IChO 2014 · Theory problem 1
Particles in a box: polyenes
In quantum mechanics, the movement of \(\pi\) electrons along a neutral chain of conjugated carbon atoms may be modeled using the ‘particle in a box’ method. The energy of the \(\pi\) electrons is given by the following equation:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
where \(n\) is the quantum number (\(n=1,2,3,\ldots\)), \(h\) is Planck’s constant, \(m\) is the mass of electron, and \(L\) is the length of the box which may be approximated by \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\) (\(k\) being the number of conjugated double bonds along the carbon chain in the molecule). A photon with the appropriate wavelength \(\lambda\) may promote a \(\pi\) electron from the highest occupied molecular orbital (HOMO) to the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). An approximate semi-empirical formula based on this model which relates the wavelength \(\lambda\), to the number of double bonds \(k\) and constant \(B\) is as follows:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{Equation 1} \]
1.1 Using this semi-empirical formula with \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) calculate the value of the wavelength \(\lambda\) (nm) for octatetraene (\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\)).
1.2 Derive equation 1 (an expression for the wavelength \(\lambda\) (nm) corresponding to the transfer of an electron from the HOMO to the LUMO) in terms of \(k\) and the fundamental constants, and hence calculate theoretical value of the constant \(B_{\mathrm{calc.}}\).
1.3 We wish to synthesize a linear polyene for which the excitation of a \(\pi\) electron from the HOMO to the LUMO requires an absorption wavelength of close to 600 nm. Using your expression from part 2, determine the number of conjugated double bonds (\(k\)) in this polyene and give its structure. [If you did not solve Part 2, use the semi-empirical Equation 1 with \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) to complete Part 3.]
1.4 For the polyene molecule found in Part 3, calculate the difference in energy between the HOMO and the LUMO, \(\Delta E\), (\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)).
In case that Part 3 was not solved, take \(k=5\) to solve this problem.
The model for a particle in a one-dimensional box can be extended to a three dimensional rectangular box of dimensions \(L_x\), \(L_y\) and \(L_z\), yielding the following expression for the allowed energy levels:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
The three quantum numbers \(n_x\), \(n_y\), and \(n_z\) must be integer values and are independent of each other.
1.5 Give the expressions for the three different lowest energies, assuming that the box is cubic with a length of \(L\).
1.6 Levels with the same energy are said to be degenerate. Draw a sketch showing all the energy levels, including any degenerate levels, that correspond to quantum numbers having values of 1 or 2 for a cubic box.
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\).
- 1.2: With \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\), \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\), giving \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\). The molecule is triaconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadecaene, \(\ce{C30H32}\), with structure \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\). SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C. - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.5: The three lowest distinct energies are \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: Writing \(A=h^2/(8mL^2)\), the requested levels are \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\), with spatial degeneracies \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\), respectively.
Solution
1.1
Octa-1,3,5,7-tetraene (octatetraene), SMILES C=CC=CC=CC=C, contains four conjugated double bonds, so \(k=4\). Therefore,
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
To four significant figures,
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
Each conjugated double bond contributes two \(\pi\) electrons, giving \(2k\) electrons altogether. Each spatial orbital accommodates two electrons of opposite spin. In the ground state, the levels \(n=1,\ldots,k\) are therefore filled:
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
The excitation energy is
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
Equating this to the photon energy,
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
gives
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
Let \(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\). Substituting \(L=(k+2)a\),
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
The problem does not tabulate fundamental constants. Using the standard values
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
we obtain
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
Thus, to three significant figures,
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
Using the theoretical constant, with additional digits retained during calculation,
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
Define \(r=600/64.6249\). Rearrangement gives
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
The positive root is
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
The number of double bonds must be an integer. Checking nearby values,
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
Hence,
\[ \boxed{k=15}. \]
The structure is
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
an unbranched chain of 30 carbon atoms with 15 alternating double bonds and molecular formula \(\ce{C30H32}\).
Its name is triaconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadecaene.
SMILES: C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
The model approximates the conjugated chain as one-dimensional. It does not specify double-bond stereochemistry, so the SMILES leaves \(E/Z\) configurations unspecified.
1.4
For \(k=15\), the HOMO and LUMO have \(n=15\) and \(n=16\), respectively, and
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
The energy gap per molecule is
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
Using \(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Therefore,
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Using the target wavelength of exactly \(600\ \mathrm{nm}\) gives the close approximation \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); the calculation above uses the actual model prediction for \(k=15\).
1.5
For a cubic box, \(L_x=L_y=L_z=L\), so
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
The quantum numbers are positive integers: zero would give an identically zero wavefunction rather than an allowed state. The three smallest distinct sums of squares are
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
Consequently,
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
Let \(A=h^2/(8mL^2)\). Restricting each quantum number to 1 or 2 gives \(2^3=8\) spatial states:
| Energy | Quantum-number triples \((n_x,n_y,n_z)\) | Spatial degeneracy |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
The sketch has an upward energy axis and four equally spaced heights at \(3A\), \(6A\), \(9A\), and \(12A\). From bottom to top, there are one, three, three, and one horizontal level lines. Degenerate lines lie side by side at the same height, each labelled with its quantum-number triple from the table.
These degeneracies count spatial states; electron spin is not included.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2014 · Theorieaufgabe 1
Teilchen im Kasten: Polyene
In der Quantenmechanik lässt sich die Bewegung von \(\pi\)-Elektronen entlang einer neutralen Kette konjugierter Kohlenstoffatome mithilfe des Modells „Teilchen im Kasten“ beschreiben. Die Energie der \(\pi\)-Elektronen ist durch die folgende Gleichung gegeben:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
Dabei ist \(n\) die Quantenzahl (\(n=1,2,3,\ldots\)), \(h\) die Planck-Konstante, \(m\) die Masse des Elektrons und \(L\) die Länge des Kastens, die durch \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\) angenähert werden kann (wobei \(k\) die Anzahl der konjugierten Doppelbindungen entlang der Kohlenstoffkette im Molekül ist). Ein Photon mit der geeigneten Wellenlänge \(\lambda\) kann ein \(\pi\)-Elektron aus dem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) in das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) anregen. Eine auf diesem Modell beruhende semiempirische Näherungsformel, die die Wellenlänge \(\lambda\) mit der Anzahl der Doppelbindungen \(k\) und der Konstanten \(B\) verknüpft, lautet:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{Gleichung 1} \]
1.1 Berechnen Sie mithilfe dieser semiempirischen Formel mit \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) den Wert der Wellenlänge \(\lambda\) (nm) für Octatetraen (\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\)).
