分子轨道理论简明读本

Question

如题所述

Answer 1

传统价键理论虽能解释部分化学键的形成，但它在涉及分子激发态、颜色和磁性等方面有所局限。分子轨道理论的出现弥补了这一空白，以氢分子为例，其1s轨道分裂为成键和反键轨道，使氢气分子的稳定性得到了显著提升。分子轨道示意图清晰展示了电子的分布情况，键级则定义了共价键的强度，如氢分子中，电子变化直接影响其稳定性，而氦分子由于无键级，表现出不同的特性。

以第二周期双原子分子如Li2为例，分子轨道的数目取决于原子轨道的数量。1s和2s轨道的重叠影响了成键能量。Li的1s与2s轨道形成成键和反键轨道，其中2s轨道间的重叠增加，导致键级为1。在Li2的分子轨道中，1s和2s轨道完全填满，非价层电子对稳定性影响较小。2p轨道则组合形成σ和π轨道，其中σ轨道的重叠程度大于π轨道。

对于O2、F2和Ne2等元素，2s轨道能量低于2p，轨道间的相互作用对能级有显著影响。图9.41和9.42展示了价层轨道能级的示意图，这些图考虑了原子间轨道的相互作用，揭示了能级随相互作用变化的规律。

思考一下：轨道重合和相互作用如何塑造分子的稳定性？比如，氮气（键级1，顺磁性）和氟气（键级0，反磁性）的稳定性差异，就是轨道填充和相互作用的结果。键长和键能的变化，直接受电子排布的影响。氮气的键级为3，其稳定性优于氧气，后者通过双键理论解释，且表现出顺磁性。一氧化氮（单电子，其键级高于2）的多方面功能，是分子轨道理论预测的体现，而异核双原子分子如NO，如氧的2s和2p轨道能量比氮的低，影响了轨道的贡献。

氮原子的轨道能量较低，一氧化氮的轨道能级图与同核双原子相似。异核双原子分子中，像NO中的O，其2s轨道对分子轨道影响较大。NO的键级为2.5，显示出未成对电子在靠近N的 轨道上。太阳能转化为可用能量的过程，与光子激发分子电子的能量差密切相关，HOMO和LUMO的能量差决定了吸收光谱。二氧化钛作为高效太阳能转化剂，尽管颜色较浅，寻找深色掺杂材料以提高吸收效率是关键挑战。

这本书以易懂的方式阐述理论，但深入理解需要数学基础。分子轨道理论不仅是理论探讨，更是实际应用的桥梁。通过书中的习题，读者能拓展视野，未来可能的深入讨论会更加丰富。感谢您的阅读，愿您在探索科学的道路上步步为营，六一儿童节快乐！雾雨，2019年5月31日，宁波。