Molekyyliorbitaali

Molekyyliorbitaali on aaltoyhtälön ratkaisu molekyyliyhdisteelle ja kuvaa elektronin esiintymistodennäköisyyttä moniatomisessa molekyylissä. Koska alkuaineet ovat erilaisia atomiorbitaalien suhteen, molekyyliorbitaalien muoto vaihtelee suuresti. Kemiassa usein käytetty teoria on LCAO (lineaarinen atomiorbitaalien kombinaatio eli yhdistäminen), joka kuvailee riittävän kovalenttisen sidoksen orbitaalit (nimeltään esimerkiksi sigma, pi) atomiorbitaalien lineaarikombinaationa. 

Elektronit käsitetään aaltoliikkeeksi, jota voidaan kuvata matemaattisella funktiolla, aaltoyhtälöllä, joka määrittelee elektronien energian ja sen alueen, missä elektroni on tavattavissa suurimman osan ajastaan. Näin saadaan elektronin tilaa kuvaava matemaattinen funktio, jota sanotaan orbitaaliksi. Orbitaalilla tarkoitetaan siis tilaa atomiytimen ympärillä, jossa tietyn energian omaava elektroni tai elektronipari sijaitsee 90–95 % ajastaan. 

Molekyylin muodostuessa atomiorbitaalit yhdistyvät ja uudelleenjärjestyvät, jolloin muodostuu uusia avaruudellisesti eri tavoin suuntautuneita molekyyliorbitaaleja. Tätä muutosta sanotaan hybridisaatioksi. Hybridisaatiolla siis tarkoitetaan atomiorbitaalien uudelleenjärjestymistä.

Esimerkiksi kun hiiliatomi sitoutuu yksinkertaisilla sidoksilla neljään muuhun atomiin, muodostuu neljä samanlaista ja samanenergiaista molekyyliorbitaalia, joissa kussakin on vain yksi elektroni. Hybridisoituneen hiiliatomin 2s2- ja 2p2-orbitaalit ovat järjestäytyneet uudelleen neljäksi samanlaiseksi sp3-hybridiorbitaaliksi. 

Vastaavasti eteenissä, jossa hiiliatomien välillä on kaksoissidos C=C, molekyyliorbitaalit ovat muodostuneet yhden s-orbitaalin ja kahden p-orbitaalia hybridisoituessa kolmeksi sp2-hybridiorbitaaliksi. Yksi p-orbitaali jää muuntumatta ja se muodostaa kaksoissidoksen pii-sidoksen.

Kun hiiliatomi muodostaa kolmoissidoksen, kuten esimerkiksi asetyleenissä, hiilen s- ja p-orbitaalit yhtyvät kahdeksi sp-hybridiorbitaaliksi. Kaksi p-orbitaaleista jää hybridisaation ulkopuolelle. Kolmoissidokselliset hiiliatomit liittyvät toisiinsa yhdellä sp-orbitaalien muodostamalla sigma-sidoksella ja kahdella p-orbitaalien muodostamalla pii-sidoksella.

Elektronin keskimääräinen sijoittuminen orbitaalille määrää alkeisvaruksen paikan, mikäli se halutaan sijoittaa jonnekin. Kemian tarpeissa on usein riittävää jakaa alkeisvaraus sidoksen muodostavien atomiydinten välille (ns. osittaisvarauksiin), koska kemiassa käsitellään enimmäkseen elektronien siirtymisiä atomilta toiselle (kemiallinen reaktio), niiden sijoittumista atomiydinten ympäristöön (rakennekaava), ja niiden sähkömagneettisia vaikutuksia ympäristöönsä (kemiallinen konformaatio).

Katso myös
Rajaorbitaalit

Lähteet

Kvanttikemia
Molekyylifysiikka