1.2 Leiten Sie Gleichung 1 (einen Ausdruck für die Wellenlänge \(\lambda\) (nm), die dem Übergang eines Elektrons vom HOMO zum LUMO entspricht) in Abhängigkeit von \(k\) und den Naturkonstanten her und berechnen Sie daraus den theoretischen Wert der Konstanten \(B_{\mathrm{calc.}}\).
1.3 Wir möchten ein lineares Polyen synthetisieren, bei dem die Anregung eines \(\pi\)-Elektrons vom HOMO zum LUMO eine Absorptionswellenlänge von ungefähr 600 nm erfordert. Bestimmen Sie mithilfe Ihres Ausdrucks aus Teil 2 die Anzahl der konjugierten Doppelbindungen (\(k\)) in diesem Polyen und geben Sie seine Struktur an. [Falls Sie Teil 2 nicht gelöst haben, verwenden Sie die semiempirische Gleichung 1 mit \(B=65.01\ \mathrm{nm}\), um Teil 3 zu bearbeiten.]
1.4 Berechnen Sie für das in Teil 3 ermittelte Polyenmolekül die Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO, \(\Delta E\), (\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)).
Falls Teil 3 nicht gelöst wurde, verwenden Sie \(k=5\), um diese Aufgabe zu lösen.
Das Modell eines Teilchens in einem eindimensionalen Kasten lässt sich auf einen dreidimensionalen quaderförmigen Kasten mit den Abmessungen \(L_x\), \(L_y\) und \(L_z\) erweitern. Daraus ergibt sich der folgende Ausdruck für die erlaubten Energieniveaus:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
Die drei Quantenzahlen \(n_x\), \(n_y\) und \(n_z\) müssen ganzzahlige Werte annehmen und sind voneinander unabhängig.
1.5 Geben Sie die Ausdrücke für die drei niedrigsten unterschiedlichen Energien an, unter der Annahme, dass der Kasten würfelförmig ist und die Kantenlänge \(L\) besitzt.
1.6 Niveaus mit derselben Energie werden als entartet bezeichnet. Zeichnen Sie für einen würfelförmigen Kasten eine Skizze aller Energieniveaus einschließlich sämtlicher entarteter Niveaus, die zu Quantenzahlen mit den Werten 1 oder 2 gehören.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\).
- 1.2: Mit \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\), \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\), woraus sich \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\) ergibt. Das Molekül ist Triaconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadecaen, \(\ce{C30H32}\), mit der Struktur \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\). SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C. - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.5: Die drei niedrigsten unterschiedlichen Energien sind \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: Mit \(A=h^2/(8mL^2)\) lauten die gesuchten Niveaus \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\), mit den räumlichen Entartungsgraden \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\) in derselben Reihenfolge.
Lösung
1.1
Octa-1,3,5,7-tetraen (Octatetraen), SMILES C=CC=CC=CC=C, enthält vier konjugierte Doppelbindungen, also gilt \(k=4\). Daher ist
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
Auf vier signifikante Stellen gerundet ergibt sich
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
Jede konjugierte Doppelbindung trägt zwei \(\pi\)-Elektronen bei, sodass insgesamt \(2k\) Elektronen vorliegen. Jedes räumliche Orbital kann zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin aufnehmen. Im Grundzustand sind daher die Niveaus \(n=1,\ldots,k\) vollständig besetzt:
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
Die Anregungsenergie beträgt
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
Durch Gleichsetzen mit der Photonenenergie,
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
ergibt sich
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
Sei \(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\). Durch Einsetzen von \(L=(k+2)a\) erhält man
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
Die Aufgabenstellung enthält keine Tabelle der Naturkonstanten. Mit den Standardwerten
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
erhalten wir
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
Damit ergibt sich auf drei signifikante Stellen gerundet
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
Mit der theoretischen Konstanten, wobei während der Berechnung zusätzliche Stellen beibehalten werden, gilt
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
Wir definieren \(r=600/64.6249\). Durch Umformen ergibt sich
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
Die positive Lösung ist
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
Die Anzahl der Doppelbindungen muss ganzzahlig sein. Für benachbarte Werte erhält man
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
Daher gilt
\[ \boxed{k=15}. \]
Die Struktur lautet
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
eine unverzweigte Kette aus 30 Kohlenstoffatomen mit 15 alternierenden Doppelbindungen und der Summenformel \(\ce{C30H32}\).
Ihr Name lautet Triaconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadecaen.
SMILES: C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
Das Modell nähert die konjugierte Kette als eindimensional an. Es legt die Stereochemie der Doppelbindungen nicht fest, sodass die \(E/Z\)-Konfigurationen in der SMILES-Darstellung nicht spezifiziert sind.
1.4
Für \(k=15\) haben HOMO und LUMO die Quantenzahlen \(n=15\) beziehungsweise \(n=16\), und es gilt
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
Die Energiedifferenz pro Molekül beträgt
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
Mit \(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) ergibt sich
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Somit gilt
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Die Verwendung der Zielwellenlänge von genau \(600\ \mathrm{nm}\) liefert den nahe liegenden Näherungswert \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); die obige Berechnung verwendet die tatsächliche Modellvorhersage für \(k=15\).
1.5
Für einen würfelförmigen Kasten gilt \(L_x=L_y=L_z=L\), also
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
Die Quantenzahlen sind positive ganze Zahlen: Null würde eine identisch verschwindende Wellenfunktion statt eines erlaubten Zustands ergeben. Die drei kleinsten unterschiedlichen Quadratsummen sind
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
Folglich gilt
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
Sei \(A=h^2/(8mL^2)\). Beschränkt man jede Quantenzahl auf 1 oder 2, ergeben sich \(2^3=8\) räumliche Zustände:
| Energie | Quantenzahlentripel \((n_x,n_y,n_z)\) | Räumlicher Entartungsgrad |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
Die Skizze besitzt eine nach oben gerichtete Energieachse und vier gleichmäßig beabstandete Höhen bei \(3A\), \(6A\), \(9A\) und \(12A\). Von unten nach oben gibt es eine, drei, drei und eine waagerechte Niveaulinie. Entartete Linien liegen auf derselben Höhe nebeneinander und sind jeweils mit ihrem Quantenzahlentripel aus der Tabelle beschriftet.
