3.3.1   Teoria orbitali molekularnych

Zakłada się w niej, że orbital cząsteczkowy powstaje w wyniku nakładania się orbitali atomowych atomów tworzących wiązanie. Pozwala to traktować funkcję falową elektronu w cząsteczce jako liniową kombinację funkcji falowych opisujących orbitale atomowe:

W równaniu stałe c_A i c_B dobrane są tak, by energia orbitalu cząsteczkowego osiągała minimum.

Dla dwuatomowej cząsteczki takich samych atomów typu A₂ rozwiązaniem funkcji falowej elektronu w cząsteczce są dwie funkcje własne: orbital wiążący oraz orbital antywiążący. Orbitale te różnią się energią, przy czym orbital wiążący charakteryzuje się mniejszą energią od wyjściowych orbitali atomowych, a orbital antywiążący większą (rys.20).

Rysunek 20. Energia orbitali atomowych i molekularnych.

 Trwałość wiązania zależy od ilości elektronów na obu typach orbitali. Jeśli ilość elektronów na orbitalach wiążących jest większa od ilości elektronów na orbitalach antywiążących, to wiązanie jest trwałe.

W przypadku atomów, które tworzą wiązania z udziałem orbitali atomowych s – s, s - p lub współliniowo leżących orbitali p (p_y – p_y; oś y jest kierunkiem zbliżania się atomów) powstaje wiążący orbital cząsteczkowy i antywiążący orbital cząsteczkowy ^*. Orbital wiążący charakteryzuje się zwiększoną gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami. Para elektronów zajmująca ten orbital nosi nazwę wiążącej i tworzy trwałe wiązanie. Orbital antywiążący ^* charakteryzuje się mniejszą gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami, co powoduje, że jądra atomów odpychają się. Ilustracją tworzenia wiązań i ^* są oddziaływania międzyatomowe w cząsteczce H₂ i nie istniejącej cząsteczce He₂. Cząsteczka H₂ powstaje w wyniku utworzenia orbitalu cząsteczkowego z orbitali 1s atomów wodoru. Przez nałożenie się dwu orbitali atomowych powstają dwa orbitale cząsteczkowe i ^*. W cząsteczce wodoru obydwa elektrony obsadzają orbital o niższej energii, a orbital ^* pozostaje nie zajęty. W czasie tworzenia wiązania wydziela się energia (energia wiązania), a układ jest trwały ze względu na uzyskanie uprzywilejowanego stanu energetycznego charakteryzującego się minimum energii. Podczas tworzenia się hipotetycznej cząsteczki He₂, powstałyby orbitale cząsteczkowe i ^*, które zostałyby zajęte przez cztery elektrony 1s² obu atomów helu. Utworzyłby się układ, w którym ilość elektronów na orbitalu wiążącym i antywiążącym byłaby taka sama. To nie spowodowałoby obniżenia energii układu, ponieważ suma energii orbitalu i ^* nie jest mniejsza od sumy energii orbitali atomowych 1s². Cząsteczka He₂ nie może być trwała, czego skutkiem jest występowanie helu w postaci atomowej.

Wiązania chemiczne realizowane za pomocą elektronów orbitali p_x lub p_z powstające przez boczne nakładanie się tych orbitali (oś y jest kierunkiem zbliżania się atomów) polegają na utworzeniu się wiążących i antywiążących orbitali cząsteczkowych i *. Z orbitali p_x dwóch atomów powstają dwa molekularne orbitale: i *. Podobnie jest w przypadku orbitali p_z. Przestrzenny kształt orbitali wiążących przedstawiono na rys. 21.

Rysunek 21. Wiążące orbitale i .

 Kolejność zapełniania orbitali molekularnych, wynika z ich energii, która wzrasta zgodnie ze schematem: