化学键与分子轨道

原子轨道线性组合(linear combination of atomic orbitals)

想要一种新颜色,你不会从零开始发明颜料——而是按某种比例把手头已有的颜料调到一起。要搭建分子中电子所占据的那些电子云,化学家做的也是同一件事:拿来已经熟知的原子轨道,按加权的份量做加法和减法。这套配方就叫原子轨道线性组合,简称 LCAO。

准确地说,LCAO 是一种近似分子轨道的方法:把每一个分子轨道写成所涉原子上各原子轨道的加权和(与差)。把两个轨道同相位地相加,得到一个成键轨道;把它们相减(反相位),得到一个反键轨道。这些权重会被调整,使得到的轨道能量尽可能低——数学会系统地处理这一步。

LCAO 之所以重要,是因为它把「为整个分子求解薛定谔方程」这个棘手问题,化为「把熟悉的原子积木组合起来」这件可操作的活——它是几乎所有实际分子轨道计算背后的主力。诚实的提醒:它是一种近似。真实的分子轨道,只能被有限的一组原子轨道大致捕捉到,因此精度取决于你是否选了足够丰富的一组来混合。

对于 H₂,LCAO 取每个氢上的 1s 轨道,组成两个组合:它们的和(1s_A + 1s_B)是一个成键轨道,密度堆积在两核之间;它们的差(1s_A − 1s_B)是一个反键轨道,中间有一个节面。两个原子轨道进,两个分子轨道出。

把原子轨道相加 → 成键;相减 → 反键。

LCAO 守恒轨道数目:把 N 个原子轨道组合起来,总会恰好得到 N 个分子轨道——不多也不少。初学者有时会忘掉那个反键的搭档;每一个成键组合,都有一个在同一时刻一并产生的、与之配对的反键组合。

又称
LCAO原子轨道线性组合法原子軌域線性組合法