分子軌道説とこうはいせつの違い

分子軌道理論と混成理論の主な違いは、分子軌道理論が結合軌道と反結合軌道の形成を記述するのに対して、混成理論は混成軌道の形成を記述することである...。

分子軌道理論と混成理論の主な違いは、分子軌道理論が結合軌道と反結合軌道の形成を記述するのに対して、混成理論は混成軌道の形成を記述することである。

分子の電子・軌道構造を決定するために開発された理論には、vsEPR理論、ルイス理論、価電子結合理論、混成理論、分子軌道理論などがあり、これらの理論は重要である。その中で最も受け入れられているのが、分子軌道説である。

カタログ

1. 概要と主な相違点 2. 分子軌道説とは 3. 混成説とは 4. 横並び比較-分子軌道説と混成説 5. まとめ

分子軌道説は何ですか？

分子軌道理論とは、量子力学を用いて分子の電子構造を記述する手法である。分子の化学結合を説明するのに最も効果的な方法です。この理論について、詳しく説明しよう。

まず、分子軌道とは何かを知る必要がある。化学結合は、2つの原子核の間にある電子の間の正味の吸引力が、2つの原子核の間の静電的反発を上回ったときに形成される。基本的には、この2つの原子の間の引力は、この2つの原子の間の反発力よりも大きくなければならないということである。ここで、この結合を形成するためには、「結合領域」と呼ばれる領域に電子が存在する必要がある。そうでなければ、電子は「反結合領域」にあることになり、原子間の反発を助長してしまう。

しかし、これらの条件を満たし、2つの原子間に化学結合が形成された場合、結合に関連する対応する軌道を分子軌道と呼びます。ここでは、2つの原子の2つの軌道から始まり、2つの原子に属する1つの軌道（分子軌道）で終わることができます。

量子力学では、原子軌道は思い通りに現れたり消えたりすることはできない。軌道同士が相互作用すると、それに応じて軌道の形が変化する傾向があります。しかし、量子力学によれば、形を変えるのは自由だが、軌道の数は同じでなければならない。そして、足りない軌道を見つける必要がある。ここで、2つの原子軌道の均質な組み合わせは結合軌道を、不均質な組み合わせは反結合軌道を形成します。

分子轨道理论(molecular orbital theory)和杂交理论(hybridization theory)的区别

図01：分子軌道図

結合電子は結合軌道を占有し、反結合軌道にある電子は結合に関与しない。その代わり、これらの電子は化学結合の形成に積極的に反対する。結合軌道は、反結合軌道よりもポテンシャルエネルギーが低い。σ結合を考える場合、結合軌道をσ、反結合軌道をσ*と表記する。この理論を使って、複雑な分子の構造を説明することで、なぜ存在しない分子（He2など）があるのか、分子の結合順序を説明することができるのです。そこで、分子軌道理論の基本を簡単に説明する。

ハイブリッド化理論は何ですか？

混成理論は、分子軌道の構造を記述するために用いる手法である。混成とは、2つ以上の原子軌道が混ざり合い、混成した軌道を形成することである。これらの軌道の向きによって、分子の形状が決定される。価電子結合理論の延長線上にある。

原子軌道が形成される前は、それぞれ異なるエネルギーを持っていますが、形成後はすべての軌道が同じエネルギーを持つようになります。例えば、s原子軌道とp原子軌道を組み合わせて、2つのsp軌道を形成することができる。s原子軌道とp原子軌道は異なるエネルギーを持つ（sのエネルギー＜pのエネルギー）。しかし、混成後は、個々のs軌道とp軌道のエネルギーの中間にある、同じエネルギーを持つ2つのsp軌道を形成する。さらに、このsp混成軌道は、s軌道とp軌道が50%ずつ混在する性質を持つ。

図02：炭素原子のハイブリッド軌道と水素原子のs軌道の結合の様子

混成という考え方は、CH4などの特定の分子の構造を、価電子結合理論が正しく予測できないことを科学者たちが発見したときに、初めて議論されるようになった。ここで、炭素原子は電子配置上、不対電子を2個しか持っていないが、4個の共有結合を形成することができる。4つの結合を形成するためには、4つの不対電子が必要である。

この現象を説明するには、炭素原子のs軌道とp軌道が融合して、同じエネルギーを持つハイブリッド軌道と呼ばれる新しい軌道を形成していると考えるしかないのだ。ここで、s+3pは4つのsp3軌道を与える。したがって、電子はフントの法則に従って、これらの混成軌道を均等に（混成軌道あたり1個の電子）埋める。そして、4個の電子が4個の水素原子と4個の共有結合を形成している。