KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

Samankaltaiset tiedostot
Luku 11: Molekyylien rakenne. Valenssisidosteoria Kaksiatomiset ja moniatomiset molekyylit Molekyyliorbitaaliteoria H

Luku 10: Molekyylien rakenne. Valenssisidosteoria Kaksiatomiset ja moniatomiset molekyylit Molekyyliorbitaaliteoria H

Laskennalinen kemia. Menetelmien hierarkia: Molekyyligeometria Molekyylimekaniikka Molekyylidynamiikka

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Lineaariset kongruenssiyhtälöryhmät

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Matriisilaskenta Luento 8: LU-hajotelma

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Kvanttifysiikan perusteet 2017

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Orgaanisten yhdisteiden rakenne ja ominaisuudet

Lämpö- eli termokemiaa

(1.1) Ae j = a k,j e k.

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

Kolmannen ja neljännen asteen yhtälöistä

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Atomin elektronikonfiguraatiot (1)

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

Numeeriset menetelmät

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Shrödingerin yhtälön johto

Osittaistuenta Gaussin algoritmissa: Etsitään 1. sarakkeen itseisarvoltaan suurin alkio ja vaihdetaan tämä tukialkioiksi (eli ko. rivi 1. riviksi).

Nyt. = R e ik R ψ n (r + R R ) = e ik R [ = e ik R b n ψ n (r R),

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Matematiikan tukikurssi

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Vaihdetaan ryhmässä (1) summausindeksiksi K, jolloin saadaan (E E 0 k K 1

Dierentiaaliyhtälöistä

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Mapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1. Derivoidaan molemmat puolet, aloitetaan vasemmasta puolesta. Muistetaan että:

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Paulin spinorit ja spinorioperaattorit

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Numeeriset menetelmät

Korkeammat derivaatat

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Gaussin ja Jordanin eliminointimenetelmä

A = a b B = c d. d e f. g h i determinantti on det(c) = a(ei fh) b(di fg) + c(dh eg). Matriisin determinanttia voi merkitä myös pystyviivojen avulla:

y + 4y = 0 (1) λ = 0

9. Elektronirakenteen laskeminen

Luento 2: Liikkeen kuvausta

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Korkeammat derivaatat

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Matematiikan tukikurssi

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 5 - Ratkaisut / vko 41

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Käänteismatriisin ominaisuuksia

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Tekijä Pitkä matematiikka

Vektoreiden virittämä aliavaruus

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Latinalaiset neliöt ja taikaneliöt

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Kvanttifysiikan perusteet 2017

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

Determinantti 1 / 30

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Tilat ja observaabelit

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

Oletetaan, että virhetermit eivät korreloi toistensa eikä faktorin f kanssa. Toisin sanoen

Ratkaisut Summa on nolla, sillä luvut muodostavat vastalukuparit: ( 10) + 10 = 0, ( 9) + 9 = 0,...

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

Transkriptio:

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt Hückelin molekyyliorbitaalimenetelmä

