la molecola h 2 z x 12 r 1a a b r r1r1 r 2b r2r2 r 2a r 1b mol1-1

34
La molecola H 2 z x 1 2 r 1A A B R r 1 r 2B r 2 r 2A r 1B mol1- 1

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Page 1: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

La molecola H2

z

x

12

r1A

ABR

r1

r2B r2

r2Ar1B

mol1-1

Page 2: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

come si misurano le dimensioni di una molecola

h

a2

a2+p

li1

li2

ld2

ld1

li3

li4 ld4

ld3

a4

a4+p

k

sorgente

occhio

R

la differenza fra i cammini

d12= li2 - li1 + ld2- ld1

interferenza costruttiva per

d12=

d34= li4 - li3 + ld4- ld3

interferenza costruttiva per

d34= A

i2

d2

metodo della “somma sui cammini” di Feynman: contribuiscono tutti i cammini che non sono

“proibiti” (“QED, la strana teoria della luce”- per una versione didattica si veda http://www.iapht.unito.it/qm)

un fenomeno analogo:

le “riflessioni” dei colori sul CD

mol1-2

Page 3: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

calcolo del passo p fra i solchi

k

inserendo i dati della figura

per il blu ( 450 nm):

d12= li2 - li1 + ld2- ld1

p |sen i2- sen d2| 0.3 p

per il rosso ( 650 nm):

d34= li4 - li3 + ld4- ld3

p |sen i4 - sen d4| 0.4 p

p 1,2 m A

h

a2

a2+p

li1

li2

ld2

ld1

li3

li4 ld4

ld3

a4

a4+p

sorgente

occhio

pll

pl

pall

paahah

pahahll

ddd

ii

ii

ii

212

222

222

222

222

2

22

222

212

sen

sen1

2

d2 45od2

15o

i4 50o

i2 20o

mol1-3

Page 4: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

nel caso della molecola ...

R

l2

l1

2

l4

l3

d12= l2 - l1 R sen 2

interferenza costruttiva per

d12= R sen 2

R Å

Å

raggi X

sorgente

rivelatore

mol1-4

Page 5: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

tipico apparato sperimentale

R

l2 l1

l4

l3

l’1

l’2

l’4

l’3

sorgente di raggi X

campione da esaminare rivelatore

mol1-5

Page 6: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

altre configurazioni

R

l

l

- asse della molecola non perpendicolare al fascio

mol1-5’

d1

l1 = l + d1

l2 = l

d1 = R sin

Page 7: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

fasci di elettroni o di neutroni

- energia cinetica di un elettrone con lunghezza d’onda 10-10 m :

eV10eV10

1

m10

eVm1056.12

2

12

2

)(

2

)(

26

2

10

7

2

2

2

2

2

2

mc

c

mc

ck

mc

pcEkin

- per un neutrone Ekin 2000 volte di meno 50 meV (energie “termiche”)

mol1-6

Page 8: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecola ione-idrogeno

z

x

rA

AB R

rrB

potenziale coulombiano

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

z (angstrom)

en

erg

ia (

eV

)

elettrone-nuclei

repulsione fra i due nuclei

mol1-7

Page 9: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecola ione-idrogeno:

funzione d’onda “gerade”

1sg(r)= N(1s(rA)+1s(rB))

1s - sigma gerade

0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

z

x

rA

AB R

rrB

1sg(r)

1s(rA)1s(rB)

mol1-8

oBoA azzyxazzyx

g eeNrs /)(/)( 222222)(1

Page 10: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

energia dellafunzione d’onda “gerade”

BA r

e

r

e

m

pH

222

2

gg

gg HH

|

||

mol1-9

)(1)(12

)(1)(1222

2BA

BABAgg rsrs

r

e

r

e

m

prsrsNH

)(1)(1)(1)(1)(1)(12

22

1

222

BA

AB

BAsBABA

rsr

ers

r

ersrsErsrs

r

e

r

e

m

p

)(1)(1)(12

)(1)(1)(12

2

1

222

2

1

222

BA

BsBBA

AB

AsABA

rsr

ersErs

r

e

r

e

m

p

rsr

ersErs

r

e

r

e

m

p

Page 11: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

energia dellafunzione d’onda “gerade”

gg

gg HH

|

||

mol1-9’