Diese Entartungsgrade zählen räumliche Zustände; der Elektronenspin ist nicht berücksichtigt.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2014 · Teori sorusu 1
Kutudaki parçacıklar: polienler
Kuantum mekaniğinde, konjuge karbon atomlarından oluşan nötr bir zincir boyunca \(\pi\) elektronlarının hareketi, ‘kutudaki parçacık’ yöntemi kullanılarak modellenebilir. \(\pi\) elektronlarının enerjisi aşağıdaki denklemle verilir:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
Burada \(n\) kuantum sayısıdır (\(n=1,2,3,\ldots\)), \(h\) Planck sabiti, \(m\) elektronun kütlesi ve \(L\) kutunun uzunluğudur; bu uzunluk yaklaşık olarak \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\) alınabilir (\(k\), moleküldeki karbon zinciri boyunca bulunan konjuge çift bağların sayısıdır). Uygun dalga boyuna, \(\lambda\), sahip bir foton, bir \(\pi\) elektronunu en yüksek enerjili dolu molekül orbitalinden (HOMO) en düşük enerjili boş molekül orbitaline (LUMO) uyarabilir. Bu modele dayanan ve dalga boyu \(\lambda\) ile çift bağ sayısı \(k\) ve \(B\) sabiti arasında ilişki kuran yaklaşık bir yarı ampirik formül şöyledir:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{Denklem 1} \]
1.1 Bu yarı ampirik formülü \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) ile kullanarak oktatetraen (\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\)) için dalga boyu \(\lambda\) (nm) değerini hesaplayınız.
1.2 Denklem 1'i (bir elektronun HOMO'dan LUMO'ya geçişine karşılık gelen dalga boyu \(\lambda\) (nm) ifadesini), \(k\) ve temel sabitler cinsinden türetiniz ve buradan \(B_{\mathrm{calc.}}\) sabitinin teorik değerini hesaplayınız.
1.3 Bir \(\pi\) elektronunun HOMO'dan LUMO'ya uyarılması için 600 nm'ye yakın bir dalga boyunda soğurma gerektiren doğrusal bir polien sentezlemek istiyoruz. 2. bölümde elde ettiğiniz ifadeyi kullanarak bu poliendeki konjuge çift bağ sayısını (\(k\)) belirleyiniz ve yapısını veriniz. [Bölüm 2'yi çözemediyseniz, Bölüm 3'ü tamamlamak için yarı ampirik Denklem 1'i \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) ile kullanınız.]
1.4 Bölüm 3'te bulunan polien molekülü için HOMO ile LUMO arasındaki enerji farkını, \(\Delta E\), (\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)) hesaplayınız.
Bölüm 3 çözülmediyse, bu soruyu çözmek için \(k=5\) alınız.
Tek boyutlu bir kutudaki parçacık modeli, boyutları \(L_x\), \(L_y\) ve \(L_z\) olan üç boyutlu dikdörtgenler prizması biçimindeki bir kutuya genişletilebilir; böylece izin verilen enerji düzeyleri için aşağıdaki ifade elde edilir:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
Üç kuantum sayısı \(n_x\), \(n_y\) ve \(n_z\) tam sayı değerleri almalıdır ve birbirinden bağımsızdır.
1.5 Kutunun kenar uzunluğu \(L\) olan bir küp olduğunu varsayarak, en düşük üç farklı enerji için ifadeleri veriniz.
1.6 Aynı enerjiye sahip düzeylere dejenere düzeyler denir. Kübik bir kutu için kuantum sayılarının 1 veya 2 değerlerini aldığı durumlara karşılık gelen tüm enerji düzeylerini, dejenere düzeyler de dahil olmak üzere gösteren bir şema çiziniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\).
- 1.2: \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\) olmak üzere, \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\), buna karşılık \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\) elde edilir. Molekül, triakonta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadekaen, \(\ce{C30H32}\), olup yapısı \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\) şeklindedir. SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C. - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.5: En düşük üç farklı enerji şunlardır: \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: \(A=h^2/(8mL^2)\) yazıldığında, istenen düzeyler \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\) olup uzaysal dejenerasyon dereceleri sırasıyla \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\) şeklindedir.
Çözüm
1.1
SMILES gösterimi C=CC=CC=CC=C olan okta-1,3,5,7-tetraen (oktatetraen), dört konjuge çift bağ içerir; dolayısıyla \(k=4\) olur. Buna göre,
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
Dört anlamlı basamakla,
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
Her konjuge çift bağ iki \(\pi\) elektronu sağlar; böylece toplam \(2k\) elektron bulunur. Her uzaysal orbital, zıt spinli iki elektron barındırır. Bu nedenle temel hâlde \(n=1,\ldots,k\) düzeyleri doludur:
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
Uyarılma enerjisi şöyledir:
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
Bu enerji foton enerjisine eşitlendiğinde,
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
şu ifade elde edilir:
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
\(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\) olsun. \(L=(k+2)a\) yerine konulduğunda,
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
Soruda temel sabitlerin değerleri tablo hâlinde verilmemiştir. Standart değerler olan
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
kullanılarak şu sonuç elde edilir:
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
Dolayısıyla, üç anlamlı basamakla,
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
Teorik sabit kullanılıp hesaplama sırasında ek basamaklar korunduğunda,
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
\(r=600/64.6249\) olarak tanımlansın. Yeniden düzenlendiğinde,
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
Pozitif kök şöyledir:
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
Çift bağ sayısı bir tam sayı olmalıdır. Yakın değerler kontrol edildiğinde,
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
Buna göre,
\[ \boxed{k=15}. \]
Yapı şöyledir:
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
Bu yapı, 15 almaşık çift bağ içeren, 30 karbon atomundan oluşan dallanmamış bir zincirdir ve molekül formülü \(\ce{C30H32}\) şeklindedir.
Adı triakonta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadekaendir.
SMILES: C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
Model, konjuge zinciri yaklaşık olarak tek boyutlu kabul eder. Çift bağ stereokimyasını belirtmediğinden, SMILES gösteriminde \(E/Z\) konfigürasyonları belirtilmemiştir.
1.4
\(k=15\) için HOMO ve LUMO sırasıyla \(n=15\) ve \(n=16\) kuantum sayılarına sahiptir ve
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
Molekül başına enerji farkı şöyledir:
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
\(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Hedef dalga boyu tam olarak \(600\ \mathrm{nm}\) alındığında, yakın bir yaklaşık değer olan \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) elde edilir; yukarıdaki hesaplamada ise modelin \(k=15\) için öngördüğü gerçek değer kullanılmıştır.
