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反結合性軌道 (反結合性軌道とも呼ばれる) は、分子軌道の一種であり、エネルギー準位が高く、結合してそれを生成する原子軌道よりも安定性が低いことを特徴としています。このため、電子を収容することによって分子の安定性を低下させ、結合を弱くするのは軌道です。
実際、反結合軌道に電子が存在すると、2 つの原子間の共有結合の順序が減少します。これが、反結合の「アンチ」の由来です。
反結合性軌道の概念をよりよく理解するために、分子軌道の理論を簡単に説明する必要があります。
分子軌道理論
観察された化学結合 の特徴を説明しようとするいくつかの理論があります。最も広く普及している 2 つの理論は、原子価結合理論と分子軌道理論です。後者は、2 つの原子が互いに化学的に結合すると、それらの原子軌道が結合して、各原子に個別に属するのではなく、分子全体に属する新しい一連の軌道を形成すると述べています。言い換えれば、分子軌道のセットまたはセットが形成されます。
つまり、原子に原子軌道があるように、分子も形成されると、分子を構成する原子のすべての電子が分布する分子軌道を形成します。これらの分子軌道に電子がどのように満たされるかは、原子の電子配置の分子当量を表し、分子の性質を大きく決定します。
分子軌道の形成
分子軌道は、原子軌道の線形結合によって形成されます。数学的に言えば、分子軌道は共有結合で結ばれた2つの原子の原子軌道の波動関数の線形結合によって得られる波動関数で表されることを意味します。
一般的に言えば、結合している 2 つの原子軌道のエネルギーが類似しているほど、それらは結合しやすくなるため、等核二原子分子 (同じ元素の 2 つの原子によって形成される) では、原子の 1s 軌道は完全に結合します。もう一方の 1s 軌道、2s は 2s と結合し、2p は 2p などと結合します。
結合と反結合の分子軌道
量子力学は、原子軌道が結合して新しい分子軌道を生成する方法を規定する一連の規則を確立します。まず、これらの規則は、形成される分子軌道の数は、結合される原子軌道の数と常に等しくなければならないと述べています。
一方、2つの原子軌道を組み合わせると、形成される分子軌道の一方は常に元の原子軌道よりもエネルギーが低く、他方はエネルギーが高くなります。同じサブレベルの複数の原子軌道が組み合わされた場合 (たとえば、3 つの p 軌道、5 つの d 軌道)、同じ数の分子軌道も形成され、半分はエネルギーが低く、残りの半分はエネルギーが高くなります。エネルギー。エネルギー。ただし、これらの軌道のエネルギー分布は、下の図に示すように、組み合わせる特定の原子によっては複雑になる可能性があります。
いずれの場合も、電子を最高エネルギーの分子軌道に配置すると、分子が不安定になり、2 つの原子間の共有結合が弱まります。つまり、原子軌道を組み合わせて形成されるエネルギーが最も高い分子軌道の集合が、反結合性分子軌道に相当します。これらの軌道は、軌道記号に上付きのアスタリスクを付けることで識別されます。
反結合軌道と破壊的干渉
前述のように、原子軌道の組み合わせは波動関数の組み合わせです。これは、分子軌道が本質的に2つの波の干渉の結果であることを意味し、これらの場合の常として、この干渉は、2つの波が同相であるかどうかに応じて、建設的または破壊的になる可能性があります.
この意味で、分子軌道を形成するときに 2 つの極端なケースが発生する可能性があります。
- つまり、2 つの原子核間では、両方の軌道が同じ位相にあるため、建設的な干渉が生じます。この場合、電子が２つの原子の間にある確率が高い分子軌道が得られ、結合分子軌道を表す。
- 2 つの原子軌道が反対の位相にあるため、2 つの原子核間にノードが形成されると破壊的な干渉が発生します (つまり、波動関数は 2 つの原子核の間の中間点でゼロになります)。この場合、2 つの原子間に電子が入る確率はゼロなので、これらの軌道は反結合性分子軌道を表します。
σ (シグマ) および π (パイ) 反結合性軌道
分子軌道理論は、原子価結合理論からいくつかの概念を借用しています。この理論によれば、原子軌道が結合軸に沿って整列している場合、または原子軌道が平行に配向している場合、軌道は正面から重なり合う可能性があります。原子価結合理論によれば、これにより、σ (シグマ) 結合と π (パイ) 結合の 2 つのクラスの化学結合が生じます。
分子軌道理論の観点から、このオーバーラップは、σ および π 分子軌道の形成として解釈されます。これは、分子が形成されると、結合するσとπの分子軌道と、反結合のσとπの分子軌道の両方が形成できることを意味します。反結合性 π 軌道は、p,dof 原子軌道間でのみ形成できますが、s 軌道間では形成できません。
反結合性軌道と結合秩序
反結合性軌道がその名前を得た理由の 1 つは、これらの軌道に電子を配置すると、2 つの原子間の共有結合が弱まるためです。これは、これらの電子の存在によって結合次数が減少するために発生します。結合次数は、結合した 2 つの原子間で効果的に共有される電子対の数を表します。結合次数は、次の式を使用して計算できます。
どこで は結合分子軌道の電子数（結合電子）、e * antienlは反結合軌道の電子数（反結合電子）を表します。反結合電子の数が多いほど、結合次数は低くなります。
両方の電子の数が等しい場合、結合次数はゼロになるため、原子は互いに結合できません。これはまさに、電子殻が完全に満たされた希ガスの場合に起こることであり、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの分子が存在しない理由を説明しています.
反結合性軌道の形成の図解
下の図は、周期表の第 2 周期の 2 つの同一原子が結合して等核二原子分子を形成するときの分子軌道の形成を示しています。
ご覧のとおり、2 つの原子軌道の組み合わせは常に 2 つの分子軌道を生成するため、前の図のように 5 つの原子軌道に電子を持つ 2 つの原子を組み合わせると、合計 10 個の分子軌道が生成されます。ご覧のとおり、10 個の分子軌道のうち、3 個は反結合の σ 軌道であり、2 個は反結合の π 軌道です。残りの半分は結合軌道です。
上記を説明するために、窒素分子 (N 2 )、周期表の元素 7、および第 2 周期の元素の形成を以下に示します。
この例では、分子の電子配置は
この電子配置に基づいて、結合順序は次のようになると判断できます。
これは、窒素分子が、この元素の 2 つの原子が 3 対の電子によって、または同じように三重結合によって結合されていることを示しています。
参考文献
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