)(1)(12

)(1)(1222

2BA

BABAgg rsrs

r

e

r

e

m

prsrsNH

)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(12

)(1

)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(12

)(1

22

1

222

22

1

222

BA

BAB

BBABsBABA

B

BA

AAB

ABAAsBABA

A

rsr

ersrs

r

ersrsrsrsErsrs

r

e

r

e

m

prs

rsr

ersrs

r

ersrsrsrsErsrs

r

e

r

e

m

prs

)(1)(1)(1)(1

)(1)(1)(1)(1

)(1)(1)(1)(1)(1)(12

)(1)(1

22

22

1

222

BA

AAB

B

BA

BAB

A

BABAsBABA

BA

rsr

ersrs

r

ers

rsr

ersrs

r

ers

rsrsrsrsErsrsr

e

r

e

m

prsrs

energia coulombiana

energia di risonanza

Page 12: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

energia della funzione d’onda “gerade” termini coulombiani

termini di “risonanza”

mol1-10

dzdydxzzyx

eeNrs

r

ersR

B

azzyxzzyx

AB

BoBA

222

2/)()(2

2

)()(1)(1

222222

z

x

rA

AB R

rrB

dzdydxzzyx

eeNrs

r

ersC

B

azzyxA

AA

oA

222

2/)(22

2

)()(1)(1

222

)(1)(1)(1)(1

)(1)(1)(1)(1

222

222

1

BA

AAB

B

BA

BAB

Aggsgg

rsr

ersrs

r

ersN

rsr

ersrs

r

ersNEH

R

C

Page 13: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

energia della funzione d’onda “gerade”

mol1-10’

normalizzazione:

<g| g> = 1 + SS

RCE

HH s

gg

ggg

11

dzdydxeNrsrsSoBA azzyxzzyx

AB

/)()(2

222222

)(1)(1

)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1

)(1)(1)(1)(1

22

2

ABABBAA

BABAgg

rsrsBrsrsNrsrsrsrsN

rsrsrsrsN

termini di “sovrapposizione”

S

1

da ricordare che tutti i termini (C, R, S) sono determinati per un certo valore della distanza interatomica Rinteratomica

Page 14: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecola ione-idrogeno: energia dellafunzione d’onda “gerade”

1sg(r)= N(1s(rA)+1s(rB))

z

x

Rint

rA

AB

rrB

energie

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

distanza fra nuclei (angstrom)

ener

gia

(eV

)

repulsione fra i nuclei

attrazione da parte dell’altro nucleo

energia di risonanza

somma

mol1-11

livello energetico dell’atomo isolato

(Rinteratomica = infinito)

Page 15: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecola ione-

idrogeno: funzione d’onda

“ungerade”

1su(r)= N(1s(rA)-1s(rB))

1s - sigma ungerade

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

-1s(rB)

1s(rA)

1su(r)

mol1-12

oBoA azzyxazzyx

u eeNrs /)(/)( 222222)(1

z

x

Rint

rA

AB

rrB

Page 16: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecola ione-idrogeno: energia dellafunzione d’onda “ungerade” 1su(r)= N(1s(rA)-1s(rB))

<u| u> = 1 - S

energie

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

distanza fra nuclei (angstrom)

ener

gia

(eV) repulsione fra i

nuclei

attrazione da parte dell’altro nucleo

energia di risonanza

somma

mol1-13S

RCE

HH s

uu

uuu

11

z

x

Rint

rA

AB

rrB

Page 17: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

“orbitali” molecolari -1s

1s - sigma ungerade

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

z (angstrom)

fun

zio

ne d

'on

da

1s - sigma gerade

0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

mol1-14

Page 18: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

La molecola H2

2/)()(),(

22

21212121

12

2

2

2

2

2

1

2

1

222

21

rrrr

r

e

r

e

r

e

r

e

r

e

m

p

m

pH

gg

BABA 12

2

2

2

2

2

1

2

1

222

21

22 r

e

r

e

r

e

r

e

r

e

m

p

m

pH

BABA

z

x

12

r1A

ABR

r1

r2B r2

r2Ar1B

r12

2/)()(),( 21212121 rrrr gg

mol1-15

funzione d’onda: - antisimmetrica nello scambio delle funzioni di spin dei due elettroni, - simmetrica nello scambio delle funzioni spaziali

Page 19: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

La molecola H2

12

2

2

2

2

2

1

2

1

222

21

22 r

e

r

e

r

e

r

e

r

e

m

p

m

pH

BABA

z

x

12

r1A

ABR

r1

r2B r2

r2Ar1B

r12

mol1-16

12

2)(2,

)(1, r

eHHH o

mo

m

BA

om

BA

om r

e

r

e

m

pH

r

e

r

e

m

pH

2

2

2

222)(

2,1

2

1

221)(

1, 2;

2

eV6,2)()(

eV6,2)()(

12)(2,2

)(2,

11)(1,1

)(1,

sgo

mgg

om

sgo

mgg

om

ErHrH

ErHrH

)()()()( 2112

2

21)(2,

)(1, rr

r

errHHH gggg

g

omg

omg

eV5,42 1 sg EH

Page 20: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

primi livelli energetici di molecole biatomicheenergia

orbitale dell’atomo 1 orbitale dell’atomo 2orbitale molecolare

1s1s

2s2s

(2)(2)

