大学 · 20分
H₂ の結合性・反結合性軌道
最も単純な分子の分子軌道を2つの1s原子軌道から組み立て、結合を伸縮させて結合の利得が消える様子を見る。
目的
σ 結合軌道と σ* 反結合軌道の電子雲を比べ、重なりが最も強い結合長を見つける。
器具と試薬
距離 にある2つの水素 1s 軌道。ビューアはこれらを と に組み合わせる。
手順
- 結合状態で Å（実測の H–H 結合長）から始め、雲を回して両核を包むソーセージ形 σ 軌道を見る。
- 同じ で反結合状態に切り替え、2核の中間にある節面を確認する。
- 両状態で を 0.3 Å から 3.0 Å まで動かし、核間で密度が増えるか崩れるかを観察する。
- 結合性の雲で核間密度が最大になる位置を推定し、平衡結合長と比べる。
観察すること
- 結合状態では雲が核間領域を満たすが、反結合状態では節面がその領域を完全に空にする。
- が非常に短いと2核はほぼ融合して σ 雲は He の 1s 軌道に似る。 が大きいと密度は孤立した2原子に戻る。
- 核間の密度、つまり結合の強さはスライダの中央付近、– Å で最大になる。
解説
分子軌道理論は原子軌道を組み合わせて分子全体に広がる波動関数を作る。 では2つの1s軌道が同位相で足されて σ（核間の電子密度が核の反発を遮蔽して結合させる）、逆位相で σ（節面が密度を外側に残すため、占有すると結合が弱まる）を与える。σ と σ のエネルギー差は とともに縮まり、解離限界では両者のエネルギーが等しくなる。この LCAO 描像は、Hartree–Fock 法や DFT コードが実分子について解く最も単純な場合である。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。