1 Johdanto Kvanttikemisti turvautuu usein raskaisiin tietokonelaskuihin ratkaistaakseen haluamansa molekyylin Schrödingerin yhtälön niin tarkasti kuin tietokoneresurssit sallivat. Nykyisin käytettävissä olevat tietokonemenetelmät antavat varsinaisen ratkaisun - kokonaisenergian, orbitaalienergioiden ja molekyyliorbitaalien - lisäksi suuren määrän näistä johdettuja tuloksia, kuten dipolimomentteja ja polaroituvuuksia, rotaatiovakioita ja värähtelytaajuuksia ym. Tietokonelaskujen vaatimat syöttötiedostot ovat usein varsin mutkikkaita. Nykyään kemistit käyttävät mallitusohjelmia syöttötiedostojen tuottamiseen automaattisesti. Samoin laskujen tulokset ovat varsin mittavia numeerisia taulukoita, joiden tulkitseminen ei ole aivan yksinkertaista. Taas avuksi tulevat mallitusohjelmat, joilla tulokset voidaan havainnollistaa. Tässä työssä tehdään molekyylilaskuja menetelmällä, jossa laskut voi tehdä käsin ja tulokset ovat havainnollistettavissa yksinkertaisilla piirroksilla. Tällainen menetelmä on Hückelin molekyyliorbitaalimenetelmä. Se sisältää yksinkertaisuudestaan huolimatta asioita, joista saadaan kohtuullisia arvioita verrattuna kehittyneempiin kvanttikemiallisiin laskumenetelmiin. Tällaisia ovat mm. energiat, aaltofunktiot, atomivaraukset ja jossain määrin nk. sidoskertaluku. Hückelin molekyyliorbitaalimenetelmä sisältää olennaisimmat asiat, jotka kuuluvat kvanttikemialliseen mallitukseen ja sen vuoksi silllä on tärkeä merkitys asioiden havainnollistajana. Teoreettiset lähtökohdat.1 Yleistä Hückelin molekyyliorbitaalimenetelmä (HMO) on hyvin yksinkertainen laskumenetelmä ja se soveltuu vain konjugoituja kaksoissidoksia sisältävien systeemien tarkasteluun. Vaikka HMO-menetelmä on karkea laskutapa, on se havainnollinen ja käyttökelpoinen opetuksellisessa mielessä, koska pienten molekyylien tapauksessa siihen liittyvät laskut voidaan suorittaa käsin. Niin sanottu Hückelin approksimaatio on oletus, jonka mukaan σ- ja π-elektroneja voidaan tarkastella erikseen konjugoiduissa systeemeissä. Tyydyttymättömiä molekyylejä kuvataan yleensä siten, että molekyylin perusgeometrian määrää sigmasidosten muodostama runko. Molekyylin p z -orbitaalit ovat kohtisuorassa molekyylin runkoa vastaan ja ne muodostavat sidosten π-osan. Esimerkiksi bentseenimolekyylissä hiiliatomit muodostavat σ-sidokset kolmeen naapuriatomiinsa sp - hybridiorbitaalien avulla, jolloin muodostuu tasomainen molekyylin runko (kuva 1

1a). Jokaisen hiiliatomin hybridisoitumaton p-orbitaali on kohtisuorassa molekyylirungon tasoa vastaan ja se voi muodostaa π-sidoksen naapurihiilten vastaavien p-orbitaalien kanssa (kuva 1b). Kuva 1: Bentseenimolekyylin orbitaalit a) Hiiliatomien sp -orbitaalien muodostamat σ-sidokset. b) Delokalisoituneet π-sidokset.

. Energiatasot ja molekyyliorbitaalit HMO-menetelmässä jokainen π-molekyyliorbitaali, Ψ i, esitetään molekyylin p- atomiorbitaalien,φ i, lineaarikombinaationa LCAO-periaatteen mukaisesti n Ψ i = c i1 φ 1 + c i φ +... + c in φ n = c iµ φ µ (1) µ=1 Nämä orbitaalit kuvaavat π-elektronien liikettä kentässä, jonka muodostavat atomiytimet, kuorielektronit sekä σ-sidoksiin tai sitomattomiin pareihin osallistuvat elektronit. Tällaisessa kentässä elektronin Schrödingerin yhtälön Hamiltonin operaattorista tulee hyvin mutkikas. Jätetään operaattorista pois elektronien väliset vuorovaikutustermit olettamalla π-elektronien liikkuvan pelkästään σ-sidosten muodostamassa efektiivisessä kentässä. Tällöin päädytään yksielektroniseen Schrödingerin yhtälöön, joka voidaan jakaa koskemaan jokaista π-molekyyliorbitaalia erikseen Ĥ eff Ψ i = E i Ψ i () Ψi Ĥeff Ψ i E i = Ψ i Ψ i, i = 1,,.... (3) Hamiltonin operaattori on energiaoperaattori, jonka avulla saadut energian arvot minimoimalla löydetään molekyyliorbitaalia kuvaavan lineaarikombinaation (yhtälö 1) kertoimet c iµ. Systeemin π-elektronien energiat voidaan laskea lausekkeesta 3 käyttämällä variaatioperiaatetta minimoimalla energian ominaisarvot atomiorbitaalikertoimien c iµ suhteen E i c iµ = 0, µ = 1,,...,n. (4) Energioiden E i ratkaisemiseksi on tehtävä kaksi oletusta: 1. Atomiorbitaalit φ i ovat normitettuja, φ i φ i = 1, i = 1,,..... Erikeskeiset atomiorbitaalit φ i ja φ j ovat ortogonaalisia, eli φ i φ j = 0, i j; i,j = 1,,.... 3

Edellisillä oletuksilla ja sijoittamalla yhtälön (1) lausekkeet yhtälöön (3), saadaan energialle lauseke E i = µ c iµh µµ + µ<ν c iµ c iν H µν µ c iµs µµ + µ<ν c iµ c iν S µν (5) Yhtälössä (5) on selvyyden vuoksi käytetty seuraavia merkintöjä: 1. H µµ = φ µ Ĥ φ µ on Coulombin integraali, joka edustaa π-elektronin energiaa atomiorbitaalilla φ µ.. H µν = φ µ Ĥ φ ν, kun µ ν, on resonanssi-integraali, joka edustaa atomiorbitaalilla olevien elektronien välistä vuorovaikutusta. 3. S µν = φ µ φ ν on peittointegraali, joka kertoo atomiorbitaalien päällekkäisyydestä (overlap). Derivoimalla nyt energia kertoimien c iµ suhteen ja etsimällä derivaattojen nollakohdat saadaan n:n yhtälön yhtälöryhmä n c ν (H µν ES µν ) = 0, µ = 1,...,n. (6) ν=1 Yhtälöryhmällä on triviaaliratkaisun lisäksi muitakin ratkaisuja, jos kertoimista muodostetun sekulaarideterminantin arvo on nolla: H 11 ES 11 H 1 ES 1 H 1n ES 1n H 1 ES 1 H ES H n ES n...... H n1 ES n1 H n ES n H nn ES nn = 0 (7) Sekulaariyhtälöiden (6) yksinkertaistamiseksi tehdään Hückelin mallissa seuraavat oletukset: 1. Coulombin integraalit H µµ merkitään yhtäsuuriksi (= α<0) kaikille hiiliatomeille.. Resonanssi-integraali H µν on vakio β < 0, kun atomit µ ja ν ovat keskenään sitoutuneet. 4

3. Resonanssi-integraali H µν = 0, kun atomien µ ja ν välillä ei ole sidosta. 4. Oletetaan, että vierekkäisten atomien orbitaalit eivät peitä toisiaan. Peittointegraali saa siis arvot S µν = 0, kun µ ν ja S µµ = 1. Edellä esitettyjen oletusten jälkeen sekulaarideterminantti 7 saa muodon (α E) β 1 β 1n β 1 (α E) β n...... β n1 β n (α E) = 0, (8) missä β µν = β, kun µ ja ν ovat sitoutuneita toisiinsa ja β µν = 0, kun atomien µ ja ν välissä ei ole sidosta Kun energiatasot on laskettu sekulaarideterminantin avulla, sijoitetaan molekyylin π-elektronit energiatasoille Paulin periaatteen mukaisesti pareittain ja vastakkaisin spinein. Degeneroituneille energiatasoille elektronit sijoitetaan Hundin sääntöä noudattaen saman suuntaisin spinein niin pitkälle kuin mahdollista. Molekyylillä on degeneroituneita energiatasoja silloin, kun yhtälöllä (8) on moninkertaisia juuria. Esitetty menetelmä vastaa atomien rakentumisperiaatetta. Molekyylin kokonaisenergia saadaan tässä yksinkertaistetussa tapauksessa miehitettyjen molekyyliorbitaalien energioiden summana. Kun lasketaan tietyn hiilivedyn rakenteiden, joista toisessa π-elektronit ovat delokalisoituneet, ja toisessa lokalisoituneet, välinen energiaero, kutsutaan mahdollista erotusta delokalisaatioenergiaksi. Yleensä delokalisaatioenergian arvot kertovat delokalisoituneen rakenteen suuremmasta stabiilisuudesta. Koska Hückelin malli on niin yksinkertainen, että Hamiltonin matriisin alkioihin eivät sidospituudet ja -kulmat vaikuta, ei malli myöskään kerro mitään molekyylin rakenteesta. Kuitenkin mallin avulla voidaan selvittää energeettisesti edullisin rakenne, jos vertailurakenteet tunnetaan. Koska vain sidosten sijainti toisiinsa nähden huomioidaan, on malli topologinen. Sekulaariyhtälöiden matriisiesitystä kutsutaan topologiseksi matriisiksi..3 π-elektronitiheys ja sidoskertaluku Molekyyliorbitaalit kuvaavat elektronien jakautumista molekyylissä. Orbitaalin muoto antaa viitteitä reaktiomekanismeista substituutioreaktioissa. Niiden kertoimien neliöiden ja tulojen perusteella voidaan laskea hyödyllisiä suureita ja saada siten mallin antama kuva molekyylin ominaisuuksista. 5

