ההבדל העיקרי בין תיאוריית המסלול המולקולרי לתיאוריית ההכלאה הוא שתיאוריית המסלולים המולקולריים מתארת את היווצרותם של אורביטלים מקשר ואנטי-קשירה, בעוד שתיאוריית ההכלאה מתארת היווצרות של אורביטלים היברידיים.
ישנן תיאוריות שונות שפותחו כדי לקבוע את המבנים האלקטרוניים והמסלוליים של מולקולות. תיאוריית VSEPR, תיאוריית לואיס, תיאוריית קשר הערכיות, תיאוריית הכלאה ותיאוריית מסלול מולקולרי הן תיאוריות חשובות כל כך. התיאוריה המקובלת מביניהם היא תיאוריית המסלול המולקולרי.
מהי תורת האורביטלים המולקולריים?
תורת המסלול המולקולרי היא טכניקה לתיאור המבנה האלקטרוני של מולקולות באמצעות מכניקת קוונטים. זוהי הדרך היעילה ביותר להסביר קשר כימי במולקולות. הבה נדון בתיאוריה זו בפירוט.
ראשית, עלינו לדעת מה הם אורביטלים מולקולריים. נוצר קשר כימי בין שני אטומים כאשר כוח המשיכה נטו בין שני גרעיני אטום והאלקטרונים שביניהם עולה על הדחייה האלקטרוסטטית בין שני גרעיני אטום. בעיקרון, זה אומר שכוחות המשיכה בין שני אטומים צריכים להיות גבוהים יותר מכוחות הדחייה בין שני האטומים הללו. כאן, האלקטרונים חייבים להתקיים באזור הנקרא "אזור מקשר", כדי ליצור את הקשר הכימי הזה. אם לא, האלקטרונים יהיו ב"אזור נגד קשירה" מה שיעזור לכוח הדחייה בין האטומים.
עם זאת, אם מתקיימות הדרישות ונוצר קשר כימי בין שני אטומים, אז האורביטלים המתאימים המעורבים בקשר נקראים אורביטלים מולקולריים.כאן, נוכל להתחיל עם שני אורביטלים של שני אטומים ולסיים עם אורביטל אחד (האורביטל המולקולרי) השייך לשני האטומים.
לפי מכניקת הקוונטים, אורביטלים אטומיים אינם יכולים להופיע או להיעלם כרצוננו. כאשר האורביטלים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, הם נוטים לשנות את צורותיהם בהתאם. אבל לפי מכניקת הקוונטים, הם חופשיים לשנות את הצורה אבל צריכים להיות בעלי אותו מספר של אורביטלים. אז אנחנו צריכים למצוא את המסלול החסר. כאן, השילוב בפאזה של שני האורביטלים האטומיים הופך את האורביטל המקשר בעוד שילוב מחוץ לפאזה יוצר את האורביטל האנטי-קשור.
איור 01: דיאגרמת מסלול מולקולרי
אלקטרוני הקשר תופסים את מסלול הקשר בעוד שהאלקטרונים במסלול האנטי-קשור אינם משתתפים ביצירת הקשר.במקום זאת, אלקטרונים אלה מתנגדים באופן פעיל להיווצרות הקשר הכימי. למסלול המקשר יש אנרגיה פוטנציאלית נמוכה יותר מהאורביטל האנטי-קשיר. אם ניקח בחשבון קשר סיגמא, הסימון עבור אורביטל מקשר הוא σ, והאורביטל נגד קשר הוא σ. אנו יכולים להשתמש בתיאוריה זו כדי לתאר את המבנה של מולקולות מסובכות כדי להסביר מדוע חלק מהמולקולות אינן קיימות (כלומר He2) ואת סדר הקשרים של מולקולות. לפיכך, תיאור זה מסביר בקצרה את הבסיס של תיאוריית המסלול המולקולרי.
מהי תיאוריית הכלאה?
