Что такое молекулярно-орбитальная теория?

Теория молекулярных орбиталей, или теория МО, представляет собой метод объяснения связи между атомами в терминах распространения электронов вокруг молекулы, а не локализации вокруг атомов, в отличие от теории валентной связи или теории VB. Электроны в атомах расположены на орбиталях внутри подоболочек внутри оболочек. Как правило, именно электроны на орбиталях в самой внешней оболочке участвуют в химической связи, хотя есть исключения из этого. Орбиталь может содержать максимум два электрона, которые должны иметь противоположные спины. В теории молекулярных орбиталей, когда два атома образуют химическую связь, атомные орбитали связывающих электронов объединяются, образуя молекулярные орбитали с похожими правилами, касающимися числа и спина электронов.

Электроны, как и все субатомные частицы, могут вести себя как волны. Вместо того, чтобы занимать определенную точку в пространстве в данный момент времени, электрон распределяется по всем возможным местоположениям вокруг атомного ядра, и его положение может быть выражено только через вероятность. Уравнение, разработанное физиком Эрвином Шредингером, может быть использовано для определения «волновой функции» атомной орбитали, что дает вероятность обнаружения электрона в разных местах вокруг ядра с точки зрения распределения электронной плотности. Теория молекулярных орбиталей объясняет атомную связь, добавляя волновые функции атомных орбиталей, участвующих в связывании, чтобы дать волновые функции для молекулярных орбиталей, охватывающих всю молекулу.

Поскольку уравнение волновой функции дает как положительные, так и отрицательные значения, известные как фазы, создаются две молекулярные орбитали. В первом атомные орбитали складываются по фазе - положительно-положительно и отрицательно-отрицательно. Второй тип - тот, где они не в фазе - отрицательный к положительному и положительный к отрицательному.

Синфазное сложение дает молекулярную орбиталь с электронной концентрацией, сконцентрированной в пространстве между ядрами, сближая их и приводя к конфигурации с более низкой энергией, чем две исходные атомные орбитали вместе взятые. Это известно как связь орбиты. Внефазное сложение приводит к тому, что электронная плотность концентрируется вдали от пространства между ядрами, оттягивая их дальше друг от друга и создавая конфигурацию с более высоким энергетическим уровнем, чем атомные орбитали. Это известно как орбиталь против связи. Электроны с атомных орбиталей, участвующих в связывании, предпочтительнее заполнять низкоэнергетические связывающие молекулярные орбитали.

Чтобы определить природу связи между двумя атомами, «порядок связи» рассчитывается следующим образом: (связывающие электроны - антисвязывающие электроны) / 2. Нулевой порядок связи означает, что никакого соединения не будет. Для сравнения, порядок связи 1 означает одинарную связь, а 2 и 3 - двойную и тройную связь соответственно.

В качестве очень простого примера, связь двух атомов водорода может быть описана в терминах молекулярно-орбитальной теории. Каждый атом имеет только один электрон, обычно на орбите с наименьшей энергией. Волновые функции этих орбиталей складываются, давая связь и антисвязывающую орбиту. Два электрона заполнят низкоэнергетическую связывающую орбиту без электронов на антисвязывающей орбитали. Следовательно, порядок связи (2 - 0) / 2 = 1, что дает одинарную связь. Это согласуется с теорией VB и с наблюдением.

Взаимодействие двух атомов следующего элемента в периодической таблице, гелия, дает другой результат, поскольку в каждом атоме гелия на орбитали находятся два электрона. Когда добавляются волновые функции, образуется связующая и антисвязывающая орбитали, как с водородом. На этот раз, однако, участвуют четыре электрона. Два электрона будут заполнять связывающую орбиту, а два других должны будут заполнить высшую энергию антисвязывающей орбитали. Порядок связывания на этот раз (2 - 2) / 2 = 0, поэтому связывание не будет. Опять же, это согласуется с теорией VB и наблюдением: гелий не образует молекулы.

Теория молекулярных орбиталей также правильно предсказывает двойные и тройные связи для молекул кислорода и азота соответственно. В большинстве случаев теория МО и теория валентных связей согласуются; однако первое лучше объясняет молекулы, где порядок связи лежит между одинарной и двойной связью, и магнитные свойства молекул. Основным недостатком молекулярно-орбитальной теории является то, что, за исключением очень простых случаев, таких как описанные выше, вычисления гораздо сложнее.