Cenni sulla teoria dell'orbitale molecolare - UniCa
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Cenni sulla teoria dell’orbitale molecolare
Legame chimico:
teoria dell’orbitale molecolare (MO)
La formazione della molecola genera ORBITALI MOLECOLARI che
derivano dalla combinazione degli ORBITALI ATOMICI.
La struttura elettronica delle molecole viene descritta in maniera
analoga a quella degli atomi facendo uso dei metodi della meccanica
quantistica.
La molecola è costituitai nuclei degli atomi che la compongono mentre
gli elettroni occupano orbitali della molecola.
Come per gli orbitali atomici, gli orbitali molecolari sono funzioni d'onda (x,y,z) il cui quadrato |(x,y,z)|2 descrive la probabilità di trovare l'elettrone nello spazio attorno ai nuclei della molecola. Gli orbitali molecolari possono essere ottenuti in maniera approssimata come combinazione lineare degli orbitali atomici degli atomi che costituiscono la molecola
Considerando che gli orbitali atomici di ciascun atomo che partecipa al legame sono onde, esse possono interferire positivamente o negativamente. Linea 1 interferenza negativa: le onde si incontrano in opposizione di fase e si annullano Linea 2 interferenza positiva: le onde si incontrano in fase e si sommano INTERFERENZA - positiva (cresta con cresta). In questo caso tra i due nuclei l’onda è più alta e quindi lo è anche la densità elettronica: ORBITALE DI LEGAME - negativa (cresta con onda). In questo caso l’onda tra i due nuclei è nulla e quindi lo è anche la densità elettronica: ORBITALE DI ANTILEGAME
In generale vengono detti leganti orbitali molecolari che hanno densità elettronica non nulla fra i due nuclei ed antileganti orbitali che hanno densità elettronica nulla fra i due nuclei. L'energia degli orbitali molecolari leganti è sempre minore di quella degli orbitali atomici da cui derivano mentre quella degli orbitali antileganti è sempre maggiore.
Per la molecola di H2 occorre considerare solo questi due orbitali
molecolari:
1s =1s+1s legante
*1s =1s-1s antilegante
Una maniera per rappresentare semplicemente questa situazione è di
fare uso di diagrammi di correlazione.
*1s Il legame si forma
E perchè i due
elettroni nella
molecola hanno
minore energia che
nei due atomi
separati.
1s 1s
1sORDINE DI LEGAME
Definisce il numero netto di coppie di legame presenti tra due atomi
ed è utile per stabilire se una molecola è stabile
1
Ordine di legame (numero elettroni di legame numero elettroni di antilegame)
2
Per H2 si ha Ordine di legame = (2 – 0)/2 = 1 Stabile
Per He2 si ha Ordine di legame = (2 – 2)/2 = 0 Non stabile
Tutti gli elettroni, non solo quelli di valenza, concorrono alla
formazione della molecola.
Maggiore è l’ordine di legame, più stabile è la molecola e più piccola
è la distanza di legame.*2p
E
p*2p
2p 2p 2p
p2p
*2s
2s 2s
2s
N2 5x2=10 elettroni di valenza ord. di legame=(8—2)/2=3*2p
E
p*2p
2p 2p 2p
p2p
*2s
2s 2s
2s
O2 6x2=12 elettroni di valenza ord. di legame=(8—4)/2=2LEGAME METALLICO Un metallo può essere descritto come un reticolo di ioni positivi (nucleo più elettroni di core) immersi in una nube di elettroni di valenza mobili (delocalizzati) attorno ai cationi. Gli elettroni sono liberi di muoversi attraverso l'intero reticolo: - Conduzione elettrica - Conduzione di calore La conduzione elettrica e termica sono dovuti proprio alla mobilità elettronica
Legame metallico
MetalliMalleabilità e duttilità dipendono dal fatto che i reticoli cristallini possono scorrere gli uni sugli altri. Cosa che non accade ai reticoli cristallini ionici a causa della repulsione tra ioni positivi e negativi
Teoria delle bande Un metallo come Na può essere costruito avvicinando N atomi di sodio. Il sodio ha configurazione [Ne] 3s1 con un elettrone di valenza. Quando gli atomi di sodio si avvicinano, gli N orbitali atomici 3s si combinano fra loro per dare N orbitali molecolari delocalizzati sull'intero solido. Poiché N è molto grande si ha un numero enorme di livelli molto vicini che formano quella che è nota come banda. Nel sodio avremo una banda 3s semioccupata e lo stesso vale per tutti i metalli alcalini.
