10.8: 分子轨道理论 I

分子轨道理论概述

分子轨道理论描述分子中电子分布的方式与使用原子轨道描述原子中电子分布的方式相同。 量子力学通过波函数Ψ描述分子中电子的行为，类似于原子中的行为。 就像隔离原子周围的电子一样，分子原子周围的电子仅限于离散 (量化) 能量。 分子中可能发现价电子的空间区域称为分子轨道(Ψ²)。 与原子轨道一样，当分子轨道包含两个旋转相反的电子时，它就会满电。

原子轨道的线性组合

组合原子轨道以生成分子轨道的数学过程称为 原子轨道线性组合（LCAO）。 量子力学将分子轨道描述为原子轨道波函数的组合。 结合使用波可能会导致建设性或破坏性干扰。 在轨道中，波可以与电子密度概率较高的相位波生产区域和相位波生产节点相结合，或者与无电子密度的区域相结合。

键和反键分子轨道

两个原子的轨道在相邻原子上的重叠可以形成两种类型的s分子轨道。 相位组合产生较低的能量 σ_s 分子轨道 (读作“ sigma-s ”) ，其中大多数电子密度直接在核子之间。 相位添加 (或减去波函数) 会产生更高的能量 σ_s* 分子轨道 (读作"sigma-s-star") ，其中核子之间有一个节点。 星号表示轨道为反键轨道。 σs轨道中的电子同时被两个核吸引，比隔离原子中的电子更稳定 (低能量)。 向这些轨道中添加电子会产生一个将两个核保持在一起的力，因此这些轨道称为键轨道。 σ_s* 轨道中的电子离两个核子之间的区域很远。 核和这些电子之间的吸引力将两个核分开。 因此，这些轨道称为反键轨道。 电子在能量较高的反键轨道之前填充低能量的键轨道。  

在 p 轨道中，波函数产生两个相位相对的叶。 当同一相位的轨道凸缘重叠时，建设性波干扰会增加电子密度。 当反相区域重叠时，破坏性波干扰会降低电子密度并生成节点。当p 轨道端到端重叠时，它们会创建 σ 和 σ * 轨道。 两个p 轨道的并排重叠产生了一个 PI (π) 键分子轨道和一个 π * 反键分子轨道。 π 轨道中的电子与这两个核相互作用，有助于将这两个原子保持在一起，从而使其成为键轨道。 对于离相组合，有两个节点平面形成，一个沿核间轴，另一个在核之间垂直。  

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第8.4节：分子轨道理论。
 

分子轨道理论描述了电子 在整个分子中的分布，而不是将它们定位在原子之间的特定键上。像原子轨道一样，分子轨道 也是波函数，描述电子可能在何处。这些函数是通过被称为原子轨道 线性组合的数学过程估算的。波可以相长地 或相消地发生相互作用。同相原子轨道之间 的相长干涉对应于带正电的原子核 之间更大的电子密度，从而使分子更稳定。该成键分子轨道的能量低于 任何一个原始原子轨道的能量。异相原子轨道之间的相消干涉 对应于原子核之间的 节平面中较低的电子密度，从而使分子的稳定性降低。该反键分子轨道在能量上高于 原子轨道，并标有星或星号。分子轨道按原子轨道 重叠的方式分类。沿着核间轴的原子轨道的头对头 组合，例如两个 s 轨道或 两个头对头 p 轨道之间的重叠，会产生 sigma（σ）分子轨道。sigma（σ）轨道电子密度 以核间轴为中心。侧向重叠，例如两个 p 轨道的肩并肩 重叠，会导致 pi（π）分子轨道。此处，电子密度集中在核间轴的 相对两侧。三个不同 p 轨道方向 意味着通常一对 p 轨道头对头重叠，而另外两对 p 轨道则肩并肩重叠。pi（π）成键轨道通常能量相等 或简并，pi（π）反键轨道也是如此。如果轨道的能量相似且 对称性匹配，则轨道可以重叠。因此，两个 2s 轨道可以重叠，但是 2s 轨道 与 1s 或 2p 轨道的重叠通常可以忽略不计。