1.5
Kübik bir kutu için \(L_x=L_y=L_z=L\) olduğundan,
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
Kuantum sayıları pozitif tam sayılardır: sıfır, izin verilen bir durum yerine özdeş olarak sıfır olan bir dalga fonksiyonu verir. En küçük üç farklı kareler toplamı şunlardır:
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
Sonuç olarak,
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
\(A=h^2/(8mL^2)\) olsun. Her kuantum sayısının 1 veya 2 ile sınırlandırılması \(2^3=8\) uzaysal durum verir:
| Enerji | Kuantum sayısı üçlüleri \((n_x,n_y,n_z)\) | Uzaysal dejenerasyon derecesi |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
Şemada yukarı yönlü bir enerji ekseni ve \(3A\), \(6A\), \(9A\) ve \(12A\) değerlerinde eşit aralıklı dört yükseklik bulunur. Aşağıdan yukarıya doğru sırasıyla bir, üç, üç ve bir yatay düzey çizgisi vardır. Dejenere çizgiler aynı yükseklikte yan yana yer alır ve her biri tablodaki kuantum sayısı üçlüsüyle etiketlenir.
Bu dejenerasyon dereceleri uzaysal durumları sayar; elektron spini hesaba katılmamıştır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2014 · Problema teórico 1
Partículas en una caja: polienos
En mecánica cuántica, el movimiento de los electrones \(\pi\) a lo largo de una cadena neutra de átomos de carbono conjugados puede modelizarse mediante el método de la «partícula en una caja». La energía de los electrones \(\pi\) viene dada por la siguiente ecuación:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
donde \(n\) es el número cuántico (\(n=1,2,3,\ldots\)), \(h\) es la constante de Planck, \(m\) es la masa del electrón y \(L\) es la longitud de la caja, que puede aproximarse mediante \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\) (siendo \(k\) el número de dobles enlaces conjugados a lo largo de la cadena carbonada de la molécula). Un fotón con la longitud de onda adecuada \(\lambda\) puede promover un electrón \(\pi\) desde el orbital molecular ocupado de mayor energía (HOMO) al orbital molecular desocupado de menor energía (LUMO). Una fórmula semiempírica aproximada basada en este modelo que relaciona la longitud de onda \(\lambda\) con el número de dobles enlaces \(k\) y la constante \(B\) es la siguiente:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{Ecuación 1} \]
1.1 Utilizando esta fórmula semiempírica con \(B=65.01\ \mathrm{nm}\), calcule el valor de la longitud de onda \(\lambda\) (nm) para el octatetraeno (\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\)).
1.2 Deduzca la ecuación 1 (una expresión para la longitud de onda \(\lambda\) (nm) correspondiente a la transferencia de un electrón del HOMO al LUMO) en función de \(k\) y de las constantes fundamentales y, a partir de ella, calcule el valor teórico de la constante \(B_{\mathrm{calc.}}\).
1.3 Deseamos sintetizar un polieno lineal para el cual la excitación de un electrón \(\pi\) del HOMO al LUMO requiera una longitud de onda de absorción cercana a 600 nm. Utilizando su expresión de la parte 2, determine el número de dobles enlaces conjugados (\(k\)) de este polieno e indique su estructura. [Si no ha resuelto la Parte 2, utilice la Ecuación 1 semiempírica con \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) para completar la Parte 3.]
1.4 Para la molécula de polieno obtenida en la Parte 3, calcule la diferencia de energía entre el HOMO y el LUMO, \(\Delta E\), (\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)).
Si no ha resuelto la Parte 3, tome \(k=5\) para resolver este problema.
El modelo de una partícula en una caja unidimensional puede extenderse a una caja rectangular tridimensional de dimensiones \(L_x\), \(L_y\) y \(L_z\), lo que da lugar a la siguiente expresión para los niveles de energía permitidos:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
Los tres números cuánticos \(n_x\), \(n_y\) y \(n_z\) deben tomar valores enteros y son independientes entre sí.
1.5 Escriba las expresiones de las tres energías distintas más bajas, suponiendo que la caja es cúbica y tiene una arista de longitud \(L\).
1.6 Se dice que los niveles con la misma energía son degenerados. Dibuje un esquema que muestre todos los niveles de energía, incluidos los niveles degenerados, que correspondan a números cuánticos con valores de 1 o 2 para una caja cúbica.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\).
- 1.2: Con \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\), \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\), lo que da \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\). La molécula es el triaconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadecaeno, \(\ce{C30H32}\), con estructura \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\). SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C. - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.5: Las tres energías distintas más bajas son \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: Escribiendo \(A=h^2/(8mL^2)\), los niveles solicitados son \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\), con degeneraciones espaciales \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\), respectivamente.
Solución
1.1
El octa-1,3,5,7-tetraeno (octatetraeno), SMILES C=CC=CC=CC=C, contiene cuatro dobles enlaces conjugados, por lo que \(k=4\). Por tanto,
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
Con cuatro cifras significativas,
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
Cada doble enlace conjugado aporta dos electrones \(\pi\), lo que da un total de \(2k\) electrones. Cada orbital espacial admite dos electrones de espines opuestos. Por tanto, en el estado fundamental, los niveles \(n=1,\ldots,k\) están llenos:
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
La energía de excitación es
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
Al igualarla a la energía del fotón,
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
se obtiene
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
Sea \(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\). Sustituyendo \(L=(k+2)a\),
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
El enunciado no proporciona una tabla de constantes fundamentales. Utilizando los valores estándar
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
obtenemos
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
Así, con tres cifras significativas,
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
Utilizando la constante teórica y conservando cifras adicionales durante el cálculo,
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
Definimos \(r=600/64.6249\). Reordenando se obtiene
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
La raíz positiva es
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
El número de dobles enlaces debe ser entero. Comprobando valores cercanos,
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{k=15}. \]
La estructura es
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
una cadena no ramificada de 30 átomos de carbono con 15 dobles enlaces alternados y fórmula molecular \(\ce{C30H32}\).
Su nombre es triaconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-pentadecaeno.
SMILES: C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
El modelo aproxima la cadena conjugada como unidimensional. No especifica la estereoquímica de los dobles enlaces, por lo que la notación SMILES deja sin especificar las configuraciones \(E/Z\).