Conduttore: - banda di valenza solo parzialmente riempita
- banda di valenza satura ma sovrapposta con bande vuote
E Banda di conduzione
2p
3N O M (+) e- (-)
2s
N OM Banda di valenza
1s
N OM
Li: 1s22s1Nei metalli alcalino-terrosi ad esempio nel Magnesio la banda 3s è piena e ci si aspetterbbe un isolante o un semiconduttore. Il carattere metallico dei metalli alcalino terrosi deriva dalla sovrapposizione delle bande derivanti dagli orbitali s e p: Se le energie degli OA di partenza sono molto diverse, le bande di energia rimangono ben distinte (es. 1s e 2s); se le loro energie sono vicine (es. 2s e 2p, 3s e 3p), le bande si sovrappongono costituendo un’unica banda
Es. Li Es. Be Es. Na Colore dei metalli: assorbimento di radiazioni luminose diverse perché diverso può essere il E tra ultimo livello occupato e primo livello libero (dipende dal metallo).
Isolante:
banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello
(GAP) energetico molto elevato
E
2(sp3)4
4N O M E = 6 eV
C: 1s22s22p2 1s22(sp3)4
1s2
N OMUn solido sarà conduttore solo se la banda è parzialmente occupata.
Se invece la banda è completamente occupata si possono avere due casi:
se la banda successiva è molto alta in energia il solido è un isolante
mentre se è vicina in energia è un semiconduttore.
Gap di banda
conduttori isolanti semiconduttoriSemiconduttori Sono semiconduttori elementi come il silicio (Si) ed il germanio (Ge) che presentano una banda piena ed un intervallo di banda (zona proibita) con un valore non eccessivamente alto (1,1 eV per il Si; 0,74 eV per il Ge), tale comunque da poter essere superato fornendo adeguate quantità di energia al cristallo. Contrariamente a quanto accade per i Conduttori, nei semiconduttori la Resistenza al passaggio di corrente elettrica diminuisce all'aumentare della Temperatura.
Meccanismo di conduzione nei semiconduttori
Un particolare molto importante, che contraddistingue il comportamento specifico dei
semiconduttori, è che l'elettrone nel saltare nella banda di conduzione, lascia un legame
libero.
Questo posto vacante viene indicato come "lacuna o buca" (hole).
Campo elettrico
Il meccanismo descritto
provoca la creazione di
"coppie" di elettrone-
lacuna per cui il loro
numero sarà sempre
esattamente lo stesso, e
dipenderà, in maniera
direttamente
proporzionale, dalla
temperatura.Il drogaggio dei semiconduttori
La presenza di impurezze in un semiconduttore può introdurre un nuovo gruppo di
livelli energetici nel sistema.
Se questi livelli si trovano all'interno della regione proibita, si crea un nuovo e più
piccolo intervallo di banda che aumenterà la conducibilità.
Gli elementi droganti sono normalmente atomi i cui gusci esterni contengono un
elettrone in più o in meno rispetto agli atomi del cristallo di accoglienza
Il drogante ha meno elettroni :
BC porta orbitali vuoti nel sistema. Il drogante ha più elettroni:
I nuovi livelli costituiscono una BC
porta orbitali pieni nel sistema
nuova Banda vuota (BC) , più Gli e del drogante possono essere
vicina alla BV, che può accogliere immessi in BC
e del cristallo I l drogante è DONATORE
Il drogante è ACCETTORE
BV BV
DROGAGGIO DI TIPO P (positivo) DROGAGGIO DI TIPO N (negativo)
Ci sono piu’ lacune che elettroni Ci sono piu’ elettroni che lacunePuoi anche leggere
