化學鍵與分子軌域

原子軌域線性組合(linear combination of atomic orbitals)

想要一種新顏色,你不會從零開始發明顏料——而是按某種比例把手頭已有的顏料調到一起。要搭建分子中電子所佔據的那些電子雲,化學家做的也是同一件事:拿來已經熟知的原子軌域,按加權的份量做加法和減法。這套配方就叫原子軌域線性組合,簡稱 LCAO。

準確地說,LCAO 是一種近似分子軌域的方法:把每一個分子軌域寫成所涉原子上各原子軌域的加權和(與差)。把兩個軌域同相位地相加,得到一個成鍵軌域;把它們相減(反相位),得到一個反鍵軌域。這些權重會被調整,使得到的軌域能量盡可能低——數學會系統地處理這一步。

LCAO 之所以重要,是因為它把「為整個分子求解薛丁格方程」這個棘手問題,化為「把熟悉的原子積木組合起來」這件可操作的活——它是幾乎所有實際分子軌域計算背後的主力。誠實的提醒:它是一種近似。真實的分子軌域,只能被有限的一組原子軌域大致捕捉到,因此精度取決於你是否選了足夠豐富的一組來混合。

對於 H₂,LCAO 取每個氫上的 1s 軌域,組成兩個組合:它們的和(1s_A + 1s_B)是一個成鍵軌域,密度堆積在兩核之間;它們的差(1s_A − 1s_B)是一個反鍵軌域,中間有一個節面。兩個原子軌域進,兩個分子軌域出。

把原子軌域相加 → 成鍵;相減 → 反鍵。

LCAO 守恆軌域數目:把 N 個原子軌域組合起來,總會恰好得到 N 個分子軌域——不多也不少。初學者有時會忘掉那個反鍵的搭檔;每一個成鍵組合,都有一個在同一時刻一併產生的、與之配對的反鍵組合。

又稱
LCAO原子轨道线性组合法原子軌域線性組合法