分子軌道理論とは何ですか？

分子軌道理論（MO理論）は、原子間の結合を原子価結合理論（VB理論）とは対照的に、原子の周りに局在化するのではなく、分子の周りに広がるという観点から説明する方法です。 原子内の電子は、シェル内のサブシェル内の軌道に配置されます。 一般的な規則として、化学結合に関与するのは最外殻内の軌道の電子ですが、これには例外があります。 軌道には最大で2つの電子を含めることができますが、これらの電子には反対のスピンが必要です。 分子軌道理論では、2つの原子が化学結合を形成すると、結合電子の原子軌道が結合して、電子の数とスピンに関する同様の規則を持つ分子軌道を生成します。

電子は、すべての亜原子粒子と同様に、波として振る舞うことができます。 所定の時間に空間の特定の点を占有する代わりに、電子は原子核の周囲のすべての可能な位置に広がり、その位置は確率の点でのみ表現できます。 物理学者のアーウィン・シュレディンガーによって開発された方程式を使用して、原子軌道の「波動関数」を決定し、電子密度分布の観点から核の周囲のさまざまな位置で電子を見つける可能性を与えることができます。 分子軌道理論は、結合に関与する原子軌道の波動関数を追加して、分子全体を囲む分子軌道の波動関数を与えることにより、原子結合を説明します。

波動関数の式は位相として知られる正と負の両方の値を与えるため、2つの分子軌道が生成されます。 最初の段階では、原子軌道が段階的に追加されます（正から正、負から負）。 2番目のタイプは、位相がずれているタイプです-負から正および正から負です。

同相加算により、分子密度の高い電子密度が原子核間の空間に集中し、原子同士がより近くなり、元の2つの原子軌道を組み合わせた場合よりも低いエネルギーで配置されます。 これは結合軌道として知られています。 位相のずれにより、電子密度が原子核間の空間から離れて集中し、原子核をさらに引き離し、原子軌道よりも高いエネルギーレベルの配置を生成します。 これは、反結合軌道として知られています。 結合に関与する原子軌道からの電子は、低エネルギーの結合分子軌道を満たすことを好みます。

2つの原子間の結合の性質を決定するために、「結合次数」は次のように計算されます：（結合電子-反結合電子）/ 2。 ゼロの結合次数は、結合が行われないことを示します。 それに対して、結合次数1は単結合を示し、2と3はそれぞれ二重結合と三重結合を示します。

非常に簡単な例として、2つの水素原子の結合は分子軌道理論の観点から説明できます。 各原子には、通常は最低エネルギーの軌道にある1つの電子しかありません。 これらの軌道の波動関数が追加され、結合軌道と反結合軌道が与えられます。 2つの電子は低エネルギーの結合軌道を満たし、反結合軌道には電子がありません。 したがって、結合次数は（2 – 0）/ 2 = 1であり、単結合を与えます。 これは、VB理論および観察と一致しています。

周期表の次の元素であるヘリウムの2つの原子の相互作用は、各ヘリウム原子の軌道に2つの電子があるため、異なる結果をもたらします。 波動関数が追加されると、水素と同様に結合軌道と反結合軌道が生成されます。 ただし、今回は4つの電子が関係しています。 2つの電子が結合軌道を埋め、他の2つの電子が高エネルギーの反結合軌道を埋める必要があります。 今回の結合順序は（2 – 2）/ 2 = 0であるため、結合は行われません。 繰り返しますが、これはVB理論と観察結果に一致します。ヘリウムは分子を形成しません。

分子軌道理論は、それぞれ酸素分子と窒素分子の二重結合と三重結合を正しく予測します。 ほとんどの場合、MO理論と原子価結合理論は一致しています。 ただし、前者は、結合の順序が単結合と二重結合の間にある分子、および分子の磁気特性をよりよく説明しています。 分子軌道理論の主な欠点は、上記のような非常に単純な場合を除いて、計算がはるかに複雑になることです。