancy models work most of the
time, they do not work all the time.
Lewis theory cannot explain atomic or
molecular spectroscopy or why
oxygen, O2, is paramagnetic.
Téza a Antitéza...
TCHV 13
Students tend to be introduced to
chemistry through the various Lewis
models...
...and are then surprised to learn that
these models are not the whole story
and can even be wrong.
Od interakcií k väzbám
TCHV 14
Van der Waals
Multipól – multipól a i.
Vodíková väzba, halogénová väzba, -p p stacking
„neklasická“ väzba (2e-3c alebo ne-mc)
Chemická väzba, elektrónová korelácia, relativistika?
R
-E
Príklady
TCHV 15
ión-dipóla
relativistická väzba
TCHV
H2S H2O m =1.85 D m =0.97 D
a = 24.71 a.u. a = 9.64 a.u.
IP = 10.46 eV IP = 12.61 eV
Q Q
NO+...H2X
16
TCHV
Mincové kovy + PH3
17
AuPH3 relativist.
CuPH3
AgPH3
M...PH3 v nerelativistickej aproximácii – iba vdW dimér!
Ťažisko tohto semestra
TCHV 18
- teória molekulových orbitalov
- teória valenčných väzieb
TCHV 19
TCHV 20
TCHV 21
TCHV 22
Pár príkladov MO
sA + sB → σg ; ale: pzA - pzB → σg sA - sB → σu*; pzA + pzB → σu *
pxA + pxB → πu;pxA - pxB → πg*;
Podobne py atómové funkcie
πu σg
TCHV 23
Na tabuľu...
TCHV 24
Intuitívna konštrukcia orbitálového diagramu
molekuly F2
TCHV 25
Porovnanie: Výpočet F2 v minimálnej báze atómových funkcií
K s(1s) a s *(1s) sa ešte vrátime pri výpočte... ?
?Non-
bonding!
TCHV 26
?Najprv analyzujeme všetky MO
TCHV 27
Tzv. „core“ atómové funkcie (AO) nemajú prekryv nemá zmysel hovoriť o väzbových a antiväzbových MO, lebo sú neväzbové. Tento poznatok koreluje s výsledkami fotoelektrónovej spektroskopie. Also there is 2s-2p mixing, therefore 2s-2s is not more, but less, antibonding than 2s+2s is bonding: 2s-2s is nearly non-bonding, and Be 2 is a very weakly bound molecule. Similarly 2p+2p is only weakly bonding, and in N2 it is just non-bonding. Spins are vectors in space, which are never vertical. The spin-z axis angle is the magic one, about 55 deg., So there is an angle between so-called parallel spins of about 70 deg. Antiparallel spins are exactly antiparallel. alpha * beta for two electrons means both antiparallel or pseudo-parallel.
V orbitálových diagramoch si treba uvedomiť aká je separácia elektrónových hladín: NIE ekvidistantná: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s <3d < 4p <5s <4d
ALE: v súlade so spektroskopiou a kvantovou chémiou : 1s << 2s < 2p << 3s < 3p << 3d< 4s < 4p <<
4d <5s
Všimnite si: d < s poradie, čo je správne pre väčšinu prípadov, s výnimkou Li-Ne a Na-Ar periód. Poradie orbitálov vysvetľuje aj dĺžku riadkov v periodickej tabuľke: 1s << 2s, 2p << 3s, 3p << 3d, 4p << 4d, 5p << 4f, 5d, 6s etc.
Elektrónový a vibračný
stav...
...ukážka výpočtu
krivky potenciálnej
energie...
