Moleküler orbital

Kimyada moleküler orbital (veya MO), atomlar bir molekülde bir araya geldiğinde elektronlara ne olduğunu açıklar. MO, bir moleküldeki elektronun dalga benzeri davranışını tanımlayan matematiksel bir fonksiyondur. Kimyagerler bu tür fonksiyonları kimyasal ve fiziksel özellikleri tahmin etmek veya açıklamak için kullanırlar. Örneğin, fonksiyonlar belirli bir bölgede bir elektron bulma olasılığını söyleyebilir.

Kimyacılar genellikle atomik orbitalleri birleştirerek moleküler orbitallerin matematiksel modellerini oluştururlar. Molekülün her bir atomundan gelen hibrit orbitaller veya atom gruplarından gelen diğer moleküler orbitaller de kullanılabilir. Bilgisayarlar bu fonksiyonlar üzerinde çalışabilir. Moleküler orbitaller kimyacıların molekülleri incelemek için kuantum mekaniğini uygulamalarına olanak sağlar. MO'lar moleküllerdeki atomların nasıl bir arada durduğuna ilişkin soruları yanıtlar. Bir orbital diyagramındaki çeşitli yuvarlak şekiller, elektronların bir atomda büyük olasılıkla nerede bulunacağını gösterir.

Şekil 1: Tam asetilen (H-C≡C-H) moleküler orbital seti

Tarih

Orbital kelimesi İngilizce'de ilk kez Robert S. Mulliken tarafından kullanılmıştır. Alman fizikçi Erwin Schrödinger MO'lar hakkında daha önce yazmıştır. Schrödinger onlara Eigenfunktion adını vermişti.

Fizikçi Max Born 1926 yılında moleküler orbitallerin ardındaki teoriyi tanımlamıştır. Günümüzde Born'un kuralı olarak bilinir ve kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumunun bir parçasıdır. İlk önerildiğinde bu teori Niels Bohr'un atom modeliyle uyuşmuyordu. Bohr'un modeli elektronları çekirdeğin etrafında daireler çizerek hareket eden "yörüngeler" olarak tanımlıyordu. Ancak Born modeli, elektronların moleküller içindeki konumlarını tanımlayabildiği ve daha önce açıklanamayan bir dizi kimyasal reaksiyonu açıklayabildiği için sonunda popüler destek kazandı.

Genel Bakış

Atomik orbitaller bir elektronun atom içindeki konumunu tahmin eder. Moleküler orbitaller, atomik orbitaller bir araya getirildiğinde oluşturulur. Bir moleküler orbital, bir molekülün elektron konfigürasyonu hakkında bilgi verebilir. Elektron konfigürasyonu en olası konum ve bir (veya bir çift) elektron(lar)ın enerjisidir. Çoğunlukla bir MO, özellikle yaklaşık kullanımda, atomik orbitallerin doğrusal bir kombinasyonu (LCAO-MO yöntemi) olarak temsil edilir. Bu, kimyacıların bir elektronun molekülün herhangi bir noktasında bulunma şansının, elektronun tek tek atomik orbitallere dayalı olarak orada bulunma olasılıklarının toplamı olduğunu varsaydıkları anlamına gelir. LCAO-MO moleküllerdeki bağlanmanın basit bir modelidir ve moleküler orbital teorisini incelemek için önemlidir.

Teorik kimyagerler farklı moleküllerin (hem gerçek hem de hayali) MO'larını hesaplamak için bilgisayarları kullanırlar. Bilgisayar, elektronun herhangi bir bölgede bulunma olasılığını göstermek için "bulutun" grafiklerini çizebilir. Bilgisayarlar ayrıca molekülün fiziksel özellikleri hakkında da bilgi verebilir. Ayrıca molekülü oluşturmak için ne kadar enerji gerektiğini de söyleyebilirler. Bu, kimyacıların bazı küçük moleküllerin birleşerek daha büyük moleküller oluşturup oluşturamayacağını söylemelerine yardımcı olur.

Hesaplamalı kimya yapmanın günümüzdeki çoğu yolu, bir sistemin MO'larını hesaplayarak başlar. Her MO'nun elektrik alanı, tüm atomların çekirdekleri ve diğer elektronların bazı ortalama dağılımı tarafından üretilir.

Analoji

MO'ları anlamak, büyük bir ev geliştirme mağazasında (mağazanın içine bakmadan) her çalışanın nerede olduğunu bilme görevine benzer. Bir analist mağazada çalışan personel sayısını ve her bir çalışanın departmanını bilir. Ayrıca çalışanların birbirlerinin ayak parmaklarına basmadıklarını ve çalışanların ürün rafları yerine koridorda durduklarını da bilir. Çalışanlar, müşterilerin diğer departmanlardaki ürünleri bulmalarına yardımcı olmak veya envanteri kontrol etmek için kendi departmanlarından ayrılırlar. Bir analistin içeriye bakmadan seçilen bir anda mağazadaki tüm çalışanların konumunu vermesi, bir kimyagerin bir molekülün MO'larını hesaplamasına benzer. Tıpkı MO'ların her bir elektronun tam yerini söyleyememesi gibi, her bir çalışanın tam yeri de bilinmemektedir. Bir MO'nun düğüm düzlemine sahip olması, çalışanların raflarda değil koridorlarda yürüdüğü sonucuna varmak gibidir. Elektronlar belirli bir atomdan alınsa da elektron, kaynak atomuna bakılmaksızın bir MO'yu doldurur. Bu, bir çalışanın gün içinde mağazada başka bir yere gitmek için kendi bölümünden ayrılması gibidir. Dolayısıyla, bir MO elektronun eksik bir tanımıdır, tıpkı analistin görünmeyen mağaza hakkındaki hesaplamalarının çalışanların konumları hakkında eksik bir tahmin olması gibi.

MO'ları hesaplamak, bir ev geliştirme mağazasındaki her çalışanın yerini tahmin etmeye benzer.

Moleküler orbitallerin oluşumu

Teorik kimyacılar MO'ları hesaplamak için kurallar icat etmişlerdir. Bu kurallar kuantum mekaniği anlayışından gelmektedir. Kuantum mekaniği, kimyacıların elektronların moleküllerde nasıl davrandığını anlamak için fiziğin elektronlar hakkında söylediklerini kullanmalarına yardımcı olur. Moleküler orbitaller, atomik orbitaller arasındaki "izin verilen" etkileşimlerden oluşur. (Atomik orbitallerin simetrileri (grup teorisinden belirlenir) birbirleriyle uyumluysa etkileşimlere "izin verilir"). Kimyacılar atomik orbital etkileşimlerini inceler. Bu etkileşimler, iki atomik orbital arasındaki örtüşmeden (iki orbitalin birbiriyle yapıcı olarak ne kadar iyi etkileşime girdiğinin bir ölçüsü) kaynaklanır. Örtüşme, atomik orbitallerin enerji bakımından yakın olması durumunda önemlidir. Son olarak, bir moleküldeki MO'ların sayısı, molekülü oluşturmak için bir araya getirilen atomlardaki atomik orbitallerin sayısına eşit olmalıdır.

Niteliksel yaklaşım

Kimyacıların moleküler yapıyı tartışabilmeleri için MO'ların geometrisini anlamaları gerekir. LCMO (Linear combination of atomic orbitals molecular orbital) yöntemi MO'ların kaba ama iyi bir tanımını verir. Bu yöntemde moleküler orbitaller, moleküldeki her bir atomun tüm atomik orbitallerinin doğrusal kombinasyonları olarak ifade edilir.

Atomik orbitallerin doğrusal kombinasyonları (LCAO)

Moleküler orbitaller ilk olarak Friedrich Hund ve Robert S. Mulliken tarafından 1927 ve 1928 yıllarında tanıtılmıştır.

Atomik orbitallerin doğrusal kombinasyonu veya moleküler orbitaller için "LCAO" yaklaşımı 1929 yılında Sir John Lennard-Jones tarafından tanıtılmıştır. Çığır açan makalesi, flor ve oksijen moleküllerinin elektronik yapısının kuantum prensiplerinden nasıl türetileceğini gösterdi. Moleküler orbital teorisine yönelik bu nitel yaklaşım, modern kuantum kimyasının başlangıcının bir parçasıdır.

Atomik orbitallerin doğrusal kombinasyonları (LCAO), molekülün atomları birbirine bağlandığında oluşan moleküler orbitalleri tahmin etmek için kullanılabilir. Bir atomik orbitalde olduğu gibi, bir moleküler orbital için de bir elektronun davranışını tanımlayan bir Schrödinger denklemi oluşturulabilir. Atomik orbitallerin doğrusal kombinasyonları (atomik dalga fonksiyonlarının toplamları ve farkları) moleküler Schrödinger denklemlerine yaklaşık çözümler sağlar. Basit iki atomlu moleküller için, elde ettiğiniz dalga fonksiyonları matematiksel olarak şu denklemlerle temsil edilir

Ψ = c_a ψ_a + c_b ψ _b

Ψ* = c_a ψ_a - c_b ψ _b

Burada Ψ ve Ψ* sırasıyla bağ ve karşıt bağ moleküler orbitalleri için moleküler dalga fonksiyonları, ψ_a ve ψ_b sırasıyla a ve b atomlarından gelen atomik dalga fonksiyonları ve c_a ve c_b ayarlanabilir katsayılardır. Bu katsayılar, tek tek atomik orbitallerin enerjilerine ve simetrilerine bağlı olarak pozitif veya negatif olabilir. İki atom birbirine yaklaştıkça, atomik orbitalleri yüksek elektron yoğunluğu alanları üretmek için üst üste biner. Böylece iki atom arasında moleküler orbitaller oluşur. Atomlar, pozitif yüklü çekirdekler ve bağlayıcı moleküler orbitalleri işgal eden negatif yüklü elektronlar arasındaki elektrostatik çekim ile bir arada tutulur.

