苯分子轨道与电子结构

西南大学化学化工学院物理化学实验报告西南大学化学化工学院物理化学实验报告 实验名称实验名称 苯分子轨道和电子结构苯分子轨道和电子结构 级 班 姓名 学号 同组人 指导老师 实验日期 年 月 日 实验环境 室温 20 大气压 76 mmHg 仪器型号 一体机 实验目的实验目的 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 实验原理实验原理 基本理论基本理论 离域离域 键键 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 休克尔分子轨道法 为了讨论共轭体系的分子轨道 1 931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 独立独立 电子近似电子近似 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 MOLCAO MO 近似近似 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 C1 1 C2 2 CN N huckelhuckel 近似近似 认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同 休克尔分子轨道法基本内容休克尔分子轨道法基本内容 在分子中把原子核 内层电子 非 键电子连同 电子一起冻结为 分 子实 构 成了由 键相连的分子骨架 电子在分子骨架的势场中运 动 由此 可 写出一个 电子的 Hamilton 算符及轨道方程 H E 1 1 采用变分法 电子分子轨道表示为所有碳原子的对称性匹配的 p 原子 轨道的线性组合 C1 1 C2 2 CN N 1 2 代入 1 1 式 按 线性法处理得有关系数线性齐次方程组 H11 E C 1 H12 ES12 C 2 H1N ES1N 0 HN1 E C 1 HN2 ESN2 C 2 HNN ES1N 0 1 3 式中已假定原子轨道是归一化的 H rr Srr代表能量积分及重叠积分 H rs r H dt Srs r sdt 1 4 进一步的近似假定 1 H rr r 1 2 N 称之为库伦积分 2 H rs 对应于原子 r 和 s 邻近 否 则 0 3 称为共振积分 S rr 0 r s 即为忽略重叠近似 做上述处理后久期方程可化为 1 5 进一步做变换 X E 式 1 5 的 非零解方程化为 1 6 由上述方程通过求 X 得 N 个 E i 值并回代到久期方程 再 结合归一化 条件得分子轨道组合系数 Cik 及 i 苯环的分子轨道计算苯环的分子轨道计算 苯分子骨架图苯分子骨架图 1 2 3 4 5 6是苯环6个 电子的原子轨道波函数 根 据分子轨道法 每个 电子的轨道波函数 可表示为 C 1 1 C 2 2 C 3 3 C 4 4 C 5 5 C 6 6 2 1 轨道系数方程 2 2 久期方程 2 3 展开行列式 X 6 6 X4 9 X 2 4 0 X 的六个解 X 1 2 X 2 X 3 1 X 4 X 5 1 X 6 2 分子轨道能量分子轨道系数 将每一轨道能量值或 X 值代入 2 2 并 结合诡归一化条件 可以求出相应分子轨道的组成系数 例如 对于 X 2时 2 2 式 具体形式为 2 4 去掉第一个方程 将 C1移到等号右边 2 5 可解得 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 结合归一化条件得 2 6 轨道波函数为 实验相关软件实验相关软件 Gaussian 98 程序包 Gaussian 图形查看程序 Gview2 实验步骤实验步骤 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 数据记录与处理数据记录与处理 一 苯分子 1 苯的六个 轨道形状和能量 轨道数能量 eV 图形轨道数能量 eV图形 17 13 839743 45 224 1174454 5 20 9 2262235 14 234 1174454 5 21 9 2262235 14 2910 221910 05 2 苯分子中离域 键的键长 CC 键 1 384 CH 键 1 070 3 苯分子中碳原子和氢原子的电荷 1C 0 239312 2C 0 239312 3C 0 239312 4C 0 239312 5C 0 239312 6C 0 239312 7H0 239312 8H0 239312 9H0 239312 10H0 239312 11H0 239312 12H0 239312 二 丁二烯分子 1 丁二烯分子的 轨道形状和能量 轨道数能量 eV图形 14 10 29456605 15 7 161105973 166 741225044 1710 81023316 2 丁二烯分子中离域 键的键长 CC 双键 1 350 CC 单键 1 540 两端的 CH 键 1 050 1 060 1 070 1 070 中间的 CH 键 1 060 1 070 1 070 1 060 1 350 1 5401 350 1 060 1 070 1 070 1 050 3 丁二烯分子中碳原子和氢原子的电荷 1C 0 134625 2C 0 058539 3C 0 058539 4C 0 134625 5H0 065399 6H0 064002 7H0 063763 8H0 063763 9H0 064002 10H0 065399 实验讨论实验讨论 问答题 1 什么是离域 什么是离域 键键 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 2 什么是共轭效应 什么是共轭效应 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 3 写出苯的 写出苯的 HMO 列式方程 并列式方程 并 由此计算出相应的由此计算出相应的6个分子轨道波函数个分子轨道波函数 展开行列式 X 6 6 X4 9 X 2 4 0 X 的六个解 X 1 2 X 2 X 3 1 X 4 X 5 1 X 6 2 4 写出丁二烯的 写出丁二烯的 HMO 列式方程 并列式方程 并 由此计算出相应的由此计算出相应的4个分子轨道波函数个分子轨道波函数 5 简述克尔分轨道法的基本内容 简述克尔分轨道法的基本内容 休克尔分子轨道法 H ckel molecular orbital method 是用简化的近似分子轨道模型 处理共轭分子中的 电子的方法 6 休克尔分子轨道法用到了哪些假设 休克尔分子轨道法用到了哪些假设 休克尔分子轨道法的基本原理是变分法 其主要应用于 电子体系 基本假设有如下三点 1 分离近似 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 于对称性的不同 可以近似地看成互相独立的 2 独立 电子近似 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 是考虑了所有电子及其它 p 电子的屏蔽之后的有效核电荷 由于电子的不可区分性 k 可省略 故单电子方程为 3 LCAO MO 近似 对于 体系 可将每个 分子轨道 k看成是由各原子提供的垂直 于共轭体系平面的 p 原子轨道线性组合构成 此外 还作出如下的假定 1 库伦积分近似 即各碳原子的库伦积分都相同 其值为 2 交换积分近似 分子中直接键连碳原子间的交换积分都相同 其值为 而非键连碳原 子间的交换积分都是零 3 重叠积分近似 各原子轨道间的重叠积分都取为零 7 写出苯分子的所有共振式 写出苯分子的所有共振式 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 8 休克尔分子轨道法用到了哪些近似 并简述其内容 休克尔分子轨道法用到了哪些近似 并简述其内容 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 C1 1 C2 2 CN N huckel 近似 认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同 9 用分子轨道理论解释苯分子离域用分子轨道理论解释苯分子离域 键的形成 键的形成 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 10 根据实验得到的的苯分子根据实验得到的的苯分子 轨道的能量 分析苯分子轨道的能量 分析苯分子 轨道的简并情况 轨道的简并情况 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 分子轨道中分子轨道中 HOMO 表示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