4.3.7. Теорія молекулярних орбіталей

Енергетичний стан електрона в атомі має назву атомної орбіталі (АО). Енергетичний стан електронів, що беруть участь у зв’язку, називається молекулярною орбіталлю (МО). З певного числа атомних орбіталей утворюється таке ж число молекулярних орбіталей. З кожних двох атомних орбіталей утворюються дві молекулярні: зв’язувальна (МО_зв), у якій енергія менша від енергії вихідних атомів орбіталей, і розпушувальна (МО_роз), у якій енергія, навпаки, більша (рис. 14).

Рис. 14. Енергетична діаграма молекулярних орбіталей

Заповнення молекулярних орбіталей електронами підкоряється всім законам заповнення атомних орбіталей:

1. Молекулярні орбіталі заповнюються в порядку збільшення їх енергії, починаючи з орбіталей найнижчого енергетичного рівня.

2. Відповідно до принципу Паулі в молекулі не може бути двох електронів з усіма однаковими квантовими числами. Тому на кожній молекулярній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів і тільки в тому випадку, коли спіни електронів антипаралельні.

3. Заповнення молекулярних орбіталей одного енергетичного підрівня підкоряється правилу Гунда. Спочатку енергетично рівноцінні МО заповнюються одиночними електронами, а потім відбувається спарювання нових електронів з тими, що є на орбіталі.

Теорія молекулярних орбіталей пояснює багато експериментальних фактів, які не змогла розтлумачити теорія валентних зв’язків. Наприклад, чому є стійка молекула Н₂, іон Не і немає молекули Не₂ (рис. 15).

Е МО _роз Е МО _роз Е МО _роз

АО АО АО АО АО АО

1s 1

1s 1s 1s 1s 1s 1s

МО_зв МО_зв МО_з

Н₂ Не Не₂

Рис. 15. Енергетична діаграма й заселеність орбіталей в молекулі Н₂,

іоні Не і системі Не – Не

Стійка молекула утворюється тільки у випадку виділення енергії, тобто коли кількість електронів на зв’язувальних орбіталях більша, ніж на розпушувальних. Ця вимога виконується у випадку утворення Н₂, Не і не виконується при утворенні Не₂. Тому молекули гелію та інших інертних газів одноатомні.

4.3.8. Сучасна теорія хімічного зв’язку

Квантова хімія – сучасне вчення про хімічну і кристалохімічну будову речовини, а також про взаємозв’язок між будовою та властивостями на основі уявлень і методів квантової механіки. Таким чином, квантова хімія являє собою дисципліну на стику фізики й хімії і має першорядне значення для всієї сучасної хімії.

Усі відомості про будову й властивості молекул, радикалів, іонів можуть бути отримані розв’язуванням рівняння Шредингера для систем ядер і електронів. Однак точне розв’язування цього рівняння наштовхується на практично непереборні математичні труднощі, тому використовують наближені методи обчислювання.

У сучасній хімії застосовуються три методи квантово-механічного розглядання хімічних об’єктів: метод валентних зв’язків (МВЗ), метод молекулярних орбіталей (ММО) і теорія кристалічного поля (ТКП). Розрахунки в межах будь-якої з цих теорій наближені, але для даної молекули (або іншої частинки) вони повинні приводити до схожого результативного розподілу електронів по енергетичних рівнях. Для МВЗ і ММО найбільш суттєвим є усуспільнення зв’язувальних електронів, концентрування електронної компактності між ядрами атомів, перекривання електронних хмар взаємодіючих атомів.

ТКП застосовується для розрахунків у випадках іонних кристалічних граток і комплексних сполук. ММО трактує молекулу в цілому, тоді як для хімії більш важливі характеристики її окремих атомних сполук: валентних зв’язків і фрагментів молекули.

Ці питання більш наочно розглядає МВЗ. В той же час ММО автоматично враховує і стан молекул, чого не можна сказати про МВЗ.

Таким чином, три теорії хімічного зв’язку не виключають одна одну, а взаємно доповнюють.