Bağlanma, Antibağlanma ve Bağlanmama MO'ları

Atomik orbitaller etkileşime girdiğinde, ortaya çıkan moleküler orbital üç tipte olabilir: bağlanma, karşıt bağlanma veya bağlanmama.

Bağ kurma yöntemleri:

Atomik orbitaller arasındaki bağ etkileşimleri yapıcı (faz içi) etkileşimlerdir.
Bağ MO'ları, onları üretmek için birleşen atomik orbitallerden daha düşük enerjilidir.

Antibonding MO'lar:

Atomik orbitaller arasındaki karşıt bağ etkileşimleri yıkıcı (faz dışı) etkileşimlerdir.
Antibonding MO'ların enerjisi, onları üretmek için birleşen atomik orbitallerden daha yüksektir.

Bağlayıcı olmayan MO'lar:

Bağ yapmayan MO'lar, uyumlu simetrilerin olmaması nedeniyle atomik orbitaller arasında etkileşim olmamasının sonucudur.
Bağ yapmayan MO'lar, moleküldeki atomlardan birinin atomik orbitalleri ile aynı enerjiye sahip olacaktır.

HOMO ve LUMO

Her moleküler orbitalin kendi enerji seviyesi vardır. Kimyacılar MO'ları enerji seviyelerine göre sıralarlar. Kimyacılar elektronların önce en düşük enerji seviyesindeki MO'ları dolduracağını varsayarlar. Örneğin, bir molekülün 15 orbitali dolduracak elektronu varsa, en düşük enerji seviyesine sahip 15 MO doldurulacaktır. Listedeki 15. MO "en yüksek dolu moleküler orbital" (HOMO) ve listedeki 16. MO "en düşük boş moleküler orbital" (LUMO) olarak adlandırılır. HOMO'nun enerji seviyesi ile LUMO'nun enerji seviyesi arasındaki farka bant aralığı denir. Bant aralığı bazen molekülün uyarılabilirliğinin bir ölçüsü olarak kullanılabilir: enerji ne kadar küçükse, o kadar kolay uyarılır. Elektron uyarıldığında, boş bir MO'ya atlayacaktır. Örneğin, bu bir şeyin ışık verip vermeyeceğini (lüminesans) tahmin etmeye yardımcı olabilir.

Hidrojen atomunun 1s orbitali için elektron dalga fonksiyonları (sol ve sağ) ve H2 molekülünün karşılık gelen bağlanma (alt) ve antibağlanma (üst) moleküler orbitalleri. Dalga fonksiyonunun gerçek kısmı mavi eğri, hayali kısmı ise kırmızı eğridir. Kırmızı noktalar protonların yerlerini göstermektedir. Elektron dalga fonksiyonu Schrödinger dalga denklemine göre salınır ve orbitaller onun duran dalgalarıdır. Duran dalga frekansı orbitalin enerjisi ile orantılıdır. (Bu çizim üç boyutlu sistemin tek boyutlu bir kesitidir).

Sorular ve Yanıtlar

S: Moleküler orbital nedir?

C: Moleküler orbital (veya MO), bir moleküldeki elektronun dalga benzeri davranışını tanımlayan matematiksel bir fonksiyondur. Atomlar bir molekülde bir araya geldiğinde elektronlara ne olduğunu açıklar ve herhangi bir bölgede bir elektron bulma olasılığını söyleyebilir.

S: Kimyagerler moleküler orbitallerin matematiksel modellerini nasıl oluştururlar?

C: Kimyagerler genellikle atomik orbitalleri birleştirerek moleküler orbitallerin matematiksel modellerini oluştururlar. Molekülün her bir atomundan gelen hibrit orbitaller veya atom gruplarından gelen diğer moleküler orbitaller de kullanılabilir. Bilgisayarlar bu fonksiyonlar üzerinde çalışabilir.

S: Kuantum mekaniğinin molekülleri incelemekle ne ilgisi var?

C: Moleküler orbitaller kimyacıların molekülleri incelemek için kuantum mekaniğini uygulamalarına olanak sağlar. Moleküllerdeki atomların nasıl bir arada durduğuna dair sorulara cevap verirler ve kimyasal ve fiziksel özellikler hakkında fikir verirler.

S: Orbital diyagramları nedir?

C: Orbital diyagramları, çeşitli yuvarlak şekillerine dayanarak elektronların bir atomda büyük olasılıkla nerede bulunacağını gösteren görsel temsillerdir.

S: Hibrit orbitaller nasıl çalışır?

C: Hibrit orbitaller, farklı atomik yörünge türlerini, bileşen parçalarına kıyasla benzersiz özelliklere sahip yeni bir türde birleştirir. Bu melezler genellikle moleküler orbitaller için matematiksel modeller oluşturulurken kullanılır.

S: Bilgisayarlar MO'ların incelenmesine nasıl yardımcı olabilir?

C: Bilgisayarlar, işlevleri üzerinde çalışarak ve moleküllerdeki kimyasal ve fiziksel özellikler için daha doğru tahminler veya açıklamalar sağlayarak MO'ların incelenmesine yardımcı olabilir.