分子軌道理論
分子軌道理論（MOT）は、量子化学における方法であり、分子内の電子の振る舞いを理解するのに役立ちます。他のモデルとは異なり、MOTは電子を2つの原子間に局在化するのではなく、複数の原子にわたって分布していると説明します。この広範な電子の分布は、分子全体に延びることのできる分子軌道をもたらします。簡単な言葉と説明的な例を用いて、この概念を深く理解しましょう。
原子軌道の概念
分子軌道を探る前に、原子軌道を理解することが必要です。原子内では、電子は核の周りの空間領域である軌道に存在します。これらの軌道は、原子内の電子に対するシュレーディンガー方程式の解です。形やエネルギーが異なり、s、p、d、f軌道として表されます。
s 軌道: 球形
p 軌道: ダンベル型で3つの向き（px, py, pz）
d 軌道: より複雑な形で5つの向き（dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2）
パウリの排他原理によれば、各原子軌道には、反対のスピンを持つ最大2つの電子を保持することができます。
分子軌道
原子が結合して分子を形成するとき、原子軌道は重なり合って分子軌道を形成します。MOTの重要な側面は、これらの分子軌道が原子軌道の線形結合（LCAO）から形成されることです。分子軌道は、結合軌道および反結合軌道に分類できる。
結合分子軌道: 原子軌道が同位相で結合する場合、互いに強化し、低エネルギーの建設的干渉を引き起こします。これにより、核間の電子の確率が高まり、原子を結びつける結合分子軌道が生成されます。
反結合分子軌道: 対照的に、原子軌道が逆位相で結合すると、それらは破壊的に干渉し、反結合分子軌道と呼ばれる高エネルギーのレベルを生じます。これらの分子軌道には電子密度が最小またはゼロのノードがあり、結合強度を低下させます。
2つの原子軌道の重なりは次のように表されます:
Ψ_分子 = c1Ψ_A + c2Ψ_B
ここでΨ_分子は分子軌道を示し、Ψ_AおよびΨ_Bは原子軌道を示し、c1およびc2は分子軌道への各原子軌道の寄与を示す係数です。
二原子分子の分子軌道の可視化
単純な例として二原子水素（H 2）を用いて分子軌道の形成を視覚化してみましょう。
H 2の場合、各水素原子には1s原子軌道があります。それらが結合すると、2つの分子軌道が形成されます:
結合（σ 1s）および反結合（σ* 1s）分子軌道:
1s 1s
,
,
1s 1s 1s 1s
結合軌道（σ 1s）は、元の原子軌道よりもエネルギーが少なく、反結合軌道（σ* 1s）はエネルギーが高いです。H 2では、両方の電子が結合分子軌道を占め、安定した分子を形成します。
リトマス試験: 結合次数と安定性
分子軌道理論は、分子の安定性を評価するための結合次数という概念を導入します:
結合次数 = （結合軌道内の電子数 - 反結合軌道内の電子数）/ 2
H 2の場合、結合分子軌道は2つの電子で満たされており、反結合軌道は空です。したがって、結合次数は次のようになります:
結合次数 = （2 - 0）/ 2 = 1
正の結合次数は分子の安定性を示します。結合次数がゼロまたは負の場合、分子は通常の条件下では存在しない可能性があります。
異核の二原子分子
分子軌道理論は同種原子に限られない。水素フッ化物（HF）の場合を考えてみましょう。このプロセスは類似していますが、水素とフッ素の電気陰性度の違いにより差異があります。
重なりの主観的なビューフォーマットは次のとおりです:
F H
2p 1c
,
,
σ(2p-1s) π(2p)
フッ素の高い電気陰性度のため、その原子軌道は水素の1s軌道よりもエネルギーが低いです。したがって、HFの分子軌道はフッ素に向かって傾き、分子内でフッ素原子軌道の重要な影響を示しています。
注意: 類似の対称性と比較可能なエネルギーを持つ軌道のみが著しく結合します。したがって、HFはフッ素の2p軌道と水素の1s軌道が主に支配する結合分子軌道を形成します。
多原子分子への分子軌道理論の適用
多原子分子へのMOTの拡張には、より複雑な相互作用が関与しますが、それは同じ原則に従います。水（H 2 O）などの分子では、水素原子の1s軌道が酸素の2p軌道と相互作用し、3つの原子すべてを網羅する新しい分子軌道を形成します。
形成は次のように一般化できます:
O(2s,2p) + H(1s) + H(1s) → 分子軌道
建設的結合は原子を結びつける結合軌道を生み出し、破壊的結合は制限軌道を生み出します。
結論
分子軌道理論は、量子化学と現実世界の化学結合を結びつけ、分子の性質について深い洞察を提供します。複雑な分子へのMOTの拡張は計算の複雑さを増すが、電子分布と結合強度について非常に詳細な理解を提供します。その複雑さにもかかわらず、中心的なアイデアは、原子軌道の重なりによって形成された分子軌道が分子の安定性と構造を推進するということです。
この探求を通じて、分子軌道の世界がより具体的で直感的に見えることを願っています。
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