分子轨道理论：从原子到分子的电子排布
分子轨道理论：从原子到分子的电子排布
分子轨道理论（Molecular Orbital Theory，简称MO理论）是一种基于量子力学的原理，用于描述多原子分子中电子排布和化学键形成的理论。由美国化学家R.S.马利肯（R.S.Mulliken）和德国物理学家F.洪特（F.Hund）于1932年提出。
基本定义
分子轨道理论以单电子近似为基础的化学键理论。其基本观点是：物理上存在单个电子的自身行为，只受分子中的原子核和其他电子形成的平均场的作用，以及泡利不相容原理的制约。描写单电子行为的波函数称为分子轨道（或轨道）。对于任何分子，如果求得了它的一系列分子轨道和能级，就可以像讨论原子结构那样讨论分子结构，并对分子性质作系统解释。有时，即便用粗糙的计算方案所得到的部分近似分子轨道和能级，也能分析出很有用的定性结果。
基本原理
分子轨道理论强调了分子的整体性，认为原子形成分子后，电子不再属于个别的原子轨道，而是属于整个分子的分子轨道。分子轨道理论考虑电子在分子中的运动状态，抛弃了传统价键理论的某些概念，能够更广泛地解释共价分子的形成和性质。
分子轨道的形成
分子轨道理论的基本观点是，当原子结合成分子时，它们的原子轨道会相互作用并形成新的能级，称为分子轨道。分子轨道是由原子轨道线性组合而成的，分子轨道的总数等于原子轨道的总数，分子中的电子在分子轨道中运动。
形成分子轨道时需要遵循三个基本原则，即能量近似原则、对称性一致（匹配）原则和最大重叠原则，这三个原则也被称为成键三原则。
- 能量近似原则：在形成分子轨道时，电子间的能量差应该尽量小，这样可以使得电子在分子中的运动更加稳定。
- 对称性一致（匹配）原则：分子轨道的波函数应该具有与分子几何结构相匹配的对称性。
- 最大重叠原则：原子轨道在组合成分子轨道时，应该尽量使原子轨道的重叠区域最大化，这样可以增强电子之间的相互作用，从而形成更稳定的化学键。
电子排布规则
电子在分子轨道中的排布规则与原子轨道中电子排布规则相同，即遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。
应用与局限性
分子轨道理论不仅能帮助我们理解共价键的本质，还能解释一些分子的磁性、颜色、反应性等性质，例如，一些有机染料的颜色来自特定的分子轨道之间的电子跃迁等。
分子轨道理论也存在一定的局限性，例如它主要关注的是电子间的相互作用，而对原子核之间的相互作用考虑较少；它无法很好地解释一些特殊的立体化学现象等。尽管如此，分子轨道理论在化学领域仍然具有重要的意义，它为理解和预测分子行为提供了强有力的理论基础，帮助我们更深入地探索化学反应的本质和分子世界的奥秘。
图片来源：视觉中国