分子軌道

分子軌道(MO)とは

分子軌道（ぶんしきどう、MO）は、分子内の電子の挙動を記述するための波動関数です。この概念は、化学結合の理解や分子の性質を解析するために重要です。MOは、シュレーディンガー方程式を用いて求められ、分子中の電子が見出される確率を示す各電子波動関数として考えることができます。分子の形成に際して、原子の原子軌道が結合し、新たな分子軌道が生成されるのです。

分子軌道の定義

分子軌道は、電子が存在する空間的領域を表し、原子軌道の重なりを通じて作り出されます。この関数は、特定の場所に電子が見つかる確率を示すため、化学的および物理的特性を計算する際に用いられます。「オービタル」という言葉は1932年にロバート・マリケンによって導入されました。この理論に基づく解析により、分子の電子構成や結合の性質が明らかになっています。

分子軌道の形成と性質

分子軌道は、原子軌道間の相互作用によって形成され、原子の対称性やエネルギーの近似性が鍵となります。特に、二つの原子の原子軌道が重ならなければ、分子軌道の発生は不可能です。このため、結合の強さや性質はこれらの階級（結合性、反結合性、非結合性）によって分類されることが多いです。

MOの種類

1. 結合性MO: 原子間の相乗的な相互作用から生じ、エネルギー的に低い。
2. 反結合性MO: 原子間の相殺的な相互作用から生じ、エネルギー的に高い。
3. 非結合性MO: 相互作用が生じていないため、エネルギー的には原子軌道と等しい。

分子軌道の特性

分子軌道は、その対称性によって分類でき、例えばσ（シグマ）、π（パイ）、δ（デルタ）のように定義されます。各MOにおける対称性は、軌道間の重なりによって決まります。特にσ対称性を持つ軌道は、原子核間の軸に関して対称であり、π対称性を持つものは非対称です。

HOMOとLUMOの概念

最高被占分子軌道（HOMO）と最低空分子軌道（LUMO）は、分子の励起状態を理解する上で重要な役割を果たします。これらのエネルギー差（バンドギャップ）は、分子が励起される可能性の指標となります。これらの構造を利用することで、化学反応のメカニズムの理解が進むのです。

実例による理解

例えば、水素[分子]を考えると、二つの1s軌道が結合して結合性[分子]]軌道が形成され、その結果、単結合が生まれます。一方で、ヘリウム分子]では、反結合性軌道が[[電子を占有するため、分子自体は不安定で存在しません。このように、分子軌道の理解は分子の構造と性質を明確にする上で不可欠です。

まとめ

分子軌道の理論は、現代の化学において非常に重要な要素です。分子の形成や性質を解析するための強力な道具を提供し、より深い分子間相互作用の理解を促進しているのです。

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