質問: 結合性軌道と反結合性軌道とは? 結合性軌道と反結合性軌道とはどういうものなのでしょうか? 調べてみたのですが少し専門的で理解できませんでした。 初心者にも分かる程度にご教授お願いいたします。 また、「水素の分子軌道において、基底状態では反結合性軌道に電子が含まれない」ということも合わせて教えていただけるとうれしいです。
回答: 分子の化学結合理論で、分子軌道法という理論の中で使われます。 文だけで分かりづらいと思うので画像をご覧ください。 まず、簡単に水素原子2つから水素分子1つができる過程を考えます。 それぞれの水素は1s軌道に電子を1つずつ持っています。 この2つの1s軌道は相互作用し、エネルギーの異なる2つの軌道ができます。 このときエネルギーの低い方の軌道は、2つの軌道の電子波の位相(波動関数の符号)を合わせて重なります。 すると重なった部分(2つの原子間)の電子密度が高くなり、この軌道の電子は2つの原子核を引き寄せ結合を生成しますから、「結合性軌道」と呼ばれます。 しかしエネルギーの高い方の軌道では、2つの軌道の電子波は位相を逆向きにして重なるのです。 すると、重なった部分の電子密度は低くなり、2つの原子間とは反対方向の電子密度が高くなります。 結果、この軌道はそれぞれの原子を結合とは逆向きに引き離し、結合を破壊する性質を持つので「反結合性軌道」と呼ばれます。 水素分子h2では、このように2つの1s軌道から結合性軌道・反結合性軌道ができます。 電子は合わせて2つです。パウリの原理に従い、エネルギーの低い軌道から電子を詰めていくと、2つの原子はどちらも結合性軌道に位置します。 反結合性軌道には電子は入っていません。 結合次数は (結合性軌道中の電子 + 反結合性軌道中の電子)/2 で求められます。水素分子の結合次数は1となります。 水素分子の結合は単結合である、ということに一致していますね。 分子軌道法はこのように考えます。