HMO苯分子轨道及丁二烯.doc

西南大学化学化工学院物理化学实验报告实验名称 苯分子轨道和电子结构 2013 级 化学类 班 姓名 学号 同组人 指导老师 申伟 实验日期 2015 年 05 月 日实验环境 室温25 大气压760 mmHg仪器型号Guassview Guass98 实验目的（ 1）掌握休克尔分子轨道法的基本内容（ 2）学会用休克尔分子轨道法分析和计算苯分子轨道分布（ 3）学会用计算的化学方法研究简单分子的电子结构 实验原理离域键:形成键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的型化学键称为离域键共轭效应:形成离域键,增加了电子的活动范围，使 分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应分子轨道法:原子组合成分子时，原来专属于某一原子的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道休克尔分子轨道法：为了讨论共轭体系的分子轨道，1931年休克尔应用LCAO-MO(分子轨道的原子线性组合)法，采用简化处理，解释了大量有机共轭分子性质，该方法称为休克尔分子轨道法，简称HMO法。该方法针对平面共轭体系的主要特点，能给出离域键体系的基本性质休克尔分子轨道法主要运用了下列基本假设 :-分离体系:对于共轭分子，构成分子骨架的电子与构成共轭体系的电子由于对称性不同，在 讨论共轭分子的结构时，可以近似的看成互相独立的，把 电子和电子分开处理.独立电子近似:分子中的电子由于存在相互作用，运动不是独立的，但 若将其它电子对某电子的作用加以平均， 近似地看成是在核和其它电子形成的固定力场上运动， 则该电子的运动就与其它电子的位置无关，是 独立的.LCAO-MO近似:对于体系，可 将每个分子轨道看成是由各个碳原子提供的对称性匹配的p轨道 i 进行线性组合得的.=C11 + C22 + + CNNhuckel近似:认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同实验相关软件Gaussian 98 程序包 Gaussian 图形查看程序Gview2实验步骤（1）构建分子结构（2）编写输入文件（3）结果查看，数据统计（4）同样的方法研究丁二烯的分子轨道和电子结构数据记录与处理一、苯分子（1）苯的六个轨道形状和能量 （1Hartree=27.211ev）轨道数能量 图形轨道数能量图形17-13.83652ev224.11539ev20-9.22453ev234.11539ev21-9.22453ev2910.21773ev（2）苯分子中离域键的键长 答：C-C：1.385 C-H：1.070（3）苯分子中碳原子和氢原子的电荷 答：C:-0.239 H:0.239二、丁二烯分子（1）丁二烯分子的轨道形状和能量答:能量:14：-12.19053ev 15：-8.84820ev 16:3.58777ev 17:7.36357ev轨道形状：14：15：16：17：（2） 丁二烯分子中离域键的键长答：C=C:1.320 C-C:1.460 C-H:1.070（3）丁二烯分子中碳原子和氢原子的电荷 1.C:-0.412 2.C:-0.247 3.C:-0.247 4.C:-0.412 5.H:0.217 6.H:0.211 7.H:0.231 8.H:0.231 9.H:0.217 10.H:0.211实验讨论1、 写出丁二烯的HMO行列式方程，并由此计算出相应的4个分子轨道波函数。答：2、 写出苯的HMO行列式方程，并由此计算出相应的6个分子轨道波函数。答：展开行列式 X 6 - 6 X4 + 9 X 2- 4=0X的六个解 X 1=-2；X 2，X 3=-1；X 4，X 5=1，X 6=2 3、休克尔分子轨道法用到了哪些近似？并简述其内容。答：-分离体系:对于共轭分子，构 成分子骨架的电子与构成共轭体系的电子由于对称性不同，在 讨论共轭分子的结构时，可以近似的看成互相独立的，把 电子和电子分开处理.独立电子近似:分子中的电子由于存在相互作用，运动不是独立的，但 若将其它电子对某电子的作用加以平均， 近似地看成是在核和其它电子形成的固定力场上运动， 则该电子的运动就与其它电子的位置无关，是 独立的.LCAO-MO近似:对于体系，可 将每个分子轨道看成是由各个碳原子提供的对称性匹配的p轨道 i 进行线性组合得的.=C11 + C22 + + CNNhuckel近似:认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同3、 什么是离域键？答：形成键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的型化学键称为离域键。4、 什么是共轭效应？答：形成离域键,增加了电子的活动范围，使 分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应。5、 用分子轨道理论解释苯分子离域键的形成。答：按照分子轨道理论，苯分子中六个碳原子都形成sp2杂化轨道，六个轨道之间的夹角各为120，六个碳原子以sp2杂化轨道形成六个碳碳键，又各以一个sp2杂化轨道和六个氢原子的s轨道形成六个碳氢键，这样就形成了一个正六边形，所有的碳原子和氢原子在同一平面上。每一个碳原子都还保留一个和这个平面垂直的p轨道，它们彼此平行，这样每一个碳原子的p轨道可以和相邻的碳原子的p轨道平行重叠而形成键。由于一个p轨道可以和左右相邻的两个碳原子的p轨道同时重叠，因此形成的分子轨道是一个包含六个碳原子在内的封闭的或称为是连续不断的共轭体系，轨道中的电子能够高度离域，使电子云完全平均化，从而能量降低，苯分子得以稳定。6、 写出苯分子所有的共振式答：（）式和（）式结构相似，能量最低，其余共振式的能量都比较高。能量最低而结构又相似的共振式在真实结构中参与最多，或称贡献最大。因此，可以说苯的真实结构主要是（）式和（）式的共振杂化体。苯的两个共振结构式，仅在电子排布上不同，而原子核并未改变，这种结构共振所产生的共振杂化体，其稳定性较大。 7、 根据实验得到的的苯分子轨道的能量，分析苯分子轨道的简并情况答：由轨道图形和能量可以看出，2和3、4和5的能量相等。2、3为分子成键轨道，能量相同为简并轨道；4、5为反键轨道。 填空：1、分子轨道中HOMO表示：已占有电子的能级最高的轨道称为最高已占轨道，LUMO表示：未占有电子的能级最低的轨道称为最低未占轨道。2、如果两个轨道能量相近或相同，表示这两个轨道是 简并的。选择：1、基态苯分子总共有_D_个占据轨道。A、15 B、18 C、20 D