אורביטל מולקולרי

אורביטל מולקולרי היא תאוריה מדעית ופונקציה מתמטית בכימיה המתארת את המיקום וההתנהגות הגלית של האלקטרון במולקולה. פונקציה זו מאפשרת לחשב תכונות כימיות ופיזיקליות כדוגמת ההסתברות למצוא את האלקטרון בכל נקודה מוגדרת. אורביטלים מולקולריים נוצרים משילוב של האורביטלים האטומיים היוצרים אותם. בניגוד לאורביטל אטומי הממוקם סביב הגרעין של אטום מסוים, אורביטל מולקולרי ממוקם סביב שני גרעינים של אטומים (או יותר) במולקולה. לכל מולקולה מערך אורביטלים מולקולריים משלה כמו שלכל אטום בודד מערך אורביטלים אטומיים משלו. בעת היווצרות המולקולה, יוצרים האורביטלים האטומיים של האטומים המתקרבים זה לזה, מערך של אורביטלים חדשים- אורביטלים מולקולריים. כאשר אנרגיית האורביטלים המולקולריים המתקבלים נמוכה מאנרגיית האורביטלים האטומים המרכיבים אותם, יקרא המצב אורביטל קושר, והוא מבוסס על התאבכות בונה. כאשר האנרגיה המתקבלת גבוהה מאנרגיית האורביטלים האטומיים, יקרא המצב אורביטל אנטי קושר, והוא מבוסס על התאבכות הורסת. במצב בו האנרגיות שוות, יקרא המצב אורביטל לא קושר. אורביטל מולקולרי (MO) יכול לשמש בכדי לייצג אזורים במולקולה בהם האלקטרון שמאכלס את האורביטל יכול להימצא בהם. האורביטלים המולקולריים הם פתרונות מקורבים למשוואת שרדינגר עבור אלקטרונים. חישוב האורביטלים באופן ישיר הוא מורכב, ועל כן נעשה שימוש בקומבינציה של אורביטלים אטומיים, שמאפשרים להעריך את המיקום של האלקטרונים באטום. רוב השיטות בכימיה חישובית כיום מתחילות בחישוב האורביטלים המולקולריים של המערכת. אורביטל מולקולרי מתאר את ההתנהגות של אלקטרון אחד בשדה המגנטי שנוצר על ידי הגרעין והתפלגות ממוצעת של האלקטרונים האחרים. במקרה בו שני אלקטרונים מאכלסים את אותו האורביטל, כללי האכלוס של פאולי דורשים כי לשני האלקטרונים יהיה ספין הפוך. אורביטלים מולקולריים מבוססים על אינטראקציות מותרות בין אורביטלים אטומיים, שמתאפשרים אם הסימטריות של האורביטלים האטומיים מתאימים אחד לשני. מספר האורביטלים המולקולריים שנוצרים חייב להיות שווה למספר האורביטלים האטומיים באטומים שמתחברים ליצירת המולקולה. כאשר שני אורביטלים אטומיים יוצרים אינטראקציה, התוצאה היא אחת משלושת סוגי האורביטלים המולקולריים: קושר, אנטי-קושר ולא-קושר. אורביטל קושר: האינטראקציות בין האורביטלים האטומים יוצרים התאבכות בונה. האורביטל המולקולרי המתקבל הוא באנרגיה נמוכה יותר מאשר האורביטלים האטומיים היוצרים אותו. אורביטל אנטי-קושר: האינטראקציות בין האורביטלים האטומיים יוצרים התאבכות הורסת. לאורביטל המולקולרי המתקבל אנרגיה גבוהה מזו של האורביטלים האטומיים המרכיבים אותו. זהו אורביטל בו צפיפות המטען באזור בין הגרעינים נמוכה (ההסתברות למצוא אלקטרונים אפסית, כתוצאה מחיסור גלים). אורביטל לא-קושר: האורביטלים הלא-קושרים הם תוצאה של חוסר אינטראקציה בין האורביטלים האטומיים, אשר נובעת מאי התאמה של הסימטריות. האנרגיה שלהם תהיה שווה לזו של האורביטלים האטומיים של אחד האטומים במולקולה. קיימים מספר סוגי אורביטלים מולקולריים, העיקריים שבהם הם אורביטל פי ואורביטל סיגמא. אורביטל סיגמא (σ): אורביטל סימטרי ביחס לקו המחבר את שני הגרעינים. הוא נוצר מחפיפה של שני אורביטלי s אטומיים במישור הקשר (לאורך הקו המחבר בין שני הגרעינים). באורביטלים אלו צפיפות האלקטרונים המרבית היא בין גרעיני האטומים, על הציר המקשר ביניהם. אורביטל פאי (π): אורביטל שנוצר מחפיפה בין שני אורביטלים אטומיים בניצב למישור הקשר. באורביטלים אלו צפיפות האלקטרונים המרבית היא בין גרעיני האטומים, מעל ומתחת לציר המקשר ביניהם. •אורביטלים מולקולריים נוצרים מחיבור וחיסור של אורביטלים אטומיים הדומים ברמת האנרגיה ובצורה המרחבית. •מחיבור וחיסור של שני אורביטלים אטומיים נוצרים שני אורביטלים מולקולריים. •שני האורביטלים המולקולריים שנוצרים הם אורביטל קושר - בעל אנרגיה נמוכה מזו של שני האורביטלים האטומיים, ואורביטל אנטי קושר - בעל אנרגיה גבוהה מזו של האורביטלים האטומיים •מאכלסים את האורביטלים המולקולריים באלקטרונים החל מהאורביטל בעל האנרגיה הנמוכה ביותר. •בכל אורביטל אפשר לאכלס עד שני אלקטרונים בעלי ספין הפוך (על פי עקרון פאולי). •באורביטלים מנוונים (בעלי אנרגיה זהה) מאכלסים אלקטרון אחד בכל אורביטל לפני שמוסיפים את האלקטרון השני (על פי כלל הונד). סדר הקשר הוא מדד מספרי המאפשר לצפות את יציבותן היחסית של מולקולות דו אטומיות. סדר הקשר מחושב על פי ההפרש בין מספרים האלקטרונים באורביטלים הקושרים למספר האלקטרונים באורביטלים האנטי קושרים, לחלק ב-2. ככל שסדר הקשר גדול יותר, הקשר יציב יותר וכשסדר הקשר הוא אפס הקשר אינו יציב. אורביטלי HOMO ו-LUMO נקראים גם אורביטלי החזית. הפרש האנרגיה ביניהם מאפשר להבין מנגנונים של תגובות בכימיה ולהסביר את צבעיהם של חומרים מולקולריים. האורביטל המולקולרי הגבוה ביותר באנרגיה שמאוכלס באלקטרונים נקרא HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital). האורביטל המולקולרי בדיאגרמת אורביטלים מולקולריים שמעליו, שהוא האורביטל הנמוך ביותר באנרגיה שאינו מאוכלס באלקטרונים, נקרא LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). אורביטל מולקולרי יעיל להבנה של קישור בין ליגנדים למתכות (אורבילות d). כימיה מכל וחול: מרמת הננו למיקרואלקטרוניקה בהוצאת משרד החינוך בשיתוף הטכניון הרחבה בנושא סוגי האורביטלים, סרטונים באתר אוניברסיטת טקסס מאמרים בנושא אורביטלים מולקולרים באתר ScienceDirect