مخططات الطاقة الجزيئية المدارية

عادةً ما يتم عرض مستويات الطاقة النسبية للمدارات الذرية والجزيئية في رسم تخطيطي مداري جزيئي. بالنسبة للجزيء ثنائي الذرة ، تظهر المدارات الذرية لذرة واحدة على اليسار ، وتلك الخاصة بالذرة الأخرى تظهر على اليمين. يمثل كل خط أفقي مدارًا واحدًا يمكنه حمل إلكترونين. تظهر المدارات الجزيئية التي تكونت عن طريق الجمع بين المدارات الذرية في المركز. توضح الخطوط المتقطعة أي من المدارات الذرية تتحد لتشكل المدارات الجزيئية. لكل زوج من المدارات الذرية التي تتحد ، نتيجة مدارية جزيئية ذات طاقة أقل (ترابط) وأخرى مدارية ذات طاقة أعلى (مضادة للترابط).  

يتم توزيع الإلكترونات في هذه المدارات الجزيئية وفقًا لمبدأ أوفباو. تملأ المدارات منخفضة الطاقة أولاً؛ تنتشر الإلكترونات بين المدارات المتدهورة قبل الاقتران، ويمكن لكل مدار أن يحتوي على إلكترونين كحد أقصى مع دوران معاكس.

ترتيب الرابطة

يوضح الرسم التخطيطي المداري الجزيئي المملوء عدد الإلكترونات في كل من المدارات الجزيئية الرابطة والمضادة للترابط. يتم تحديد المساهمة الصافية للإلكترونات في قوة الرابطة للجزيء عن طريق تحديد ترتيب الرابطة. في النموذج المداري الجزيئي، يساهم الإلكترون في تفاعل الترابط إذا كان يشغل مداراً ترابطياً، ويساهم في تفاعل مضاد الترابط إذا احتل مداراً مضاداً للترابط. يتم حساب ترتيب الرابطة عن طريق طرح الإلكترونات المزعزعة للاستقرار (المضادة للترابط) من إلكترونات التثبيت (الرابطة). نظراً لأن الرابطة تتكون من إلكترونين، فإننا نقسم على اثنين للحصول على ترتيب الرابطة. معادلة تحديد ترتيب الرابطة هي كالتالي:

ترتيب الرابطة هو دليل لقوة الرابطة التساهمية؛ تصبح الرابطة بين ذرتين أقوى مع زيادة ترتيب الرابطة. إذا كان توزيع الإلكترونات في المدارات الجزيئية بين ذرتين بحيث يكون للرابطة الناتجة ترتيب رابطة يساوي صفراً، فلا تتشكل الرابطة المستقرة.

الترابط في الجزيئات ثنائية النواة متجانسة النوى

يتكون جزيء الهيدروجين (H₂) من ذرتي هيدروجين. عندما تتحد المدارات الذرية للذرتين، تحتل الإلكترونات المدار الجزيئي ذي الطاقة الأقل، مدار الترابط σ_1s. جزيء ثنائي الهيدروجين، H₂ يتكوّن بسهولة لأن طاقة جزيء H₂ أقل من ذرتين من H. كلا الإلكترونين في جزيء H₂ موجودان في مدار الترابط σ_1s تكوين الإلكترون هو (σ_1s)². يتم تمثيل هذا التكوين من خلال مخطط الطاقة الجزيئي المداري حيث يشير سهم واحد لأعلى إلى إلكترون واحد في مدار، ويشير سهمان (لأعلى ولأسفل) إلى إلكترونين من الدوران المعاكس. يحتوي جزيء ثنائي الهيدروجين على إلكترونين مترابطين ولا يحتوي على إلكترونات مضادة، وبالتالي فإن ترتيب الرابطة يساوي 1. وبالتالي، فإن الرابطة H–H هي رابطة أحادية.

تحتوي ذرة الهليوم على إلكترونين، كلاهما في مدارهما 1s. لا تتحد ذرتا هليوم لتكوين جزيء ثنائي الهيليوم، هو ₂، مع أربعة إلكترونات، لأن تأثير استقرار الإلكترونين في مدار الترابط المنخفض الطاقة سيعوضه التأثير المزعزع لاستقرار إلكترونين في المدار الجزيئي المضاد للطاقة العالية. التكوين الإلكتروني الافتراضي لـ He₂ هو (σ_1s)²(σ*_1s)². سيكون ترتيب الرابطة في جزيء ثنائي الهيليوم الافتراضي صفراً. يشير هذا إلى أنه لا توجد رابطة بين ذرتي الهيليوم.

الترابط في الجزيئات ثنائية النواة متجانسة النواة من الفترة الثانية

قد تتشكل ثمانية جزيئات ثنائية النواة متجانسة محتملة بواسطة ذرات الفترة الثانية من الجدول الدوري:Li₂, Be₂, B₂, C₂, N₂, O₂, F₂, و Ne₂. لن يكون جزيء Be₂ وجزيء Ne₂ مستقرين بسبب أن ترتيب الرابطة يساوي صفراً.  

بالنسبة لتكوينات الإلكترون المداري الجزيئي التكافؤ، يتم تخصيص إلكترونات التكافؤ لمدارات التكافؤ الجزيئية بأقل طاقات ممكنة. تمشيا مع قاعدة هوند’، كلما كان هناك مدارات جزيئية متدهورة أو أكثر، تملأ الإلكترونات كل مدار من هذا النوع على حدة قبل حدوث أي اقتران للإلكترونات.  

مدارات σ عادة ما تكون أكثر استقرارًا من مدارات π. ومع ذلك، هذا ليس هو الحال دائماً. بالنسبة للذرات التي تحتوي على ثلاثة إلكترونات أو أقل في المدارات p (Li خلال N)، لوحظ نمط مختلف، حيث يكون مدار σp أعلى في الطاقة من المدار πp set. 

يحدث هذا التبديل في الترتيب المداري بسبب ظاهرة تسمى المزج s-p. إن المزج s-p لا ينتج مدارات جديدة؛ إنه يؤثر فقط على طاقات المدارات الجزيئية الموجودة. تتحد الدالة الموجية لـ σ رياضياً مع الدالة الموجية لـ & σp، ونتيجة لذلك يصبح مدار σ أكثر استقراراً، ويصبح مدار σp أقل استقرارًا . وبالمث ، تخضع المدارات المضادة للترابط أيضاً لمزج s-p، حيث تصبح σ_s* أكثر استقراراً و σp* تصبح أقل استقراراً.

يحدث المزج s-p عندما يكون للمدارات s و p طاقات متشابهة. فرق الطاقة بين 2s و 2p في المدارات O و F و Ne أكبر من تلك الموجودة في Li و Be و B و C و N. بسبب هذا، فإن O₂, F₂, و Ne₂ يظهرون مزجاً s-p مهملاً (غير كافٍ لتغيير ترتيب الطاقة)، وتتبع مخططات MO النمط العادي، كما هو موضح في الشكل أعلاه. جميع الجزيئات ثنائية الذرة الأخرى في الفترة الأخرى لها مزج s-p، مما يؤدي إلى النمط الذي يتم فيه رفع مدار σp فوق مجموعة πp.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 8.4: Molecular Orbital Theory.