HMO苯分子轨道及丁二烯

西南大学化学化工学院物理化学实验报告

实验名称苯分子轨道和电子结构

2013 级化学类班姓名学号同组人

指导老师申伟实验日期2015 年05 月日

实验环境室温25 ℃大气压760 mmHg 仪器型号Guassview Guass98

实验目的

（ 1）掌握休克尔分子轨道法的基本内容

（ 2）学会用休克尔分子轨道法分析和计算苯分子Π轨道分布

（ 3）学会用计算的化学方法研究简单分子的电子结构

实验原理

离域Π键:形成Π键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原

子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的Π型化学键称为离域Π键

共轭效应:形成离域Π键,增加了Π电子的活动范围，使分子具有特殊的物理化学性质,

这种效应称为共轭效应

分子轨道法:原子组合成分子时，原来专属于某一原子的电子将在整个分子范围内运动，

其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道

休克尔分子轨道法：为了讨论共轭体系的分子轨道，1931年休克尔应用LCAO-MO(分子

轨道的原子线性组合)法，采用简化处理，解释了大量有机共轭分子性质，该方法称为

休克尔分子轨道法，简称HMO法。该方法针对平面共轭体系的主要特点，能给出离域Π

键体系的基本性质

休克尔分子轨道法主要运用了下列基本假设 :

σ-Π分离体系:对于共轭分子，构成分子骨架的σ电子与构成共轭体系的π电子由于对

称性不同，在讨论共轭分子的结构时，可以近似的看成互相独立的，把σ电子和π电

子分开处理.

独立π电子近似:分子中的电子由于存在相互作用，运动不是独立的，但若将其它电子

对某电子的作用加以平均，近似地看成是在核和其它电子形成的固定力场上运动，则

该电子的运动就与其它电子的位置无关，是独立的.

LCAO-MO近似:对于π体系，可将每个π分子轨道看成是由各个碳原子提供的对称性匹

配的p轨道φ i 进行线性组合得的.ψ=C1φ1 + C2φ 2 + …+ C NφN

huckel近似:认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同

实验相关软件

Gaussian 98 程序包Gaussian 图形查看程序Gview2

实验步骤

（1）构建分子结构

（2）编写输入文件

（3）结果查看，数据统计

（4）同样的方法研究丁二烯的分子轨道和电子结构

数据记录与处理

一、苯分子

（1）苯的六个π轨道形状和能量（1Hartree=27.211ev）

轨道数能量图形轨道数能量图形

17

-13.83652ev 22

4.11539ev

20

-9.22453ev 23

4.11539ev

21

-9.22453ev 29

10.21773ev

（2）苯分子中离域π键的键长

答：C-C：1.385 C-H：1.070

（3）苯分子中碳原子和氢原子的电荷

答：C:-0.239 H:0.239

二、丁二烯分子

（1）丁二烯分子的π轨道形状和能量

答:能量:14：-12.19053ev 15：-8.84820ev 16:3.58777ev 17:7.36357ev π轨道形状：14：15：16：17：

（2）丁二烯分子中离域π键的键长

答：C=C:1.320 C-C:1.460 C-H:1.070

（3）丁二烯分子中碳原子和氢原子的电荷

1.C:-0.412

2.C:-0.247

3.C:-0.247

4.C:-0.412

5.H:0.217

6.H:0.211

7.H:0.231

8.H:0.231

9.H:0.217 10.H:0.211

实验讨论

1、写出丁二烯的HMO 行列式方程，并由此计算出相应的4个π分子轨道波函数。

答：

2、写出苯的HMO 行列式方程，并由此计算出相应的6个π分子轨道波函数。 答：

展开行列式 X 6 - 6 X 4 + 9 X 2- 4=0

X 的六个解 X 1=-2；X 2，X 3=-1；X 4，X 5=1，X 6=2

)32(0

100011100001100001100001110001-=⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡x x x x x x

3、休克尔分子轨道法用到了哪些近似？并简述其内容。

答：σ-Π分离体系:对于共轭分子，构 成分子骨架的σ电子与构成共轭体系的π电子由于对称性不同，在 讨论共轭分子的结构时，可以近似的看成互相独立的，把 σ电子和π电子分开处理.

独立π电子近似:分子中的电子由于存在相互作用，运动不是独立的，但 若将其它电子对某电子的作用加以平均， 近似地看成是在核和其它电子形成的固定力场上运动， 则该电子的运动就与其它电子的位置无关，是 独立的.

LCAO-MO 近似:对于π体系，可 将每个π分子轨道看成是由各个碳原子提供的对称性匹配的p 轨道φ i 进行线性组合得的.ψ=C 1φ1 + C 2φ 2 + …+ C N φN huckel 近似:认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同

3、什么是离域Π键？

答：形成Π键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的Π型化学键称为离域Π键。

4、什么是共轭效应？ 答：形成离域Π键,增加了Π电子的活动范围，使 分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应。

5、用分子轨道理论解释苯分子离域Π键的形成。

答：按照分子轨道理论，苯分子中六个碳原子都形成sp2杂化轨道，六个轨道之间的夹角各为120°，六个碳原子以sp2杂化轨道形成六个碳碳σ键，又各以一个sp2杂化轨道和六个氢原子的s 轨道形成六个碳氢σ键，这样就形成了一个正六边形，所有的碳原子和氢原子在同一平面上。每一个碳原子都还保留一个和这个平面垂直的p 轨道，它们彼此平行，这样每一个碳原子的p 轨道可以和相邻的碳原子的p 轨道平行重叠而形成π键。由于一个p 轨道可以和左右相邻的两个碳原子的p 轨道同时重叠，因此形成的分子轨道是一个包含六个碳原子在内的封闭的或称为是连续不断的共轭体系，π轨道中的π电子能够高度离域，使π电子云完全平均化，从而能量降低，苯分子得以稳定。

)(6

12)22(12

1)(4

1)(4

1)22(12

1)(6

1265432166

65432155

653244653233

65432122

65432111

ϕ-ϕ+ϕ-ϕ+ϕ-ϕ=ψβ-α=ϕ-ϕ-ϕ+ϕ-ϕ-ϕ=ψβ-α=ϕ-ϕ+ϕ-ϕ=ψβ-α=ϕ-ϕ-ϕ+ϕ=ψβ+α=ϕ+ϕ-ϕ-ϕ-ϕ+ϕ=ψβ+α=ϕ+ϕ+ϕ+ϕ+ϕ+ϕ=ψβ+α=E E E E E E