Jos i:nnen HMO:n lauseke kirjoitetaan yhtälön (1) antamassa muodossa, saadaan tämän lausekkeen neliölle, joka edustaa elektronin esiintymistodennäköisyyttä eli elektronitiheyttä kyseessä olevalla MO:lla, muoto Ψ i Ψ i = µ c iµ, (9) koska oletettiin, että peittointegraalit ovat nollia, kun atomit eivät ole samoja. Kertoimien c iµ neliöt edustavat siis HMO-menetelmän elektronitiheyksiä. Jos kertoimien neliöitä summataan yli miehitettyjen molekyyliorbitaalien, saadaan atomin µ kokonaiselektronitiheydelle lauseke occ. q µ = n r c rµ, (10) r missä n r on orbitaalilla r olevien elektronien lukumäärä. Sähköisesti neutraalia hiiliatomia vastaa yksi π-elektroni. Toisiinsa sitouduneiden atomien µ ja ν välisen sidosvoimakkuuden mittana voidaan käyttää niin sanottua sidoskertalukua (bond order) occ. p µν = n r c rµ c rν, (11) r missä summaus tapahtuu jälleen yli miehitettyjen molekyyliorbitaalien. Sidoskertaluku ilmoittaa sitoutuneiden atomien µ ja ν välisen sidoksen π-elektronitiheyden. Näiden ominaisuuksien spektroskooppinen sovellus on esim. EPR-spektrien tulkinta. Niissä parittoman elektronin ja ytimien välinen kytkentä voidaan palauttaa parittoman elektronin spintiheyteen ko. atomin kohdalla. Myös hiili-nmrspektrien kemiallisten siirtymien on todettu noudattavan atomivarausten suuruusjärjestystä. 3 Esimerkkejä 3.1 Butadieeni Ensimmäisenä esimerkkinä tarkastellaan butadieeniä, C(1)=C()-C(3)=C(4). Etsitään aluksi sen sekulaariyhtälöt. Butadieenissä on neljä atomia, joten saadaan 6

neljän yhtälön yhtälöryhmä ja 4 4 sekulaarideterminantti. Sekulaariyhtälöt saadaan kaavalla (6) käyttäen hyväksi yksinkertaistavia oletuksia. Esimerkiksi ensimmäiselle hiiliatomille (µ = 1) saadaan sekulaariyhtälö: c 1 (H 11 ES 11 ) + c (H 1 ES 1 ) + c 3 (H 13 ES 13 ) + c 4 (H 14 ES 14 ) = 0 c 1 (α E) + c (β E 0) + c 3 (0 E 0) + c 4 (0 E 0) = 0 c1(α E) + c β = 0 Vastaavasti saadaan muut (µ =,3,4) sekulaariyhtälöt. Butadieenin sekulaariyhtälöt ovat siis (α E)c 1 +βc = 0 βc 1 +(α E)c +βc 3 = 0 βc +(α E)c 3 +βc 4 = 0 βc 3 +(α E)c 4 = 0 (1) Muodostetaan yhtälöiden kertoimista sekulaarideterminantti siten, että jaetaan ensin kaikki yhtälöt β:lla ja merkitään sitten x := α E, jolloin sekulaariyhtälöt β saavat muodon jonka determinantti on xc 1 +c = 0 c 1 +xc +c 3 = 0 c +xc 3 +c 4 = 0 +c 3 +xc 4 = 0, (13) x 1 0 0 1 x 1 0 0 1 x 1 0 0 1 x = 0. (14) Edellä esitetty sekulaarideterminantti (14) on helppo kirjoittaa suoraan ratkaisematta ensin sekulaariyhtälöitä. Molekyylin rungon atomien lukumäärä ratkaiseen determinantin koon. Butadieenin tapauksessa saatiin 4 4-determinantti ja esimerkiksi bentseenille (6 hiiltä) saataisiin 6 6-sekulaarideterminantti. Determinantin alkiot a ij saadaan siten, että diagonaalille kirjoitetaan edellä määritellyt x:t ja muut alkiot määräytyvät molekyylirungon atomien sitoutumisen perusteella. 7

