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Le monde étonnant des orbitales moléculaires : savez-vous comment elles affectent les réactions chimiques ?
Dans le monde de la chimie, les orbitales moléculaires sont comme des harmonies en musique, démontrant pleinement les interactions et les relations entre les éléments. Parmi eux, les orbitales atomiques à combinaison linéaire (LCAO) constituent un concept très intéressant. Grâce à la superposition quantique des orbitales atomiques, elles nous fournissent un outil puissant pour analyser les orbitales moléculaires. Alors, comment une telle fonction d’onde affecte-t-elle les réactions chimiques ?
Dans le cadre d'une combinaison linéaire, les orbitales atomiques se combinent pour former de nouvelles orbitales moléculaires, un processus crucial pour comprendre les réactions chimiques.
En mécanique quantique, la configuration électronique d'un atome est décrite comme une fonction d'onde. Ces fonctions d’onde sont exprimées mathématiquement pour former un ensemble de fonctions de base qui décrivent les électrons d’un atome particulier. En particulier lors des réactions chimiques, les fonctions d'onde des orbitales électroniques changent en fonction des types d'atomes impliqués dans les liaisons covalentes, ce qui affecte à son tour la forme de la structure moléculaire.
Le concept de LCAO a été proposé pour la première fois par le scientifique britannique John Leonard-Jones en 1929, qui a utilisé cette méthode pour décrire les molécules diatomiques du premier groupe principal du tableau périodique. Linus Paul avait déjà appliqué une technique similaire aux cations d’hydrogène moléculaire (H2+). Le cœur de cette méthode est que n orbitales atomiques se combineront pour former n orbitales moléculaires, et toutes les orbitales ne sont pas nécessairement les mêmes.
« Les orbitales moléculaires peuvent être considérées comme une réorganisation de b, qui à son tour provient des orbitales atomiques calculées. »
Sur la base de cette hypothèse, nous pouvons exprimer la i-ème orbitale moléculaire comme un ensemble de développements linéaires sous la forme suivante :
ϕ_i = c_{1i}χ_1 + c_{2i}χ_2 + c_{3i}χ_3 + ... + c_{ni}χ_n
Parmi eux, ϕ_i représente l'orbitale moléculaire, χ_r représente l'orbitale atomique et c_{ri} est le poids de contribution de chaque orbitale atomique à l'orbitale moléculaire. En utilisant la méthode Hartley-Fock, nous pouvons calculer ces poids et en déduire les formes et les énergies des orbitales moléculaires.
Avec le développement de la chimie computationnelle, la méthode LCAO n'est plus seulement une description d'optimisation mathématique, mais est utilisée pour l'analyse qualitative, ce qui en fait un outil extrêmement utile pour prédire et rationaliser les résultats obtenus par des techniques plus modernes. résultat. Dans ce processus, les formes et les énergies des orbitales moléculaires sont souvent prédites en fonction des différences d’énergie des orbitales atomiques, en utilisant des concepts de base tels que la répulsion des niveaux d’énergie.
« La forme et l'énergie d'une orbitale moléculaire reflètent les positions et les énergies relatives des orbitales atomiques impliquées dans la liaison. »
Afin de présenter clairement ce processus, les scientifiques utilisent souvent des « diagrammes de corrélation » pour aider à comprendre. L'énergie des orbitales atomiques peut être calculée à l'aide du théorème de Koopmans et de la symétrie de la molécule et des orbitales pour établir une intégration nano-fond. La première étape de cette méthode consiste à attribuer un groupe de points à la molécule, puis à appliquer des opérations sur le groupe de points pour analyser les caractéristiques de la molécule.
Les diagrammes d'orbitales moléculaires fournissent un traitement LCAO qualitatif simple en plus des théories quantitatives telles que la méthode Hückel, la méthode Hückel étendue et la méthode Pariser-Parr-Pople, qui sont utilisées pour une analyse plus approfondie.
En bref, les orbitales moléculaires ne sont pas seulement des acteurs clés dans les réactions chimiques, mais révèlent également les mystères des interactions entre les atomes. Que ce soit d’un point de vue quantitatif ou qualitatif, la LCAO nous offre une fenêtre pour observer les changements chimiques. Cela nous a fait réfléchir : lorsque nous aurons une compréhension plus approfondie des propriétés de ces orbites, serons-nous en mesure de prédire davantage de réactions chimiques inconnues à l’avenir ?
