原子価結合法

原子価結合法 (VB理論) は量子化学の基本的な側面であり、原子がどのように結合して分子を形成するかを詳細に説明します。電子対の重要性を強調し、原子軌道が重なり合うことで化学結合が形成される様子を説明します。VB理論では、原子軌道が重なり合うと化学結合が形成され、この重なり合いにより原子間で電子対が共有されます。この共有は非共有結合または共有結合の形成に繋がり、これが原子間の基本的な相互作用となります。

歴史的背景

原子価結合法のルーツは20世紀初頭に遡ることができます。科学者たちが原子構造および原子を結びつける力を理解するために理論を進化させました。ギルバート・N・ルイスは1916年に電子の共有という概念を初めて提唱し、これが共有結合の理解において中心的なアイデアとなりました。後にライナス・ポーリングとウォルター・ハイトラーがこの基盤を基に、VB理論を化学結合の重要なモデルとして確立しました。

基本概念

VB理論の中心にあるのは、軌道の重なり合いによる電子対の結合としての見解です。いくつかの主要な概念を見てみましょう。

原子軌道と混成

原子軌道は、原子内に電子が存在する可能性が高い領域です。これらの軌道は混成軌道を形成するために組み合わされ、分子形成時に重なり合います。混成のプロセスは、異なるタイプの軌道（s, p, d など）を混ぜ合わせ、新しい混成軌道を形成することを含みます。例えば：

        sp^3混成: 1つのs軌道と3つのp軌道を組み合わせて、4つの同等のsp^3軌道を形成します。
        sp^2混成: 1つのs軌道と2つのp軌道を組み合わせて、3つの同等のsp^2軌道を形成します。
        sp混成: 1つのs軌道と1つのp軌道を組み合わせて、2つの同等のsp軌道を形成します。

軌道の重なり合い

化学結合の強さと性質は、原子軌道の重なり合いの度合いに依存します。主な重なり合いのタイプは次の2つです：

シグマ (σ) 結合: これは軌道の端と端が重なることによって形成される最も強い共有結合です。例えば、2つのs軌道または1つのs軌道と1つのp軌道が重なるとき、シグマ結合が形成されます。_{H 2}のHH結合はシグマ結合の典型的な例です。
パイ (π) 結合: これはp軌道の横の重なり合いによって形成され、通常シグマ結合よりも弱いです。二重結合や三重結合では、1つはシグマ結合で、残りはパイ結合です。たとえば、_{O 2}分子には1つのシグマ結合と1つのパイ結合があります。

ビジュアル例: エチレン (C ₂ H ₄ )

エチレンはVB理論における軌道の重なり合いを示すシンプルな分子です。エチレンの炭素原子がどのように混成して結合するのか考えてみましょう：

        炭素原子の混成: sp^2

エチレンにおける各炭素はsp^2混成軌道を使用して水素原子および他の炭素原子とシグマ結合を形成します。炭素原子のp軌道は重なり合い、パイ結合を形成します。

この図では、青い線がシグマの重なり合いを表し、赤い曲線がパイの重なり合いを表しています。

ポーリングとハイトラーのモデル

ライナス・ポーリングとウォルター・ハイトラーは、量子力学を化学結合の理解に組み込むことによってVB理論を大いに進展させました。彼らのモデルには、分子内の電子の位置とエネルギーを記述する波動関数の計算が含まれます。この方法により、結合エネルギーや角度の定量的な理解が可能になります。

分子軌道理論との比較

VB理論が局所化された電子対と軌道の重なり合いに焦点を当てる一方で、分子軌道 (MO) 理論は非局在化されたアプローチを提供します。MO理論は電子を分子全体に及ぶ分子軌道に占有させるものとして説明します。それぞれの理論には独自の強みがあります：

VB理論: 共鳴、混成、および個々の結合位置をより良く説明できます。
MO理論: 磁気的性質や分子内の電子分布を理解するのにより効果的です。