分子軌道理論は、原子軌道内の電子の分布と同様の方法で分子内の電子の分布を説明します。 分子内の価電子が存在している空間領域の事を分子軌道と呼びます。 数学的には、原子軌道の線形結合 (LCAO) によって分子軌道を求められます。 同相の原子軌道波動関数の組み合わせでは、電子密度の確率が高い領域が生成されますが、位相がずれた原子軌道波動関数は電子密度のないノードまたは領域を生成します。
隣接する2 つの原子の s 軌道の同相結合により、電子密度の大部分が原子核間に直接存在する、より低いエネルギーの σ s 結合分子軌道が生成されます。 位相ずれの付加により、より高いエネルギーの σs* 反結合性分子軌道が生成され、そこでは核間にノードが存在します。
同様に、p 軌道の波動関数は、逆位相の 2 つのローブを生じます。 p 軌道が端から端まで重なると、σ 軌道と σ* 軌道が作成されます。 2 つの p 軌道が隣り合って重なり合うと、π 結合性および π* 反結合性の分子軌道が生成されます。
塗りつぶされた分子軌道図は、結合性および反結合性分子軌道内の電子の数を示します。 電子は、結合性軌道を占有する場合にのみ、結合性相互作用に寄与します。 分子の結合強度に対する電子の正味の寄与は、次のように計算される結合次数から決定されます。
結合順序は共有結合の強さの目安です。 結合次数が増加するにつれて、2 つの特定の原子間の結合はより強くなります。 分子軌道内の電子の分布により結合次数がゼロになる場合、安定した結合は形成されません。
分子軌道理論は多原子分子にも役立ちます。 sp2 混成炭素原子を含む平面六角形構造を持つベンゼン (C6H6) のルイスモデルは、その非局在化電子を正確に表すことができません。 しかし、分子軌道理論では、これらの電子は炭素環全体を覆う 3 つの π 結合分子軌道に割り当てられます。 これにより、完全に占有された (電子 6 個) セットの結合分子軌道が生成され、ベンゼン環に熱力学的および化学的安定性がさらに高まります。
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