Tarkastellaan vielä butadieenin sekulaarideterminantin (14) muodostamista. Diagonaalialkioita on siis merkitty x:llä. Determinantin ensimmäiselle riville saadaan muut alkiot tarkastelemalla ensimmäisen hiilen sitoutumista: C(1) on sitoutunut C():een determinantin alkio a 1 = 1 C(1) ei ole sitoutunut C(3):een eikä C(4):een alkiot a 13 = a 14 = 0 Vastaavasti toisen rivin alkiot diagonaalialkiota lukuun ottamatta saadaan tarkastelemalla toisen hiiliatomin sitoutumista: C() sitoutuu C(1):een ja C(3):een alkiot a 1 = a 3 = 1 C() ei sitoudu C(4):een alkio a 4 = 0. Näin pelkästään konjugoidun molekyylin rungon atomien sitoutumista tarkastelemalla voidaan muodostaa molekyylin sekulaarideterminantti, josta kappaleen alussa esitettyjä välivaiheita päinvastaisessa järjestyksessä soveltamalla saadaan molekyylin sekulaariyhtälöt. Seuraava vaihe on yhtälön (14) ratkaiseminen energioiden ja molekyyliorbitaalien kertoimien laskemiseksi. Kehittämällä determinantti auki saadaan x 4 3x + 1 = 0 x = 3 ± 5 x = ±1,618 tai x = ±0,618 Edellä käytettiin merkintää x = α E, josta voidaan ratkaista energiatasot E = β α ± 0,618β ja E = α ± 1,618β. Molekyyliorbitaalien kertoimet c iµ saadaan sijoittamalla x:n ratkaisut yhtälöön (13). Ensimmäinen ratkaisu x = 1,618 antaa yhtälöryhmän 1,618c 1 +c = 0 c 1 1,618c +c 3 = 0 c 1,618c 3 +c 4 = 0 +c 3 1,618c 4 = 0, (15) Tästä saadaan kertoimille ehdot 1,618c 1 = c c 3 = 1,618c c 1 = 1,618c 1 (16) c 4 = c 1 Viimeinen ehto, jonka avulla kertoimille saadaan numeroarvot, on normitusehto c 1 + c + c 3 + c 4 = 1, joka antaa lopulta c 1 = ±0,37. 8

