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Vertiefung: MO-Symmetrie

Wechselwirkungen zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomorbitalen des Wassermoleküls

Wie im Folgenden am Beispiel des Wassermoleküls gezeigt wird, kann man durch die Kenntnis von Symmetrierassen der Atomorbitale (bzw. deren Linearkombinationen) eines Moleküls, deren Wechselwirkungen voraussagen und dadurch die Zusammensetzung der Molekülorbitale charakterisieren.

Wechselwirkungen zwischen den Atomorbitalen des Wassermoleküls

Nicht zu den Symmetrierassen der Wasserstoff-Atomorbitalkombinationen ( A 1 bzw. B 2 ) gehört das 2 p x -Orbital. (Abb. 1) zeigt, dass sich zwischen dem Sauerstoff-2 p x -Orbital und den Atomorbitalkombinationen des Wasserstoffs die Bereiche mit positiver und negativer Überlappung genau aufheben. Daraus ergibt sich, dass das entsprechende Überlappungsintegral Null ist, also erwartungsgemäß keine Wechselwirkung zwischen diesen Orbitalen existiert. Das 2 p x -Orbital des Sauerstoffs stellt also im Wassermolekül ein nicht bindendes Orbital dar.

Abb.1
Darstellung der Überlappungsbereiche zwischen der Wasserstoff- Ψ B 1 (H) -Orbitalkombination und dem Sauerstoff-2 p x -Orbital im Wasser

Die B 1 -Symmetrie des Sauerstoff-2 p y -Orbitals hingegen erlaubt eine Wechselwirkung mit der Ψ B 1 (H) -Kombination der Wasserstoff-Atomorbitale. In (Abb. 2) ist eine schematische Darstellung der zwei resultierenden Molekülorbitale zu finden.

An der Wechselwirkung mit der Ψ A 1 (H) -Kombination der Wasserstoff-Atomorbitale sind sowohl das 2s- als auch das 2 p z -Orbital des Sauerstoffs beteiligt. Um jedoch nur die Wechselwirkung von einem Sauerstoff-Orbital mit der Ψ A 1 (H) -Kombination betrachten zu müssen, werden zunächst Kombinationen aus dem 2s-und dem 2 p z -Sauerstoff-Orbital gebildet. Die unten stehende Abbildung zeigt, dass die Minuskombination der beiden Sauerstoff-Orbitale hauptsächlich an der Überlappung mit den Wasserstoff-Orbitalen beteiligt sein wird, da der überwiegende Teil der Pluskombination auf der vom Wasserstoff abgewandten Seite liegt. Letztere stellt also näherungsweise ein 2. nichtbindendes Orbital am Sauerstoff-Atom dar. Die Wechselwirkung zwischen der 2s-2 p z -Minuskombination des Sauerstoffs und Ψ A 1 (H) führt zu einem bindenden und einem antibindenden Molekülorbital, welche ebenfalls in der folgenden Abbildung zu sehen sind.

Insgesamt sind aus den vier Valenz-Atomorbitalen des Sauerstoffs und den zwei Wasserstoff-Atomorbitalen zwei bindende, zwei antibindende und zwei nicht bindende Molekülorbitale entstanden.

Abb.2
Überblick über die mithilfe des Symmetriekonzeptes abgeleiteten Molekülorbitale des Wassers
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