分子轨道理论在无机化学中的案例教学

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  摘 要: 物质结构理论是无机化学教学过程中一个较难的知识点,通过举例教学可以帮助学生更好地理解深奥的理论知识。以分子轨道理论的讲授为例,引入缓蚀剂的分子轨道理论分析,构建缓蚀剂分子与金属成键的吸附模型,用丰富的图像演绎抽象的理论描述,增强学生的理解能力。
  关键词: 无机化学 分子轨道理论 案例教学
  1.问题的提出
  2.1成键轨道、反键轨道和非键轨道
  为了对分子轨道理论的基本概念有更好的理解,在课堂教学中通过举例[1]阐述一些基本概念。
  烯丙基正离子、自由基和负离子,其原子轨道通过不同的组合方式,所形成的成键轨道、反键轨道和非键轨道也不相同,可如图2表示。烯丙基正离子只在成键轨道上有成对电子,而烯丙基自由基在非键轨道上还有一个单电子,烯丙基负离子在非键轨道上还有成对电子。从图2可以看出,形成分子轨道后,其键能大小依次为:烯丙基正离子?烯丙基自由基?烯丙基负离子,也就是说这三者之中,烯丙基正离子能量最低,最活泼,最容易给出电子参与反应。将深奥的分子轨道理论用这种简单明了的示意图解释,同学们听了很容易理解,对其他类似问题也会用这种办法进行分析。
  2.2最高占有分子轨道、最低未占有分子轨道和前线轨道
  在分子轨道中,可能含有几个成键轨道,是不是都会参与成键呢?其实在分子轨道理论中还有一种前线轨道理论的概念。在电子占有的分子轨道中,能量最高的分子轨道叫做最高占有分子轨道最高占有分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO);在电子未占有的分子轨道中,能量最低的分子轨道叫做最低未占有分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital,LUMO)。把分子轨道中最高占有分子轨道和最低未占有分子轨道统称为前线轨道(Frontier Molecular Orbital)。处在前线轨道中的电子就像原子轨道中的价电子一样是化学反应中最活泼的电子,是化学反应的核心。换句话说,只有前线轨道才可能参与成键。
  1,3-丁二烯分子中的四个p轨道线性组合成四个分子轨道,其能级分布和电子填充如图3所示。从图3可以看出,处于成键轨道中的HOMO轨道上的电子是最活泼的电子,容易给出电子,形成化学键。
  参考文献:
  [1]田文芳,毕晓白,蔡民华.浅议生物教学中的举例[J].科学教育,2011,17(6):77-78.
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  资助项目:上海电力学院重点核心课程建设项目。
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