Koska aaltofunktion etumerkillä ei ole merkitystä, valitaan positiivinen ratkaisu, jolloin kertoimille saadaan arvot c 1 = 0,37, c = 0,60, c 3 = 0,60 ja c 4 = 0,37. Molekyyliorbitaalille Ψ 1 saadaan siten lauseke (kaava1 Ψ 1 = 0,37φ 1 + 0,60φ + 0,60φ 3 + 0,37φ 4 ; E 1 = α + 1,618β. (17) Vastaavalla tavalla saadaan ratkaistua loput kolme molekyyliorbitaalia: Ψ = 0,60φ 1 +0,37φ 0,37φ 3 0,60φ 4 ; E = α + 0,618β Ψ 3 = 0,60φ 1 0,37φ 0,37φ 3 +0,60φ 4 ; E 3 = α 0,618β Ψ 4 = 0,37φ 1 0,60φ +0,60φ 3 0,37φ 4 ; E 4 = α 1,618β (18) Piirretään butadieenin energiatasokaavio ja sijoitetaan neljä π-elektronia alimmille energiatasoille sekä hahmotellaan molekyyliorbitaalit. Butadieenin kokonais-π-elektronienergia on miehitettyjen orbitaalienergioiden summa eli, E π = 4α + 4,447β. Jos butadieenissä ei olisi elektronien delokalisaatiota, koostuisi systeemi kahdesta erillisestä eteeniyksiköstä. Eteenin sitovan molekyyliorbitaalin energia on α + β [1], ja siten erotus E π (butadieeni) E π (eteeni) = 0,47β (19) on ns. delokalisaatioenergia. Jos β:lle käytetään arvoa 75 kj, butadieenin delokalisaatioenergian arvoksi saadaan noin 35 kj, millä määrällä butadieeni on siis mol mol stabiilimpi kuin kaksi erillistä kaksoissidosta sisältävä rakenne. Stabiloituminen johtuu π-elektronien delokalisoitumisesta yli koko hiilirungon. Lasketaan vielä butadieenin π-elektronitiheydet ja sidoskertaluvut. Atomin kokonaisenergiatiheys lasketaan kaavasta (10), josta butadieenin tapauksessa saadaan q 1 = q = 1,00. Symmetrian johdosta atomeilla 3 ja 4 on samat varaukset kuin atomeilla 1 ja, joten π-elektronitiheys on yksi jokaisella atomilla. Tämä merkitsee sitä, että elektroni voidaan löytää yhtä suurella todennäköisyydellä kunkin hiiliatomin läheisyydestä. Sidoskertaluvut lasketaan kaavasta (11). Butadieenille saadaan arvot p 1 = p 34 = 0,89 and p 3 = 0,45. Saatujen sidoskertalukujen mukaan butadieenillä on kaksoissidosluonnetta atomien C(1) ja C() välillä, sekä C(3) ja C(4) välillä. 9

Kuva : Butadieenin energiatasot ja Hückelin molekyyliorbitaalit. 3. Syklopropenyyli Toisena esimerkkimolekyylinä tarkastellaan syklopropenyyliä. Etsitään syklopropenyylin energiatasot ja molekyyliorbitaalit. Kirjoitetaan ensin molekyylin sekulaarideterminantti, jossa x on määritelty kuten butadieenin esimerkissä x 1 1 1 x 1 1 1 x = 0. (0) Energioiden ratkaisuiksi saadaan siis E 1 = α + β, E = α ± β and E 3 = α ± β, joista kaksi viimeistä ovat degeneroituneita. Syklopropenyylillä on kolme π- elektronia, joista kaksi sijoittuu alimmalle energiatasolle vastakkaisin spinein ja kolmas menee E 1 -tasolle. Täten syklopropenyylin kokonais-π-elektronienergia on 10

E π = 3α + 3β. Syklopropenyylin sekulaariyhtälöt ovat xc 1 +c +c 3 = 0 c 1 +xc +c 3 = 0 c 1 +c +xc 3 = 0 (1) Sijoittamalla saadut x:n arvot saadaan laskettua molekyyliorbitaalien kertoimet. Niiksi saadaan c 1 = c = c 3, ja normitusehdosta c 1 = ± 1 3. Näin saadaan ensimmäiselle molekyyliorbitaalille, jolle x 1 = Ψ 1 = 1 3 φ 1 + 1 3 φ + 1 3 φ 3. () Toiselle, x = 1, tilanne on hieman mutkikkaampi, sillä orbitaali on nyt degeneroitunut. Sijoittamalla x = 1 sekulaariyhtälöihin saadaan kolme samanlaista yhtälöä, c 1 + c + c 3 = 0. Degeneroituneiden orbitaalien tapauksessa molekyyliorbitaaliteoria ei anna orbitaalikertoimille yksittäisiä ratkaisuja, vaan kertoimet voidaan vapaasti valita, kunhan ne täyttävät sekulaariyhtälöiden lisäksi ortogonaalisuusehdot. Syklopropenyylin toista molekyyliorbitaalia Ψ ratkaistaessa voidaan siis valita kertoimet mahdollisimman yksinkertaisiksi, esimerkiksi seuraavasti: c 1 = c 1, c = 0 ja c 3 = c 1. Jälleen normitusehdon avulla c 1 = 1 ja molekyyliorbitaalille saadaan lauseke Ψ = 1 φ 1 + 1 φ 3. (3) Kyseinen molekyyliorbitaali on ortogonaalinen Ψ 1 :n kanssa. Kolmannen molekyyliorbitaalin Ψ 3 kertoimien etsimisessä päädytään jälleen samaan sekulaariyhtälöiden joukkoon kuin Ψ :nkin tapauksessa. Nyt ei voida enää vapaasti valita kertoimia, vaan ortogonaalisuusehtojen on toteuduttava: Ψ 3 Ψ 1 = 0, Ψ 3 Ψ = 0. (4) Esitetään molekyyliorbitaali Ψ 3 kaavan (1) osoittamassa muodossa ja kirjoitetaan ensimmäinen ehto kertoimille jälkimmäisen ortogonaalisuusehdon avulla Ψ 3 Ψ = 1 c 1 φ 1 + c φ + c 3 φ 3 φ 1 φ 3 11