1.4
Para \(k=15\), el HOMO y el LUMO tienen \(n=15\) y \(n=16\), respectivamente, y
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
La diferencia de energía por molécula es
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
Utilizando \(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Por tanto,
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Utilizar la longitud de onda objetivo de exactamente \(600\ \mathrm{nm}\) da la aproximación cercana \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); el cálculo anterior utiliza la predicción real del modelo para \(k=15\).
1.5
Para una caja cúbica, \(L_x=L_y=L_z=L\), por lo que
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
Los números cuánticos son enteros positivos: el cero daría una función de onda idénticamente nula en lugar de un estado permitido. Las tres sumas de cuadrados distintas más pequeñas son
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
En consecuencia,
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
Sea \(A=h^2/(8mL^2)\). Restringir cada número cuántico a 1 o 2 da \(2^3=8\) estados espaciales:
| Energía | Ternas de números cuánticos \((n_x,n_y,n_z)\) | Degeneración espacial |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
El esquema tiene un eje de energía ascendente y cuatro alturas equidistantes en \(3A\), \(6A\), \(9A\) y \(12A\). De abajo arriba, hay una, tres, tres y una líneas de nivel horizontales. Las líneas degeneradas se sitúan una al lado de otra a la misma altura, cada una etiquetada con su terna de números cuánticos de la tabla.
Estas degeneraciones cuentan estados espaciales; no se incluye el espín del electrón.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2014 · 理论题 1
箱中粒子:多烯
在量子力学中,中性共轭碳原子链中 \(\pi\) 电子沿链的运动可以用“箱中粒子”模型来描述。\(\pi\) 电子的能量由下式给出:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
其中,\(n\) 为量子数(\(n=1,2,3,\ldots\)),\(h\) 为普朗克常数,\(m\) 为电子质量,\(L\) 为箱的长度,可近似取为 \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\)(\(k\) 为分子碳链中共轭双键的数目)。波长 \(\lambda\) 合适的光子可以使一个 \(\pi\) 电子从最高占据分子轨道(HOMO)跃迁至最低未占据分子轨道(LUMO)。基于这一模型,波长 \(\lambda\)、双键数目 \(k\) 与常数 \(B\) 之间的关系可用如下近似半经验公式表示:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{公式 1} \]
1.1 使用这一半经验公式,取 \(B=65.01\ \mathrm{nm}\),计算辛四烯(\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\))的波长 \(\lambda\)(nm)。
1.2 用 \(k\) 和基本常数推导公式 1(即电子从 HOMO 跃迁至 LUMO 所对应的波长 \(\lambda\)(nm)的表达式),并由此计算常数 \(B_{\mathrm{calc.}}\) 的理论值。
1.3 我们希望合成一种直链多烯,使其一个 \(\pi\) 电子从 HOMO 激发至 LUMO 所需的吸收波长接近 600 nm。利用你在第 2 部分中得到的表达式,确定该多烯中共轭双键的数目(\(k\)),并给出其结构。[如果你未解出第 2 部分,请使用半经验公式 1,取 \(B=65.01\ \mathrm{nm}\),完成第 3 部分。]
1.4 对于第 3 部分中确定的多烯分子,计算 HOMO 与 LUMO 之间的能量差 \(\Delta E\)(\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\))。
如果未解出第 3 部分,请取 \(k=5\) 解答本题。
一维箱中粒子模型可以推广至尺寸为 \(L_x\)、\(L_y\) 和 \(L_z\) 的三维长方体箱,所得允许能级的表达式如下:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
三个量子数 \(n_x\)、\(n_y\) 和 \(n_z\) 必须取整数值,且彼此独立。
1.5 假设箱为边长为 \(L\) 的立方体,给出最低的三个不同能量的表达式。
1.6 能量相同的能级称为简并能级。对于立方体箱,画出各量子数取值为 1 或 2 时所对应的全部能级示意图,包括所有简并能级。
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\)。
- 1.2: 取 \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\), \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\),对应 \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\)。该分子为 1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-三十碳十五烯,\(\ce{C30H32}\),结构为 \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\)。SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C。 - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\)。
- 1.5: 最低的三个不同能量为 \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: 记 \(A=h^2/(8mL^2)\),所要求的能级为 \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\),相应的空间简并度分别为 \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\)。
解答
1.1
1,3,5,7-辛四烯(辛四烯),SMILES 为 C=CC=CC=CC=C,含有四个共轭双键,因此 \(k=4\)。于是,
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
保留四位有效数字,得
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
每个共轭双键贡献两个 \(\pi\) 电子,共有 \(2k\) 个电子。每个空间轨道可容纳两个自旋相反的电子。因此,在基态下,\(n=1,\ldots,k\) 的能级均被填满:
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
激发能为
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
令其等于光子能量,
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
得到
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
令 \(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\)。代入 \(L=(k+2)a\),得
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
题目未列出基本常数。采用标准值
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
得到
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
因此,保留三位有效数字,得
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
使用理论常数,并在计算过程中保留更多位数,得
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
定义 \(r=600/64.6249\)。整理得
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
正根为
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
双键数目必须为整数。检验附近的数值,得
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
因此,
\[ \boxed{k=15}. \]
其结构为
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
这是一条由 30 个碳原子组成的无支链碳链,含有 15 个交替排列的双键,分子式为 \(\ce{C30H32}\)。
其名称为 1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-三十碳十五烯。
SMILES:C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
该模型将共轭链近似视为一维体系。它未指定双键的立体化学,因此 SMILES 中未指定 \(E/Z\) 构型。
1.4
当 \(k=15\) 时,HOMO 和 LUMO 分别对应 \(n=15\) 和 \(n=16\),且
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
每个分子的能隙为
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
使用 \(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),得
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
因此,
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
若使用恰为 \(600\ \mathrm{nm}\) 的目标波长,则得到与之接近的近似值 \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\);上述计算使用的是模型对 \(k=15\) 的实际预测值。
1.5
对于立方体箱,\(L_x=L_y=L_z=L\),因此
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
量子数为正整数:取零会使波函数恒为零,而不能得到允许态。最小的三个不同平方和为
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
所以,
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
令 \(A=h^2/(8mL^2)\)。将每个量子数的取值限定为 1 或 2,得到 \(2^3=8\) 个空间态:
| 能量 | 量子数三元组 \((n_x,n_y,n_z)\) | 空间简并度 |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
示意图的能量轴向上,在 \(3A\)、\(6A\)、\(9A\) 和 \(12A\) 处有四个等间距的高度。从下至上,分别有一条、三条、三条和一条水平能级线。简并能级线在同一高度并排排列,每条线均标注表中相应的量子数三元组。
这些简并度只计入空间态,不包括电子自旋。
解答已与官方解答核对。
IChO 2014 · Теоретическая задача 1
Частицы в ящике: полиены
В квантовой механике движение \(\pi\)-электронов вдоль нейтральной цепи сопряжённых атомов углерода можно описать с помощью модели «частица в ящике». Энергия \(\pi\)-электронов задаётся следующим уравнением:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
где \(n\) — квантовое число (\(n=1,2,3,\ldots\)), \(h\) — постоянная Планка, \(m\) — масса электрона, а \(L\) — длина ящика, которую можно приближённо выразить как \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\) (\(k\) — число сопряжённых двойных связей вдоль углеродной цепи в молекуле). Фотон с подходящей длиной волны \(\lambda\) может перевести \(\pi\)-электрон с высшей занятой молекулярной орбитали (HOMO) на низшую свободную молекулярную орбиталь (LUMO). Приближённая полуэмпирическая формула, основанная на этой модели и связывающая длину волны \(\lambda\) с числом двойных связей \(k\) и постоянной \(B\), имеет вид:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{Уравнение 1} \]
1.1 Используя эту полуэмпирическую формулу с \(B=65.01\ \mathrm{nm}\), рассчитайте значение длины волны \(\lambda\) (нм) для октатетраена (\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\)).
