分子軌道理論

分子軌道理論（MOT）は、原子がどのように結合して分子を形成するかを説明する化学の基本的な理論です。価電子結合法（VBT）などの他のモデルと比較して、より洗練された化学結合の理解を提供します。この包括的な説明では、基本的な概念、分子軌道の形成、および分子での結合を説明するための分子軌道理論の応用に焦点を当てます。

基本概念

分子軌道理論は、分子内の電子の挙動を記述します。VBTとは異なり、異なる原子の原子軌道の重なりによって結合が形成されると仮定するのではなく、MOTは分子全体に属する分子軌道を提案します。

分子軌道の形成

分子軌道は、分子内の原子軌道が組み合わさると形成されます。最も単純な二原子分子を考えてみましょう：H 2。各水素原子は1s原子軌道を提供し、これらの軌道は2つの異なる方法で結合することができます：

• 建設的結合：原子軌道が建設的に結合する場合、結合性分子軌道と呼ばれる分子軌道を形成します。これは、2つの核間の電子密度の増加を特徴とし、元の原子軌道よりもエネルギーが低いです。
• 破壊的結合：原子軌道が破壊的に結合する場合、反結合性分子軌道を形成します。これは、核間にノード（電子密度がゼロの領域）があることを特徴とし、エネルギーが高いです。

分子軌道結合の視覚例

        H --(1s)-- + H --(1s)-- | | VV 結合 反結合 軌道 軌道
        H --(1s)-- + H --(1s)-- | | VV 結合 反結合 軌道 軌道
    

分子軌道ダイアグラム

結合および制限分子軌道の配置は、分子軌道ダイアグラムで示すことができます。分子水素の例を次に示します：

        エネルギー ↑ | σ* 1s (反結合) |----------------------------- | σ 1s (結合) |----------------------------- |
        エネルギー ↑ | σ* 1s (反結合) |----------------------------- | σ 1s (結合) |----------------------------- |
    

このダイアグラムでは、σ 1s結合分子軌道とσ* 1s反結合分子軌道があります。電子はまずエネルギーが低い結合軌道を埋め、より多くの電子がある場合は反結合軌道を埋めます。

ボンドオーダー

分子軌道理論は、分子の安定性を予測するためにボンドオーダーの概念を導入します。ボンドオーダーは次のように計算されます：

        ボンドオーダー = (結合軌道内の電子数 - 反結合軌道内の電子数) / 2
        ボンドオーダー = (結合軌道内の電子数 - 反結合軌道内の電子数) / 2
    

ボンドオーダーが高いほど安定した結合を示します。例えば、_{H 2}では：

        結合電子数 = 2 反結合電子数 = 0 ボンドオーダー = (2 - 0) / 2 = 1
        結合電子数 = 2 反結合電子数 = 0 ボンドオーダー = (2 - 0) / 2 = 1
    

分子軌道理論の応用

MOTはO 2やN 2などのより複雑な分子に応用できます。これらの例を探ってみましょう：

酸素分子_{O 2}

酸素分子には16個の価電子があります。その分子軌道ダイアグラムは次のようになります：

        エネルギー ↑ | σ* 2p |------------------------- | π* 2p π* 2p |------------------------- | π 2p π 2p |------------------------- | σ 2p |------------------------- | σ* 2s |------------------------- | σ 2s
        エネルギー ↑ | σ* 2p |------------------------- | π* 2p π* 2p |------------------------- | π 2p π 2p |------------------------- | σ 2p |------------------------- | σ* 2s |------------------------- | σ 2s
    

        結合電子数: 10 反結合電子数: 6 ボンドオーダー: (10 - 6) / 2 = 2
        結合電子数: 10 反結合電子数: 6 ボンドオーダー: (10 - 6) / 2 = 2
    

ボンドオーダー2は、_{O 2}が二重結合を持つ理由を説明します。

窒素分子N 2

窒素分子には14個の価電子があります。その分子軌道ダイアグラムは次のようになります：

        エネルギー ↑ | σ* 2p |------------------------- | π* 2p π* 2p |------------------------- | π 2p π 2p |------------------------- | σ 2p |------------------------- | σ* 2s |------------------------- | σ 2s
        エネルギー ↑ | σ* 2p |------------------------- | π* 2p π* 2p |------------------------- | π 2p π 2p |------------------------- | σ 2p |------------------------- | σ* 2s |------------------------- | σ 2s
    

        結合電子数: 10 反結合電子数: 4 ボンドオーダー: (10 - 4) / 2 = 3
        結合電子数: 10 反結合電子数: 4 ボンドオーダー: (10 - 4) / 2 = 3
    

N 2のボンドオーダー3は、その観察された三重結合と一致します。

分子軌道理論の利点

• MOTは分子の電子構造のより詳細な図を提供します。
• 分子の磁気特性（例：_{O 2}の常磁性）に関与します。
• ボンドオーダーや結合長などの分子特性を計算する方法を提供します。

分子軌道理論の限界

• より大きな分子に対しては複雑で数学的に集中的である可能性があります。
• いくつかの予測や確認にはまだ経験的データが必要です。

結論

分子軌道理論は、化学結合と分子構造のより完全な理解を提供する化学における重要な概念です。分子全体を考慮することにより、化学者は化学研究と産業の進歩に不可欠な分子の挙動を予測および説明することができます。

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