「共有結合って、電子を共有するんですよね？」
奏が確認した。
零が答えた。「そう。でも、なぜ共有するのか。それが分子軌道理論だ」
「分子軌道？」
「原子軌道が重なって、分子軌道を形成する。その中に電子が入る」
ミリアが図を描いた。「水素分子を例にしよう。二つの1s軌道が重なる」
「重なると何が起きるんですか？」
零が説明した。「結合性軌道と反結合性軌道ができる。結合性軌道はエネルギーが低く、反結合性軌道は高い」
「なぜ高低ができるの？」
「波の干渉だ。同位相で重なると、電子密度が高まる。これが結合性軌道」
「逆位相だと？」
「電子密度が減る。これが反結合性軌道。ノードができる」
奏がノートに描いた。「電子は、エネルギーの低い結合性軌道に入る」
「そう。だから水素分子は安定」
ミリアが続けた。「σ結合は、軌道が軸方向に重なる。π結合は、平行に重なる」
「違いは？」
「σ結合は対称性が高く、強い。π結合は弱いが、分子に特別な性質を与える」
零が例を出した。「エチレン。炭素間に二重結合がある。一つはσ結合、もう一つはπ結合」
「二重結合は、二種類の結合の組み合わせ」
「正解。π結合があるから、エチレンは平面構造になる」
奏が質問した。「なぜ平面？」
「π結合の軌道は、炭素の平面に垂直。回転すると、重なりが崩れる。だから回転できない」
ミリアが補足した。「これが、二重結合の特徴。単結合は自由に回転できるけど、二重結合は固定される」
「だから、cis-trans異性体ができる」透真が割り込んだ。
「あれ、透真さん、いつの間に」奏が驚いた。
「さっきから聞いてた。面白そうだったから」
零が続けた。「共役系というのもある。π結合が交互に並ぶ」
「ベンゼンとか？」
「そう。π電子が非局在化する。分子全体に広がる」
ミリアが図を示した。「これが、ベンゼンの安定性の理由。共鳴構造で記述される」
「電子が一か所に留まらない」奏が理解した。
「その通り。非局在化すると、エネルギーが下がる」
透真が質問した。「じゃあ、なぜ色が見えるの？共役系と関係ある？」
「鋭い。共役が長くなると、HOMOとLUMOのギャップが小さくなる」
「ホモとルモ？」
「Highest Occupied Molecular Orbital と Lowest Unoccupied Molecular Orbital。電子が詰まってる最高軌道と、空いてる最低軌道」
零が説明した。「このギャップが可視光のエネルギーと合うと、光を吸収する。それが色として見える」
「カロテンが橙色なのは、共役系が長いから」
「正解。共役が長いほど、長波長の光を吸収する」
奏がまとめた。「電子軌道が重なると、分子軌道ができる。その重なり方で、結合の強さや分子の形、性質が決まる。共役系では電子が広がって、色まで生まれる」
「完璧だ」ミリアが認めた。
透真が言った。「電子軌道が重なる。たったそれだけで、分子が生まれ、色が生まれ、生命が生まれる」
「奇跡とも呼べる」零が頷いた。
「でも、量子力学の必然でもある」
ミリアが微笑んだ。「奇跡と必然の間。それが化学の美しさ」
三人は、見えない軌道の重なりを想像しながら、分子の世界に思いを馳せた。