В теоретической химии связывающая орбиталь используется в теории молекулярных орбиталей (МО) для описания притягивающих взаимодействий между атомными орбиталями двух или более атомов в молекуле . В теории МО электроны изображаются движущимися волнами . [1] Когда более одной из этих волн приближаются друг к другу, синфазное сочетание этих волн производит взаимодействие, которое приводит к образованию вида, который в значительной степени стабилизирован. Результат конструктивной интерференции волн приводит к тому , что плотность электронов оказывается в области связывания, создавая стабильную связь между двумя видами. [2]
В классическом примере H 2 MO два отдельных атома H имеют идентичные атомные орбитали. При создании молекулы дигидрогена отдельные валентные орбитали, 1 s , либо: сливаются в фазе, чтобы получить связывающие орбитали, где электронная плотность находится между ядрами атомов; или сливаются в противофазе, чтобы получить антисвязывающие орбитали, где электронная плотность находится везде вокруг атома, за исключением пространства между ядрами двух атомов. [3] Связывающие орбитали приводят к более стабильным видам, чем когда два водорода являются одноатомными. Антисвязывающие орбитали менее стабильны, потому что при очень малой или нулевой электронной плотности в середине два ядра (имеющие одинаковый заряд) отталкиваются друг от друга. Следовательно, потребуется больше энергии, чтобы удерживать два атома вместе через антисвязывающую орбиталь. Каждый электрон в валентной 1 s оболочке водорода объединяется, чтобы заполнить стабилизирующую связывающую орбиталь. Таким образом, водород предпочитает существовать в виде двухатомной, а не одноатомной молекулы. [4]
Если посмотреть на гелий, атом удерживает два электрона в каждой валентной 1s - оболочке. Когда две атомные орбитали сходятся, они сначала заполняют связывающую орбиталь двумя электронами, но в отличие от водорода у него остается два электрона, которые затем должны перейти на антисвязывающую орбиталь. Нестабильность антисвязывающей орбитали отменяет стабилизирующий эффект, обеспечиваемый связывающей орбиталью; поэтому порядок связи дигелия равен 0. Вот почему гелий предпочел бы быть одноатомным, а не двухатомным. [5]
Связи Pi создаются «боковыми» взаимодействиями орбиталей. [3] Опять же, в молекулярных орбиталях связывающие pi (π) электроны возникают, когда взаимодействие двух π атомных орбиталей находится в фазе. В этом случае электронная плотность π-орбиталей должна быть симметричной вдоль зеркальной плоскости, чтобы создать связывающее взаимодействие. Асимметрия вдоль зеркальной плоскости приведет к узлу в этой плоскости и описывается в антисвязывающей орбитали, π*. [3]
Примером МО простой сопряженной π-системы является бутадиен. Чтобы создать МО для бутадиена , полученные π- и π*-орбитали ранее описанной системы будут взаимодействовать друг с другом. Это смешивание приведет к созданию 4 групповых орбиталей (которые также могут быть использованы для описания π-МО любого диена): [3] π 1 не содержит вертикальных узлов , π 2 содержит один, и обе считаются связывающими орбиталями; π 3 содержит 2 вертикальных узла, π 4 содержит 3, и обе считаются разрыхляющими орбиталями. [3]
Сферическая трехмерная форма s- орбиталей не имеет направленности в пространстве, а px , py и pz - орбитали все расположены под углом 90 o друг к другу. Поэтому, чтобы получить орбитали, соответствующие химическим связям для описания химических реакций, Эдмистон и Рюденберг стали пионерами в разработке процедур локализации. [6] [7] Например, в CH4 четыре электрона с 1s - орбиталей атомов водорода и валентные электроны с атома углерода (2 в s и 2 в p ) занимают связывающие молекулярные орбитали, σ и π. [6] Делокализованные МО атома углерода в молекуле метана затем могут быть локализованы с образованием четырех sp3 - гибридных орбиталей .
Молекулярные орбитали и, более конкретно, связывающая орбиталь — это теория, которая преподается во всех различных областях химии, от органической до физической и даже аналитической, поскольку она широко применима. Органические химики используют теорию молекулярных орбиталей в своих мысленных обоснованиях реакций; [8] [9] аналитические химики используют ее в различных методах спектроскопии; [10] [11] физические химики используют ее в расчетах; [8] [12] она даже наблюдается в химии материалов через теорию зон — расширение теории молекулярных орбиталей. [13]