1.2 Выведите уравнение 1 (выражение для длины волны \(\lambda\) (нм), соответствующей переходу электрона с HOMO на LUMO) через \(k\) и фундаментальные постоянные и на его основе рассчитайте теоретическое значение постоянной \(B_{\mathrm{calc.}}\).
1.3 Требуется синтезировать линейный полиен, для которого возбуждение \(\pi\)-электрона с HOMO на LUMO происходит при поглощении излучения с длиной волны, близкой к 600 нм. Используя выражение, полученное в части 2, определите число сопряжённых двойных связей (\(k\)) в этом полиене и приведите его структуру. [Если вы не решили часть 2, используйте полуэмпирическое уравнение 1 с \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) для выполнения части 3.]
1.4 Для молекулы полиена, найденной в части 3, рассчитайте разность энергий HOMO и LUMO, \(\Delta E\), (\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)).
Если часть 3 не была решена, примите \(k=5\) для решения этой задачи.
Модель частицы в одномерном ящике можно распространить на трёхмерный прямоугольный ящик с размерами \(L_x\), \(L_y\) и \(L_z\), получив следующее выражение для разрешённых уровней энергии:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
Три квантовых числа \(n_x\), \(n_y\) и \(n_z\) должны принимать целочисленные значения и независимы друг от друга.
1.5 Приведите выражения для трёх наименьших различных значений энергии, предполагая, что ящик имеет форму куба с ребром \(L\).
1.6 Уровни с одинаковой энергией называются вырожденными. Нарисуйте схему, показывающую все уровни энергии, включая вырожденные, которые соответствуют квантовым числам со значениями 1 или 2 для кубического ящика.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\).
- 1.2: При \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\), \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\), что даёт \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\). Молекула — триаконта-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-пентадекаен, \(\ce{C30H32}\), со структурой \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\). SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C. - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.5: Три наименьших различных значения энергии: \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: При обозначении \(A=h^2/(8mL^2)\) искомые уровни имеют энергии \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\) с кратностями пространственного вырождения \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\) соответственно.
Решение
1.1
Окта-1,3,5,7-тетраен (октатетраен), SMILES C=CC=CC=CC=C, содержит четыре сопряжённые двойные связи, поэтому \(k=4\). Следовательно,
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
С точностью до четырёх значащих цифр:
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
Каждая сопряжённая двойная связь даёт два \(\pi\)-электрона, всего \(2k\) электронов. На каждой пространственной орбитали могут находиться два электрона с противоположными спинами. Поэтому в основном состоянии заполнены уровни \(n=1,\ldots,k\):
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
Энергия возбуждения равна
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
Приравнивая её энергии фотона,
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
получаем
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
Пусть \(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\). Подставляя \(L=(k+2)a\), получаем
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
В условии задачи не приведены значения фундаментальных постоянных. Используя стандартные значения
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
получаем
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
Таким образом, с точностью до трёх значащих цифр:
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
Используя теоретическую постоянную и сохраняя дополнительные цифры при расчёте, получаем
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
Обозначим \(r=600/64.6249\). После преобразования получаем
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
Положительный корень равен
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
Число двойных связей должно быть целым. Проверяя соседние значения, получаем
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{k=15}. \]
Структура:
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
неразветвлённая цепь из 30 атомов углерода с 15 чередующимися двойными связями и молекулярной формулой \(\ce{C30H32}\).
Её название — триаконта-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-пентадекаен.
SMILES: C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
Модель приближённо рассматривает сопряжённую цепь как одномерную. Она не задаёт стереохимию двойных связей, поэтому в SMILES \(E/Z\)-конфигурации не указаны.
1.4
При \(k=15\) орбиталям HOMO и LUMO соответствуют \(n=15\) и \(n=16\) соответственно, и
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
Разность энергий в расчёте на одну молекулу равна
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
Используя \(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), получаем
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Использование целевой длины волны, равной точно \(600\ \mathrm{nm}\), даёт близкое приближённое значение \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); в приведённом выше расчёте используется фактическое предсказание модели для \(k=15\).
1.5
Для кубического ящика \(L_x=L_y=L_z=L\), поэтому
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
Квантовые числа — положительные целые числа: нулевое значение привело бы к тождественно нулевой волновой функции, а не к разрешённому состоянию. Три наименьшие различные суммы квадратов равны
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
Следовательно,
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
Пусть \(A=h^2/(8mL^2)\). Если каждое квантовое число может принимать только значения 1 или 2, получаем \(2^3=8\) пространственных состояний:
| Энергия | Тройки квантовых чисел \((n_x,n_y,n_z)\) | Кратность пространственного вырождения |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
На схеме ось энергии направлена вверх, а четыре высоты, соответствующие \(3A\), \(6A\), \(9A\) и \(12A\), расположены через равные интервалы. Снизу вверх на этих высотах находятся одна, три, три и одна горизонтальная линия уровня. Линии вырожденных уровней расположены рядом на одной высоте; каждая подписана соответствующей тройкой квантовых чисел из таблицы.
Эти кратности вырождения учитывают пространственные состояния; спин электрона не учитывается.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2014 · مسألة نظرية 1
جسيمات في صندوق: البوليينات
في ميكانيكا الكم، يمكن نمذجة حركة إلكترونات \(\pi\) على امتداد سلسلة متعادلة من ذرات الكربون ذات روابط مترافقة باستخدام طريقة «الجسيم في صندوق». تُعطى طاقة إلكترونات \(\pi\) بالمعادلة الآتية:
\[ E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2} \]
حيث \(n\) هو عدد الكم (\(n=1,2,3,\ldots\))، و\(h\) هو ثابت بلانك، و\(m\) هي كتلة الإلكترون، و\(L\) هو طول الصندوق الذي يمكن تقريبه بالعلاقة \(L=(k+2)\times1.40\ \text{Å}\) (حيث \(k\) هو عدد الروابط المزدوجة المترافقة على امتداد السلسلة الكربونية في الجزيء). يمكن لفوتون ذي طول موجي مناسب \(\lambda\) أن يرفع إلكترون \(\pi\) من أعلى مدار جزيئي مشغول (HOMO) إلى أدنى مدار جزيئي غير مشغول (LUMO). وتُعطى صيغة تقريبية شبه تجريبية قائمة على هذا النموذج، تربط الطول الموجي \(\lambda\) بعدد الروابط المزدوجة \(k\) والثابت \(B\)، كما يأتي:
\[ \lambda(\mathrm{nm})=B\times\frac{(k+2)^2}{(2k+1)} \qquad\text{المعادلة 1} \]
1.1 باستخدام هذه الصيغة شبه التجريبية مع \(B=65.01\ \mathrm{nm}\)، احسب قيمة الطول الموجي \(\lambda\) (nm) للأوكتاتترايين (\(\ce{CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2}\)).
1.2 اشتق المعادلة 1 (تعبيرًا للطول الموجي \(\lambda\) (nm) الموافق لانتقال إلكترون من HOMO إلى LUMO) بدلالة \(k\) والثوابت الأساسية، ومن ثم احسب القيمة النظرية للثابت \(B_{\mathrm{calc.}}\).
1.3 نرغب في اصطناع بوليين خطي تتطلب فيه إثارة إلكترون \(\pi\) من HOMO إلى LUMO امتصاصًا عند طول موجي قريب من 600 nm. باستخدام التعبير الذي توصلت إليه في الجزء 2، حدد عدد الروابط المزدوجة المترافقة (\(k\)) في هذا البوليين وأعطِ بنيته. [إذا لم تحل الجزء 2، فاستخدم المعادلة شبه التجريبية 1 مع \(B=65.01\ \mathrm{nm}\) لإكمال الجزء 3.]
1.4 لجزيء البوليين الذي توصلت إليه في الجزء 3، احسب فرق الطاقة بين HOMO وLUMO، وهو \(\Delta E\)، بوحدة (\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)).
إذا لم تحل الجزء 3، فخذ \(k=5\) لحل هذه المسألة.
يمكن تعميم نموذج الجسيم في صندوق أحادي البعد إلى صندوق مستطيل ثلاثي الأبعاد أبعاده \(L_x\) و\(L_y\) و\(L_z\)، فنحصل على التعبير الآتي لمستويات الطاقة المسموح بها:
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8m} \left( \frac{n_x^2}{L_x^2}+ \frac{n_y^2}{L_y^2}+ \frac{n_z^2}{L_z^2} \right) \]
يجب أن تكون أعداد الكم الثلاثة \(n_x\) و\(n_y\) و\(n_z\) أعدادًا صحيحة، وهي مستقلة بعضها عن بعض.
1.5 أعطِ تعبيرات أدنى ثلاث طاقات مختلفة، بافتراض أن الصندوق مكعب طول حرفه \(L\).
1.6 تُسمّى المستويات التي لها الطاقة نفسها مستويات منحلة. ارسم مخططًا يوضح جميع مستويات الطاقة، بما فيها أي مستويات منحلة، الموافقة لأعداد كم قيمها 1 أو 2 لصندوق مكعب.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1: \(\boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}\).
- 1.2: مع \(a=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\)، \[ \boxed{\lambda=\frac{8mca^2}{h}\frac{(k+2)^2}{2k+1}}, \qquad \boxed{B_{\mathrm{calc}}=\frac{8mca^2}{h}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
- 1.3: \(\boxed{k=15}\)، وهو ما يعطي \(\lambda\approx602\ \mathrm{nm}\). الجزيء هو ترياكونتا-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-بنتاديكايين، \(\ce{C30H32}\)، وبنيته \(\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}\). SMILES:
C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C. - 1.4: \(\boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.5: أدنى ثلاث طاقات متميزة هي \[ \boxed{\frac{3h^2}{8mL^2},\quad\frac{6h^2}{8mL^2},\quad\frac{9h^2}{8mL^2}}. \]
- 1.6: بوضع \(A=h^2/(8mL^2)\)، تكون المستويات المطلوبة \(\boxed{3A,\ 6A,\ 9A,\ 12A}\)، ودرجات انحلالها المكاني \(\boxed{1,\ 3,\ 3,\ 1}\)، على الترتيب.
