分子轨道理论

分子轨道理论（MOT）是化学中的一项基本理论，解释了原子如何结合形成分子。它比其他模型（例如价键理论（VBT））提供了对化学键更为复杂的理解。在本全面解释中，我们将深入探讨基本概念、分子轨道的形成，以及如何应用分子轨道理论解释分子中的键合。

基本概念

分子轨道理论描述了分子中电子的行为。与假设键是由不同原子间的原子轨道重叠形成的价键理论不同，MOT 提出了属于整个分子的分子轨道。

分子轨道的形成

当分子中的原子轨道结合时，就会形成分子轨道。让我们考虑最简单的双原子分子：H2。每个氢原子提供一个1s原子轨道，这些轨道可以以下两种方式结合：

• 建设性结合：当原子轨道建设性结合时，它们形成一种称为键合分子轨道的轨道。其特征在于两个原子核之间的电子密度增加，且能量低于原始原子轨道。
• 破坏性结合：当原子轨道破坏性结合时，它们形成反键合分子轨道。其特点是在核之间有一个节点（零电子密度区域），且能量较高。

分子轨道组合的可视示例

        H --(1s)-- + H --(1s)-- | | VV 键合 反键合 轨道 轨道
    

分子轨道图

键合和限制性分子轨道的排列可以在分子轨道图中显示。以下是分子氢的示例：

        能量 ↑ | σ*1s (反键合) |----------------------------- | σ1s (键合) |----------------------------- |
    

在该图中，σ1s键合分子轨道和σ*1s反键合分子轨道。电子将首先填充能量较低的键合轨道，如果有更多电子，则再填充反键合轨道。

键级

分子轨道理论引入了预测分子稳定性的键级的概念。键级按以下公式计算：

        键级 = (键合轨道中的电子数 - 反键合轨道中的电子数) / 2
    

更高的键级表示更稳定的键。例如，在H2中：

        键合电子数 = 2 反键合电子数 = 0 键级 = (2 - 0) / 2 = 1
    

分子轨道理论的应用

分子轨道理论可以应用于更复杂的分子，如O2和N2。让我们探讨这些示例：

氧分子O2

氧分子有16个价电子。它的分子轨道图如下：

        能量 ↑ | σ*2p |------------------------- | π*2p π*2p |------------------------- | π2p π2p |------------------------- | σ2p |------------------------- | σ*2s |------------------------- | σ2s
    

        键合电子数：10 反键合电子数：6 键级：(10 - 6) / 2 = 2
    

键级2解释了为什么O2具有双键。

氮分子N2

氮分子有14个价电子。它的分子轨道图如下：

        能量 ↑ | σ*2p |------------------------- | π*2p π*2p |------------------------- | π2p π2p |------------------------- | σ2p |------------------------- | σ*2s |------------------------- | σ2s
    

        键合电子数：10 反键合电子数：4 键级：(10 - 4) / 2 = 3
    

N2的键级3与其观察到的三键相一致。

分子轨道理论的优点

• MOT提供了更详细的分子电子结构图。
• 它揭示了分子的磁性特征（例如：O2的顺磁性）。
• 提供了一种计算分子属性（如键级和键长）的方法。

分子轨道理论的限制

• 对于较大的分子，这可能复杂且数学繁重。
• 一些预测和确认仍然需要经验数据。

结论

分子轨道理论是化学中一个基本概念，为化学键和分子结构提供了更完整的理解。通过整体考虑分子，它使化学家能够预测和解释分子行为，这对于化学研究和工业的进步至关重要。

评论