= 1 c 1 1 c 3 = 0, josta saadaan c 1 = c 3. Sijoitetaan saatu ehto sekulaariyhtälöön, mistä saadaan c = c 1. Normituksesta saadaan c 1 = 1 6 = c 3 ja c = 6. Syklopropenyylin kolmas molekyyliorbitaali saa lausekkeen Ψ 3 = 1 6 φ 1 6 φ + 1 6 φ 3, (5) joka on ortogonaalinen myös Ψ 1 :n kanssa. 3.3 Heteroatomit HMO-menetelmä on laajennettavissa myös heteroatomeja sisältäviin systeemeihin. Tällöin heteroatomille X otetaan Coulombin integraalin α = α C ja resonanssiintegraalin β = β CC tilalle lausekkeet { αx = α C + h x β CC β Rx = k Rx β CC, (6) joissa esiintyvät vakiot h x ja k Rx riippuvat sekä heteroatomista että atomien välisestä sidoksesta. Taulukossa 1 on joitakin ko. vakioiden arvoja. Esimerkkinä muodostetaan C(1)H =C()=O(3):n sekulaarideterminantti α E β 0 β α E β CO 0 β CO α O E = 0. (7) Ottamalla huomioon taulukossa 1 esitetyt vakioiden arvot heteroatomien integraalien lausekkeissa, saadaan { αo = α +,0β β CO = 1,0β, (8) missä α = α C ja β = β CC. Sekulaarideterminantti on siis α E β 0 β α E 1,0β 0 1,0β α E +,0β = 0, (9) 1

Taulukko 1: Vakioiden h x ja k Rx arvoja heteroatomeille Atomi X h x sidos R-X k Rx N- 0,5 C-N 0,8 N= 1,5 C=N 1,0 N +,0 N-O 0,7 O- 1,0 C-O 0,8 O=,0 C=O 1,0 jossa samalla x:n määrittelyllä saadaan x 1 0 1 x 1,0 0 1,0 x +,0β = 0. (30) Saatu determinantti voidaan kehittää auki ja ratkaista samoin kuin edellisissä esimerkeissä. 4 Työn suoritus ja tulosten käsittely Laske käsin assistentin antamalle pienelle molekyylille π-elektronienergiat, atomiorbitaalien kertoimet c iµ molekyyliorbitaalien lausekkeisiin, molekyylin atomien π-elektronitiheydet ja jokaisen sidoksen kertaluvut. Työselostuksessa on esitettävä kaikki laskut ja rittävä määrä välivaiheita sekä sanallisia kommentteja laskujen suorituksesta. Tarkastele ja kommentoi saamiasi tuloksia. Piirrä energiatasokaavio, jossa sijoitat π-elektronit energiatasoille rakentumisperiaatteiden mukaisesti. Hahmottele molekyyliorbitaalit, huomioi merkki. 13

Viitteet [1] Atkins P.W., de Paula J., Physical Chemistry, 5th Edition, 1994, Oxford University Press (p 497) [] Murrell J.N., Kettle S.F.A., Tedder J.M., Valence Theory, nd Edition, 1970, John Wiley & Sons Ltd. [3] Liberles, Arno, Introduction to Molecular-Orbital Theory, 1966, Holt, Rinehart and Winston, Inc. [4] Fysikaalisen kemian laskutehtäviä osa. Aineen rakenne ja dynamiikka, 1981, Otakustantamo. [5] Fysikaalisen kemian laudatur-työ 6. Hückelin molekyyliorbitaalimenetelmä (vanhempi työohje). 14