分子軌道法で理解するヘリウム分子が安定に存在しない理由｜結合・反結合軌道からの解説

分子軌道法では、原子同士が結合して分子を作るかどうかを「電子がどの軌道に入るか」で説明します。本記事では、ヘリウム分子（He₂）がなぜ安定に存在しないのかを、分子軌道の基本から順に整理して解説します。

分子軌道法の基本：結合軌道と反結合軌道

分子軌道法では、原子軌道が重なり合うことで新しい軌道が形成されます。

このとき、エネルギーが低く安定な「結合性軌道」と、エネルギーが高く不安定な「反結合性軌道」ができます。

電子は低エネルギー側から順に配置され、その結果として分子の安定性が決まります。

ヘリウム原子は電子を2個持ち、どちらも1s軌道に入っています。

ヘリウム原子2つが近づくと、合計4個の電子が分子軌道に配置されることになります。

この電子配置が、結合の成立に大きく関係します。

ヘリウム2原子が結合すると、σ1s（結合軌道）とσ1s*（反結合軌道）が形成されます。

4個の電子は、結合軌道と反結合軌道にそれぞれ配置されます。

結合次数は「(結合電子数 − 反結合電子数) ÷ 2」で求められます。

この場合、結合電子数と反結合電子数が同じになるため、結合次数は0になります。

結合軌道と反結合軌道が完全に打ち消し合うため、エネルギー的な安定化が起こりません。

その結果、原子同士が結合しているよりも、バラバラの状態の方が安定になります。

したがって、He₂は安定な分子としては存在できず、極めて短時間の相互作用にとどまります。

ヘリウム分子が安定に存在しない理由は、分子軌道法において結合軌道と反結合軌道の電子数が等しく、結合次数が0になるためです。

そのためエネルギー的な安定化が起こらず、分子として維持されることはありません。

分子軌道法を用いることで、このような「存在しない理由」も定量的に説明することができます。