ออร์บิทัลเชิงโมเลกุล

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (อังกฤษ: Molecular Orbitals; MO) เป็นฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายพฤติกรรมคล้ายคลื่นของอิเล็กตรอนในโมเลกุลโดยฟังก์ชันนี้มีความสำคัญในการคำนวณสมบัติทางเคมีและสมบัติทางกายภาพ อาทิ ความน่าจะเป็นที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่าง ๆ รอบโมเลกุล คำว่า "ออร์บิทัลเชิงโมเลกุล" ถูกนำใช้ครั้งแรกโดย โรเบิร์ต มัลลิเกน (Robert S. Mulliken) ในปี ค.ศ. 1932^[1][2]

ภาพรวมของออร์บิทัลเชิงโมเลกุล

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลสามารถใช้แสดงบริเวณในโมเลกุลที่สามารถพบอิเล็กตรอน ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลได้จากการรวมกันของออร์บิทัลเชิงอะตอมที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอม ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลสามารถระบุโครงแบบอิเล็กตรอนของโมเลกุลตำแหน่งการกระจายตัวและพลังงานของอิเล็กตรอนในโมเลกุล โดยออร์บิทัลเชิงโมเลกุลได้จากการรวมกันเชิงเส้นตรงของออร์บิทัลเชิงอะตอม (LCAO) ในทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (molecular orbital theory)

การเกิดออร์บิทัลเชิงโมเลกุล

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลเกิดจากอันตรกิริยาระหว่างออร์บิทัลเชิงอะตอมที่มีสมมาตรที่เข้ากันได้ (ได้จากการพิจารณาตามทฤษฎีพอยท์กรุ๊ป) โดยจำนวนออร์บิทัลเชิงโมเลกุลจะต้องเท่ากับจำนวนออร์บิทัลเชิงอะตอมที่มารวมกันสำหรับโมเลกุลอะตอมคู่ใด ๆ แล้ว ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแสดงได้ดังฟังก์ชันคลื่นดังต่อไปนี้

${\displaystyle \Psi =c_{a}\psi _{a}+c_{b}\psi _{b}}$

${\displaystyle \Psi ^{*}=c_{a}\psi _{a}-c_{b}\psi _{b}}$

เมื่อ ${\displaystyle \Psi }$ และ ${\displaystyle \Psi ^{*}}$ แทนฟังก์ชันคลื่นของโมเลกุลสำหรับออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบสร้างพันธะและออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบต้านพันธะตามลำดับ ${\displaystyle \psi _{a}}$ และ ${\displaystyle \psi _{b}}$ คือ ฟังก์ชันคลื่นของอะตอม ส่วน c_a และ c_b คือสัมประสิทธิ์

ชนิดของออร์บิทัลเชิงโมเลกุล

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลสามารถแบ่งออกเป็น 3 ชนิด ดังนี้

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบสร้างพันธะ (bonding molecular orbitals)

• อันตรกิริยาระหว่างออร์บิทัลเชิงอะตอมเป็นอันตรกิริยาแบบเสริมกัน (constructive (in-phase) interactions)
• พลังงานของออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบสร้างพันธะจะต่ำกว่าพลังงานของออร์บิทัลเชิงอะตอมที่มารวมกัน

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลต้านสร้างพันธะ (antibonding molecular orbitals)

• อันตรกิริยาระหว่างออร์บิทัลเชิงอะตอมเป็นอันตรกิริยาแบบหักล้างกัน (destructive (out-of-phase) interactions) โดยมีระนาบบัพ (nodal plane) ที่ฟังก์ชันคลื่นของออร์บิทัลเชิงโมเลกุลต้านสร้างพันธะเป็นศูนย์ระหว่างอะตอมที่เกิดอันตรกิริยากัน
• พลังงานของออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบต้านพันธะจะสูงกว่าพลังงานของออร์บิทัลเชิงอะตอมที่มารวมกัน

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลไม่สร้างพันธะ (nonbonding molecular orbitals)

• ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลไม่สร้างพันธะเป็นผลของการไม่มีอันตรกิริยาระหว่างออร์บิทัลเชิงอะตอมเนื่องจากไม่มีออร์บิทัลที่มีสมมาตรเข้ากันได้
• พลังงานของออร์บิทัลเชิงโมเลกุลไม่สร้างพันธะจะเท่ากับพลังงานของออร์บิทัลเชิงอะตอม

การบอกชื่อของออร์บิทัลเชิงโมเลกุลตามสมมาตร

เราสามารถจำแนกชนิดของอันตรกิริยาระหว่างออร์บิทัลเชิงอะตอมตามสมบัติทางสมมาตร โดยการบอกชื่อออร์บิทัลเชิงโมเลกุลเป็น σ (ซิกมา), π (ไพ), δ (เดลตา), φ (ฟี), γ (แกมมา) เป็นต้น ซึ่งสอดคล้องกับสมมาตรของออร์บิทัลเชิงอะตอม s, p, d, f และ g ตามลำดับ จำนวนระนาบบัพ ของ ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบ σ, π, δ, ... จะเท่ากับ 0, 1, 2, ... ตามลำดับ

สมมาตรแบบ σ

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลที่มีสมมาตรแบบ σ เกิดจากอันตรกิริยาระหว่าง s-ออร์บิทัล จำนวน 2 ออร์บิทัล หรือ p_z จำนวน 2 ออร์บิทัลตามแนวแกนระหว่างนิวเคลียส โดยการหมุนรอบแกนไม่ทำให้เปลี่ยนเฟส และ σ* ออร์บิทัล หรือ ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบต้านพันธะ σ ก็ไม่เปลี่ยนเฟสเมื่อมีการหมุนรอบแกนเช่นกัน^[3]

สมมาตรแบบ π

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลที่มีสมมาตรแบบ π เกิดจากอันตรกิริยาระหว่าง p_x จำนวน 2 ออร์บิทัล หรือ p_y จำนวน 2 ออร์บิทัล ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลที่มีสมมาตรแบบ π จะไม่สมมาตรเมื่อเมื่อมีการหมุนรอบแกนระหว่างนิวเคลียสเนื่องจากจะทำให้มรการเปลี่ยนเฟสขึ้น ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบต้านพันธะ π* ก็ไม่เปลี่ยนเฟสเมื่อมีการหมุนรอบแกนเช่นกัน^[4]

การเรียงตัวของ p-ออร์บิทัลเพื่อเกิดเป็นพันธะ π

สมมาตรแบบ δ

ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลที่มีสมมาตรแบบ δ เกิดจากอันตรกิริยาระหว่าง d_xy จำนวน 2 ออร์บิทัล หรือ d_x²-y² จำนวน 2 ออร์บิทัล เนื่องจากออร์บิทัลเชิงโมเลกุลชนิดนี้เกิดขึ้นโดยออร์บิทัลเชิงโมเลกุลแบบ d ที่มีพลังงานต่ำ จึงพบได้ในสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะแทรนซิชัน เช่น พันธะระหว่าง Rh-Rh ในไอออนลบเชิงซ้อน [Re₂Cl₈]^2−[5]

การเรียงตัวของ d-ออร์บิทัลเพื่อเกิดเป็นพันธะ δ

สมมาตรแบบ φ

นักเคมีเชิงทฤษฎีได้คำนวณพันธะที่มีสมมาตรแบบ φ และในปี ค.ศ. 2005 ได้มีการรายงานสารประกอบที่มีพันธะแบบ φ ในโมเลกุล U₂^[6]

การเรียงตัวของ f-ออร์บิทัลเพื่อเกิดเป็นพันธะ φ

ดูเพิ่ม

• เวเลนซ์
• เวเลนซ์อิเล็กตรอน
• สารประกอบโคออร์ดิเนชัน
• ทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล
• การรวมกันเชิงเส้นตรงของออร์บิทัลเชิงอะตอม