תיאוריית הכלאה היא טכניקה שבה אנו משתמשים כדי לתאר את מבנה המסלול של מולקולה. הכלאה היא יצירת אורביטלים היברידיים על ידי ערבוב של שני אורביטלים אטומיים או יותר. הכיוון של האורביטלים הללו קובע את הגיאומטריה של המולקולה. זוהי הרחבה של תיאוריית קשר הערכיות.
לפני היווצרות האורביטלים האטומיים, יש להם אנרגיות שונות, אבל לאחר היווצרות, לכל האורביטלים יש אותה אנרגיה.לדוגמה, מסלול s אטומי ומסלול אטומי p יכולים להתחבר ליצירת שני אורביטלים sp. לאורביטלים האטומיים s ו-p יש אנרגיות שונות (אנרגיה של s < אנרגיה של p). אבל לאחר ההכלאה, הוא יוצר שני אורביטלים sp בעלי אותה אנרגיה, ואנרגיה זו נמצאת בין האנרגיות של s ואנרגיות מסלול אטומיות בודדות. יתר על כן, למסלול היברידי sp זה יש 50% מאפייני מסלול s ו-50% מאפייני מסלול p.
איור 02: קשר בין אורביטלים היברידיים של אטום פחמן והאורביטלים של אטומי מימן
רעיון ההכלאה נכנס לראשונה לדיון מכיוון שמדענים הבחינו שתיאוריית קשר הערכיות לא הצליחה לחזות נכון את המבנה של כמה מולקולות כמו CH4כאן, למרות שלאטום הפחמן יש רק שני אלקטרונים לא מזווגים לפי תצורת האלקטרונים שלו, הוא יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים. כדי ליצור ארבעה קשרים, חייבים להיות ארבעה אלקטרונים לא מזווגים.
הדרך היחידה שהם יכלו להסביר את התופעה הייתה לחשוב שאורביטלים s ו-p של אטומי פחמן מתמזגים זה עם זה ויוצרים אורביטלים חדשים הנקראים אורביטלים היברידיים בעלי אותה אנרגיה. כאן, s אחד + שלוש p נותן 4 sp3 אורביטלים. לכן, האלקטרונים ממלאים את האורביטלים ההיברידיים הללו באופן שווה (אלקטרון אחד לכל אורביטל היברידי), תוך שהם מצייתים לכלל האנד. אז יש ארבעה אלקטרונים ליצירת ארבעה קשרים קוולנטיים עם ארבעה אטומי מימן.
מה ההבדל בין תיאוריית האורביטלים המולקולריים לתיאוריית ההכלאה?
תורת המסלול המולקולרי היא טכניקה לתיאור המבנה האלקטרוני של מולקולות באמצעות מכניקת קוונטים. תיאוריית הכלאה היא טכניקה בה אנו משתמשים כדי לתאר את מבנה המסלול של מולקולה.אז, ההבדל העיקרי בין תיאוריית המסלול המולקולרי לתיאוריית ההכלאה הוא שתיאוריית המסלול המולקולרי מתארת את היווצרותם של אורביטלים מקשרים ואנטי-קשירים, בעוד שתיאוריית ההכלאה מתארת היווצרות של אורביטלים היברידיים.
יתר על כן, על פי תורת האורביטלים המולקולריים, צורות אורביטליות חדשות מתערובות של אורביטלים אטומיים של שני אטומים ואילו בתורת ההכלאה, צורות אורביטליות חדשות יוצרות ערבוב של אורביטלים אטומיים של אותו אטום. לכן, זהו הבדל נוסף בין תיאוריית המסלול המולקולרי לתיאוריית ההכלאה.
סיכום – תיאוריית מסלול מולקולרי מול תיאוריית הכלאה
הן תורת המסלול המולקולרי והן תיאוריית ההכלאה חשובות בקביעת המבנה של מולקולה.ההבדל העיקרי בין תיאוריית המסלול המולקולרי לתיאוריית ההכלאה הוא שתיאוריית המסלול המולקולרי מתארת את היווצרותם של אורביטלים מתקשרים ואנטי-קשירים, בעוד שתיאוריית ההכלאה מתארת היווצרות של אורביטלים היברידיים.
