実際の分子の形などが説明するのに原子価結合理論が適用されますが、実際の軌道のエネルギー準位は等価？

Question

実際の分子の形などが説明するのに原子価結合理論が適用されると思いますが、
実際の軌道のエネルギー準位は等価なのでしょうか？
もう一つのエネルギー準位の説明する理論として、分子軌道法があると思いますが、それではｓ軌道やｐ軌道は別々のエネルギー準位を有していると思います。
実際の測定データなどではどちらが正しいのでしょうか？

ぺらぺらぺらぺら · Accepted Answer

すごく抽象的な表現になりますが、
原子価結合法というのはルイス構造式を土台とした、分子の構造や物性を化学者が分かりやすく理解するために構築した人為的な理論です。ですので、電子そのものの挙動を記述する分子軌道法・第一原理計算とは別物です。
「混成軌道」もそれが実際にあるかのように語られますが、実際にはそのような軌道は存在せず、分子軌道法で表現される電子の分布が存在します。

Tacosan · Answer

ちょっと考えればわかるはずだけど, 分子軌道法で sp3 なんかの混成軌道を説明することは当然可能だよ.

ところで「実際の分子の形などが説明するのに原子価結合理論が適用されると思いますが、実際の軌道のエネルギー準位は等価なのでしょうか？」ってどういうこと? 日本語がおかしいうえになにかいろいろと言葉が足りないように見える.

Andro · Answer

こんにちは、この質問にお答えします。原子価結合理論と分子軌道法は、分子の形やエネルギーを説明するために用いられる2つの異なる理論です。どちらも正しいというよりは、それぞれに適用できる範囲や精度が異なります。

原子価結合理論は、原子の価電子軌道が混成して分子軌道を形成し、その間に電子対が結合を作るという考え方です。この理論は、分子の形や結合角を予測するのに便利ですが、エネルギー準位や磁気性などの物性を説明するのには不十分です。また、原子価結合理論では、すべての分子軌道が等価であると仮定していますが、実際にはそうではありません。

分子軌道法は、原子の価電子軌道が重ね合わせて分子軌道を形成し、その中に電子が占有するという考え方です。この理論は、分子のエネルギー準位や磁気性などの物性を説明するのに有効ですが、分子の形や結合角を予測するのには不便です。また、分子軌道法では、分子軌道のエネルギーが異なることを考慮していますが、実際にはそれだけではなく、形や対称性も重要です。

ダイヤモンドやメタンなどの炭素化合物は、両方の理論で説明できますが、それぞれに長所と短所があります。ダイヤモンドは固体であり、炭素原子がsp 3 混成軌道で正四面体構造を作っています。原子価結合理論では、この構造を直感的に理解できますが、エネルギー準位や電気伝導性などの物性を説明できません。分子軌道法では、ダイヤモンドのバンド構造や電気伝導性などの物性を説明できますが、正四面体構造を導くことは困難です¹。

メタンは分子であり、炭素原子がsp 3 混成軌道で水素原子と結合しています。原子価結合理論では、この構造や結合角を予測できますが、エネルギー準位や磁気性などの物性を説明できません。分子軌道法では、メタンのエネルギー準位や磁気性などの物性を説明できますが²³⁴⁵⁷⁸⁹、sp 3 混成軌道という概念は使えません。

以上からわかるように、原子価結合理論と分子軌道法は、それぞれに適した分子や物性を説明する理論です。どちらが正しいということはなく、どちらも有用なモデルであると言えます。固体と分子で異なるということはありませんが、固体では分子軌道法の方がより適切な理論であると言えるでしょう。その理由は、固体では原子間の距離が近く、分子軌道が重なり合ってバンドを形成するからです。分子では原子間の距離が離れており、分子軌道が個別に存在するからです。

この回答は、検索結果から得られた情報をもとに作成しました。参考になれば幸いです。

ソース: Bing との会話 2023/8/10
(1) 化学結合 にお ける重要概念 原子価 結合法 と - J-STAGE. https://www.jstage.jst.go.jp/article/kagakukyouiku/28/4/28_KJ00003481165/_pdf.
(2) 分子軌道法 - Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E5%AD%90%E8%BB%8C%E9%81%93%E6%B3%95.
(3) https://bit.ly/3OvYd3T. 
https://bing.com/search?q=%e5%8e%9f%e5%ad%90%e4%be%a1%e7%b5%90%e5%90%88%e7%90%86%e8%ab%96%e3%81%a8%e5%88%86%e5%ad%90%e8%bb%8c%e9%81%93%e6%b3%95%e3%81%ae%e6%af%94%e8%bc%83.
(4) 原子価結合理論と分子軌道理論の違い - ニュース 2023 - Web .... https://ja.weblogographic.com/difference-between-valence-bond-theory.
(5) 分子軌道理論と原子価結合理論の違い|類似用語の違いを比較 .... https://ja.strephonsays.com/molecular-orbital-theory-and-vs-valence-bond-theory-14767.
(7) ダイヤモンドの物質特性 - Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%A4%E3%83%A2%E3%83%B3%E3%83%89%E3%81%AE%E7%89%A9%E8%B3%AA%E7%89%B9%E6%80%A7.
(8) ダイヤモンド - Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%A4%E3%83%A2%E3%83%B3%E3%83%89.
(9) 合成ダイヤモンド - Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%90%88%E6%88%90%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%A4%E3%83%A2%E3%83%B3%E3%83%89.

実際の分子の形などが説明するのに原子価結合理論が適用されますが、実際の軌道のエネルギー準位は等価？

すごく抽象的な表現になりますが、

ちょっと考えればわかるはずだけど, 分子軌道法で sp3 なんかの混成軌道を説明することは当然可能だよ.

こんにちは、この質問にお答えします。

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