الحل
1.1
يحتوي أوكتا-1,3,5,7-تترايين (الأوكتاتترايين)، الذي تمثيله بصيغة SMILES هو C=CC=CC=CC=C، على أربع روابط مزدوجة مترافقة، ولذلك \(k=4\). ومن ثم،
\[ \lambda =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{(4+2)^2}{2(4)+1} =(65.01\ \mathrm{nm})\frac{36}{9} =260.04\ \mathrm{nm}. \]
بأربعة أرقام معنوية،
\[ \boxed{\lambda=260.0\ \mathrm{nm}}. \]
1.2
تسهم كل رابطة مزدوجة مترافقة بإلكترونين من إلكترونات \(\pi\)، فيكون المجموع \(2k\) إلكترونًا. يتسع كل مدار مكاني لإلكترونين متعاكسي اللف المغزلي. ولذلك تكون المستويات \(n=1,\ldots,k\) ممتلئة في الحالة الأرضية:
\[ n_{\mathrm{HOMO}}=k, \qquad n_{\mathrm{LUMO}}=k+1. \]
طاقة الإثارة هي
\[ \begin{aligned} \Delta E &=E_{k+1}-E_k\\ &=\frac{h^2}{8mL^2}\left[(k+1)^2-k^2\right]\\ &=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}. \end{aligned} \]
بمساواة هذه الطاقة بطاقة الفوتون،
\[ \frac{hc}{\lambda}=\frac{h^2(2k+1)}{8mL^2}, \]
نحصل على
\[ \lambda=\frac{8mcL^2}{h(2k+1)}. \]
لتكن \(a=1.40\ \text{Å}=1.40\times10^{-10}\ \mathrm m\). بالتعويض عن \(L=(k+2)a\)،
\[ \boxed{ \lambda=\underbrace{\frac{8mca^2}{h}}_{B_{\mathrm{calc}}} \frac{(k+2)^2}{2k+1} }. \]
لا تورد المسألة جدولًا للثوابت الأساسية. باستخدام القيم القياسية
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad m=9.1093837\times10^{-31}\ \mathrm{kg},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
نحصل على
\[ B_{\mathrm{calc}} =\frac{8mca^2}{h} =6.46249\times10^{-8}\ \mathrm m =64.6249\ \mathrm{nm}. \]
إذن، بثلاثة أرقام معنوية،
\[ \boxed{B_{\mathrm{calc}}=64.6\ \mathrm{nm}}. \]
1.3
باستخدام الثابت النظري، مع الاحتفاظ بأرقام إضافية أثناء الحساب،
\[ 600=64.6249\frac{(k+2)^2}{2k+1}. \]
نعرّف \(r=600/64.6249\). بإعادة الترتيب نحصل على
\[ k^2+(4-2r)k+(4-r)=0. \]
الجذر الموجب هو
\[ k=r-2+\sqrt{r(r-3)}\approx14.923. \]
يجب أن يكون عدد الروابط المزدوجة عددًا صحيحًا. بفحص القيم المجاورة،
\[ \lambda(14)=570.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(15)=602.5\ \mathrm{nm},\qquad \lambda(16)=634.5\ \mathrm{nm}. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{k=15}. \]
البنية هي
\[ \boxed{\ce{CH2=CH-(CH=CH)13-CH=CH2}}, \]
وهي سلسلة غير متفرعة من 30 ذرة كربون تضم 15 رابطة مزدوجة متناوبة، وصيغتها الجزيئية \(\ce{C30H32}\).
اسمها هو ترياكونتا-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29-بنتاديكايين.
SMILES: C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
يقرّب النموذج السلسلة المترافقة باعتبارها أحادية البعد. وهو لا يحدد الكيمياء الفراغية للروابط المزدوجة، ولذلك يترك تمثيل SMILES التشكيلات \(E/Z\) غير محددة.
1.4
عندما \(k=15\)، يكون لكل من HOMO وLUMO عدد الكم \(n=15\) و\(n=16\)، على الترتيب، ويكون
\[ L=(15+2)(1.40\ \text{Å}) =23.8\ \text{Å} =2.38\times10^{-9}\ \mathrm m. \]
فجوة الطاقة لكل جزيء هي
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molecule}} &=\frac{h^2(16^2-15^2)}{8mL^2}\\ &=\frac{31h^2}{8m(2.38\times10^{-9}\ \mathrm m)^2}\\ &=3.29717\times10^{-19}\ \mathrm J. \end{aligned} \]
باستخدام \(N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)،
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\mathrm{molar}} &=N_{\mathrm A}\Delta E_{\mathrm{molecule}}\\ &=1.98560\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=198.560\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
وعليه،
\[ \boxed{\Delta E\approx1.99\times10^2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
يعطي استخدام الطول الموجي المستهدف البالغ \(600\ \mathrm{nm}\) بالضبط القيمة التقريبية القريبة \(199.4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)؛ أما الحساب أعلاه فيستخدم التنبؤ الفعلي للنموذج عند \(k=15\).
1.5
في الصندوق المكعب، \(L_x=L_y=L_z=L\)، ولذلك
\[ E_{n_x,n_y,n_z} =\frac{h^2}{8mL^2}(n_x^2+n_y^2+n_z^2). \]
أعداد الكم أعداد صحيحة موجبة: فالصفر يعطي دالة موجية تساوي صفرًا في كل موضع بدلًا من حالة مسموح بها. أصغر ثلاثة مجاميع متميزة للمربعات هي
\[ 1^2+1^2+1^2=3,\qquad 2^2+1^2+1^2=6,\qquad 2^2+2^2+1^2=9. \]
وبالتالي،
\[ \boxed{ \begin{aligned} E_{1,1,1}&=\frac{3h^2}{8mL^2},\\ E_{2,1,1}=E_{1,2,1}=E_{1,1,2} &=\frac{6h^2}{8mL^2},\\ E_{2,2,1}=E_{2,1,2}=E_{1,2,2} &=\frac{9h^2}{8mL^2}. \end{aligned} } \]
1.6
لتكن \(A=h^2/(8mL^2)\). إن حصر كل عدد كم في القيمتين 1 أو 2 يعطي \(2^3=8\) حالات مكانية:
| الطاقة | ثلاثيات أعداد الكم \((n_x,n_y,n_z)\) | درجة الانحلال المكاني |
|---|---|---|
| \(12A\) | \((2,2,2)\) | 1 |
| \(9A\) | \((2,2,1),\ (2,1,2),\ (1,2,2)\) | 3 |
| \(6A\) | \((2,1,1),\ (1,2,1),\ (1,1,2)\) | 3 |
| \(3A\) | \((1,1,1)\) | 1 |
يحتوي المخطط على محور طاقة متجه إلى الأعلى وأربعة ارتفاعات متساوية التباعد عند \(3A\) و\(6A\) و\(9A\) و\(12A\). من الأسفل إلى الأعلى، يوجد خط أفقي واحد للمستوى، ثم ثلاثة خطوط، ثم ثلاثة خطوط، ثم خط واحد. تقع الخطوط المنحلة جنبًا إلى جنب عند الارتفاع نفسه، ويُوسم كل منها بثلاثية أعداد الكم الخاصة به من الجدول.
تحصي درجات الانحلال هذه الحالات المكانية؛ ولا يُحتسب اللف المغزلي للإلكترون.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.