(ale najprv malé repetitórium)TCHV 28
TCHV 29
Molekula F2, MO, Born & Oppenheimer
Chemická väzba a spektroskopia
TCHV 30
En
erg
ia
Medzijadrová vzdialenosť
Disociačná energia
Základný stav
Chemická väzba a spektroskopia
TCHV 31
En
erg
ia
Medzijadrová vzdialenosť
Disociačná
energia
Vibračné hladiny základného stavu
Základný stav
Chemická väzba a spektroskopia
TCHV 32
En
erg
ia
Medzijadrová vzdialenosť
Elektrónov
é prechody
(UV+VIS)
Disociačná
energia
Vibračné prechody(IR)
Základný stav
Excitovaný stav
TCHV 33
Elektrónov
é prechody
(UV+VIS)
Základný stav
Disociačná
energia
Excitovaný stav
Vibračné prechody(IR)
Rotačné prechody(mikro)
En
erg
ia
Medzijadrová vzdialenosť
Chemická väzba a spektroskopia
Molekula ako oscilátor
TCHV 34
„Ľahký atóm “
„Ťažký atóm “
Výpočet krivky F2 online + excel
Silová konštanta k (charakterizuje chemickú väzbu)
Redukovaná (efektívna) hmotnosť
m=m1m2/(m1+m2)
F2 prevod R prevod E hm.jedn. NA c p 2*p
1E-10 2625.5 1.66E-27 6.02E+23 3.00E+08 3.141593 6.2832
[Å] [hartree] [m] [kJ/mol] red.hmotn. au kg
1.3 -198.7571151 1.3E-10 -521836.81 m 9.45 1.57E-26
1.35 -199.2933431 1.35E-10 -523244.67
1.4 -199.2959712 1.4E-10 -523251.57
1.45 -199.2955271 1.45E-10 -523250.41
1.5 -198.7363965 1.5E-10 -521782.41
[kJ.mol-1m-2] [J.m-2] [N.m-1] =[kg.m.s-2.m-1] =[kg.s-2]
k 3.226E+23 5.36E+02 5.36E+02 535.7701
k je druhá derivácia energie podľa súradníc počítaná numericky
=w 1.8478E+14[s-1]
teória 981.0[cm-1] exper. 916.64[cm-1]
Re = 1.4178 [Å] 1.41193[Å]
SCF mbpt2 CCSD CCSD(T)
1.3 -198.7571151 -199.06837 -199.076735 1.3 -199.2863889
1.35 -198.7576121 -199.07607 -199.084578 1.35 -199.2933431
1.4 -198.7535451 -199.07933 -199.088116 1.4 -199.2959712
1.45 -198.7461541 -199.07931 -199.088516 1.45 -199.2955271
1.5 -198.7363965 -199.07692 -199.086673 1.5 -199.292988
bez el.korelácie s elektrónovou koreláciou
Výpočet w z 3 energií okolo minima krivky, F2, excelovský hárok
TCHV 35
k
~
TCHV 36
TCHV 37
π *
σ3 (2s-2pz AO)
π (px AO, py AO)
σ2 (2s AO)
σ1 (2s AO)---------------------------σ -inner shell – z 1s AOσ -inner shell
FIN
TCHV 38
Nasledujú nepoužité slajdy
TCHV 39
F. A. Kekulé (1867)
TCHV 40
"I fell into a reverie, and... - the atoms were gamboling before my eyes! Whenever, hitherto, these diminutive beings had appeared to me, they had always been in motion; but up to that time, I had never been able to discern the nature of their motion. Now, however, I saw how, frequently, two smaller atoms united to form a pair; how a larger one embraced the two smaller ones; how still larger ones kept hold of three or even four of the smaller; whilst the whole kept whirling in a giddy dance. I saw how the larger ones formed a chain, dragging the smaller ones after them, but only at the ends of the chain. . . The cry of the conductor: "Clapham Road," awakened me from my dreaming; but I spent part of the night in putting on paper at least sketches of these dream forms. This was the origin of the Structural Theory."
Z histórie...
TCHV 41
• ~500 p. K. – Leukippos a Demokritos – atómy a „prázdnota“
• 100 p. K. - Asclepiades z Prusy ... o „klastroch atómov“
Titus Lucretius Carus: „De Rerum Natura“
Temný stredovek
• 1803 – John Dalton - atómová teória (ale bez koncepcie väzieb)
• 1811 - A. Avogadro – koncept molekuly
• ~1858 – S. Cannizzaro – Sunto di un corso di filosofia chimica
(rozdiel medzi at. a mol. hmostnosťami)
Téza a Antitéza...
TCHV 42
Chemistry sits right on the boundary between the quantum and classical worlds: the chemical bond is a quantum mechanical construct but the behaviour of molecular entities can often and conveniently be described in classical terms. As a result we have two entirely different types of model of chemical structure, bonding and reactivity.
On one hand, we have theories that treat electrons as countable dots and stress the importance of electron accountancy. "Lewis" models recognise – but cannot explain – the magic numbers of electrons associated with the group 18 elements (He, Ne, Ar, Kr, Xe), aromatic π-systems, 18-electron transition metal complexes, etc. Models include: Lewis octet theory, Lewis acids/base theory, electron accountancy, reactions mechanisms & curly arrows, VSEPR, etc.
Dve cesty k chemickej väzbe...
TCHV 43
On the other hand, we have quantum theory and models
derived from the Schrödinger wave equation. These wave
mechanical approaches lead to atomic orbitals, molecular
orbital theory and valence bond theory. The MO approach
has been developed into software such as Gaussian and
Spartan. Quantum chemistry techniques give good
numerical answers, but they are conceptually difficult.