(2) (2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(molteplicità)1s g

1s u

2s u

2s g

mol1-17

Page 21: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

le molecole biatomiche dall’idrogeno al berillio

mol1-18

Page 22: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

“orbitali” atomici 2pz2pz

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

oar

oarz

Cze

Cre

YrRrp

/

/

0121

cos

),()()(2

mol1-19

Page 23: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

“orbitali” molecolari 2pz

2pz - sigma ungerade

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

]e)(e)[('

)(2

// oaBrB

oaArA

zu

zzzzC

rp

2pz - sigma gerade

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

]e)(e)[('

)(2

// oaBrB

oaArA

zg

zzzzC

rp

mol1-20

2pz (rA)

g 2pz (r)

-2pz (rB)

2pz (rA)

u 2pz (r)

2pz (rB)

u 2pz (r)

Page 24: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

“orbitali” molecolari

-2pz

2pz - sigma ungerade

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a2pz - sigma gerade

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

mol1-21

u 2pz (r)

g 2pz (r)

Page 25: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

“orbitali” atomici 2px

oarx

ioar

ioar

xeCrprprp

CreYrRrp

CreYrRrp

/

/1121

/1121

')(2)(22

1)(2

esen),()()(2

esen),()()(2

2px

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

aandamento a x>0

X

ioarCreYrRrp esen),()()(2 /1121

ioarCreYrRrp esen),()()(2 /1

121

oarx xeCrprprp /')(2)(2

2

1)(2

andamento a x<0

mol1-22

Page 26: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

“orbitali” molecolari 2px

2px - pigreco ungerade

-0.3

-0.2

-0.2

-0.1

-0.1

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0.3

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8z (angstrom)

fun

zio

ne d

'on

da

andamenti a x<0

andamenti a x>0

2px (rA)

2p xu(r)

2px (rB)

mol1-23

]ee['

)(2

// oaBroaArxu

xxC

rp

Page 27: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

]ee['

)(2

// oaBroaArxu

xxC

rp

“orbitali” molecolari 2px2px - pigreco ungerade

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

andamento a x>0

andamento a x<0

mol1-24

Page 28: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

2px - pigreco gerade

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8z (angstrom)

fun

zio

ne

d'o

nd

a

andamento a x<0

“orbitali” molecolari g 2px

]ee['

)(2

// oaBroaAr

xg

xxC

rp

andamento a x>0

mol1-25

Page 29: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

Livelli energetici

di molecole biatomiche

energia

orbitale dell’atomo 1 orbitale dell’atomo 2

orbitale molecolare

2p

1s1s

2s2s

2p

(2)(2)

(2) (2)

(6)

(2)

(4)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(4)

(6)

(molteplicità)

2pzu

2p±g

2pzg

1s g

1s u

2s u

2s g

2p±u

mol1-26

Page 30: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecole biatomiche

mol1-27

Page 31: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecole biatomiche eteronucleari: legame ionico

9

2

R

b

R

eE p

repulsione fra i nuclei e gli elettroni interni

nel punto di equilibrio Ro:

9

82oRe

b 9

822

9R

Re

R

eE o

p

energia nel punto di minimo:

per Na Cl, Em -5,12 eV(togliendo 1,42 eV di

ionizzazione si ottiene -3,7 eV)

om R

eE

9

8 2

09102

2

R

b

R

e

dR

dE p

attrazione fra gli ioni

mol2-1

Page 32: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

molecole biatomiche eteronucleari

mol2-2

Page 33: La molecola H 2 z x 12 r 1A A B R r1r1 r 2B r2r2 r 2A r 1B mol1-1

energia di dissociazione: possibili meccanismi radiazione:

EE

c nmeV1260π2

esempio: per O2 , E 5 eV, 240 nm UV C per N2 , E 7 eV, 170 nm UV oltre C

N2 e O2 sono “trasparenti” all’UV

UV A 380 nm > > 320 nm UV B 320 nm > > 280 nm UV C 280 nm > > 180 nm

mol2-3

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energia di dissociazione: possibili meccanismi

eccitazione non radiativa (urti fra molecole):

distribuzione di Boltzmann:

es: N2 + O2 2 NO

Ediss, N2 = -7,4 eV; Ediss, O2 = -5,1 eV Ediss, NO = -5,3 eV; E1-E2 2 eV

TkEEE

Boo

eN /

(kB= costante di Boltzmann 10-4 eV K-1)

probabilità relativa di due sistemi di energie E1 ed E2: TkEE BP /)( 21e

a 300 K, kBT 0,03 eV P e-2/0,03 10-30

a 1500 K (motore Diesel), kBT 0,15 eV P e-2/0,15 10-6

da 1g di N2 qualche g di NO!

mol2-4