分子軌道の形成は、波力学によって説明されます。シュレディンガー波動方程式と原子軌道の線形結合は、結合および反結合分子軌道の計算の解を提供します。この分子軌道学習資料では、結合性および反結合性の分子軌道の形成と、それらが形成されるために必要な条件について説明しています。それは、エネルギーレベルの組み合わせと、組み合わせ後のこれらの軌道の安定性に依存します。考慮すべき主なことは、分子の形成につながり、その特性を定義する軌道の安定性です。化合物は電子配置に依存するため、化合物の磁気特性についても説明しています。
分子軌道理論の概要
R.S. Mulliken と F. Hund は、原子軌道がどのように結合して分子を形成するかを説明するいくつかの基本的な特徴をこの理論に提供しました。これは分子形成の基礎につながり、分子の特性と挙動に関する深い洞察を提供しました。これらの機能には、
- 分子軌道の形成には、同等のエネルギーと適切な形状の 2 つ以上の原子軌道が関与できます。
- 原子軌道では、電子は 1 つの原子核の影響を受けますが、分子軌道では、電子はすべての結合原子の原子核の影響を受けます。
- 分子軌道では、すべての結合原子の電子が互いに反発力を発揮します。
- 分子軌道は、原子軌道と同様に表すことができます。
- 結合する原子の数は、形成される分子軌道の数と同じです。これらの分子軌道は、結合軌道と反結合軌道に均等に分割されます。
- 結合分子軌道は、電子間の反発が少ないため安定性が高い。
シュレディンガー方程式と原子軌道の線形結合
分子を形成する複数の電子の組み合わせは、単一の電子関数しか表現できないため、シュレディンガー波動方程式だけでは説明できません。これを克服するために、原子軌道 (LCAO) モデルの線形結合が提案されました。結合するすべての原子軌道について、シュレディンガー波動方程式によって提供される電子波動関数が考慮されます。
- 基本原子は、基底状態に 1 つの電子を持つ水素です。 LCAO の基本は、2 つの水素原子の組み合わせを考慮します。
- ある原子の波動関数を Ψ(A) とし、他の原子の波動関数を Ψ(B) とします。
- LCAO を適用すると、2 つの原子軌道の波動関数に基づく方程式が得られます。
- Ψ(最終) =Ψ(A) ± Ψ(B)
- これにより、電子の結合と結合を表す 2 つの値が得られます。
- σ =Ψ(A) + Ψ(B) は結合分子軌道を表します。
- σ =Ψ(A) – Ψ(B) は反結合性分子軌道を表します。
結合性分子軌道は、反結合性分子軌道と比較して反発が少ないため、分子内に安定したエネルギー状態を提供します。
分子軌道の形成条件
分子軌道の形成には、原子軌道の組み合わせが含まれます。これは原子軌道の線形結合によって提供されますが、原子軌道の結合はいくつかの基準を維持する必要があります。これは、結合性分子軌道と反結合性分子軌道の形成に必要です。必要な条件は
- 結合する原子軌道は、安定した分子軌道を形成できるように、同等のエネルギー レベルを持っている必要があります。これは、3s 軌道が別の原子の 3s のような同等のエネルギー レベルと結合できることを意味し、4s、5s などのより高いエネルギー レベルと結合することはできません。
- その他の重要な基準は対称性です。分子軌道は対称でなければなりません。たとえば、2pz は 2pz と結合できますが、2py や 2px と結合することはできません。たとえエネルギーが同じであってもです。
- これら 2 つの基準が満たされた後、強力な分子軌道結合を確実に形成するために、原子軌道は最大限に重なり合う必要があります。
分子軌道のエネルギー準位の充填
分子軌道のエネルギー準位は、分光法を含むさまざまな実験を使用して見つかります。エネルギー準位が分子内に満たされるには、2 つの異なる方法があることが観察されています。これには、結合分子軌道と反結合分子軌道が含まれます。
分子軌道のエネルギーの昇順は
- F や O のような分子の場合、σ1s<σ∗1s<σ2s<σ∗2s<σ2pz<(π2px=π2py)<(π∗2px=π∗2py)<σ∗2pz
- C、Be などを含む他の分子の場合、σ1s<σ∗1s<σ2s<σ∗2s<(π2px=π2py)<σ2pz<(π∗2px=π∗2py)<σ∗2pz
このエネルギー方程式は、各軌道が最大 2 つの電子を取ることができるため、それぞれの分子軌道の電子を埋めるのに役立ちます。これは、分子軌道研究資料にあります。
分子軌道理論によって決定される要因
結合および反結合の分子軌道は、分子の電子配置を決定するため、非常に有益です。それらは、分子の安定性、磁性などに関する詳細を提供します。
- 安定性:反結合性軌道よりも多くの電子が結合性軌道を占める場合、分子は安定しています。
- 結合次数:結合軌道と反結合軌道の電子の差の半分に等しい
- 結合の性質:分子結合の強さを決定します。債券の次数に反比例します。
- 磁性:すべての分子軌道に 2 つの電子がある場合、その分子は反磁性、そうでない場合は常磁性です。
結論
分子軌道研究資料では、分子の形成、その形成に必要な条件、性質、エネルギー準位の充填、および分子軌道によって決定される要因について簡単に説明します。したがって、エネルギー準位を埋める前にすべての基準を考慮する必要があります。これは、磁場や電場などの特定の条件で分子の挙動を決定するためです。結合性軌道と反結合性軌道は、分子の最終的な特性を決定します。それらは、化学反応中の分子の相互作用を担っています。
