Diagrammi degli orbitali molecolari spiegati: ordine di legame, magnetismo e regola del mescolamento s–p
Risposta breve: un diagramma degli orbitali molecolari (MO) mostra come gli orbitali atomici si combinano in orbitali di legame e di antilegame. Riempi gli orbitali dal basso seguendo la regola di Hund, poi usa ordine di legame = (elettroni di legame − elettroni di antilegame) / 2. O₂ ha ordine di legame 2 e 2 elettroni spaiati (paramagnetico). N₂ ha ordine di legame 3 ed è diamagnetico. Con 14 elettroni o meno, π2p sta sotto σ2p. Il generatore di diagrammi MO gratuito disegna qualsiasi biatomica da H₂ a Ne₂, più CO, NO, CN⁻ e HF.
Termini chiave in un unico posto
| Orbitale molecolare (MO) | Un orbitale che si estende su tutta la molecola, formato dalla combinazione di orbitali atomici. |
|---|---|
| MO di legame | Più basso in energia degli orbitali atomici. La densità elettronica si trova tra i nuclei. Simboli: σ, π. |
| MO di antilegame | Più alto in energia, con un nodo tra i nuclei. Simboli: σ*, π*. |
| Ordine di legame | (elettroni di legame − elettroni di antilegame) / 2. Ordine di legame 0 significa nessun legame stabile. |
| Paramagnetico | Ha uno o più elettroni spaiati ed è attratto in un campo magnetico. O₂ è il caso classico. |
| Diamagnetico | Tutti gli elettroni sono appaiati. È debolmente respinto da un campo magnetico. N₂ e F₂ ne sono esempi. |
| HOMO e LUMO | MO occupato più alto e MO non occupato più basso. Un HOMO semipieno è un SOMO. |
Le regole per disegnare un diagramma MO
- Conta gli elettroni. Somma i numeri atomici, sottrai la carica per i cationi e aggiungila per gli anioni. O₂ ne ha 16, O₂⁺ 15, O₂²⁻ 18.
- Scegli l'ordine degli orbitali. Con 14 elettroni o meno (da Li₂ a N₂, CO, CN⁻, NO⁺) usa σ2s, σ*2s, π2p, σ2p, π*2p, σ*2p. Con più di 14 elettroni (O₂, F₂, Ne₂, NO, O₂⁻) usa σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p.
- Riempi dal basso. Ogni orbitale contiene 2 elettroni con spin opposti (principio di Pauli).
- Applica la regola di Hund. Nella coppia degenere π o π*, metti un elettrone in ciascun orbitale prima di appaiarli.
- Leggi i risultati. Ordine di legame dalla formula, magnetismo dagli elettroni spaiati, HOMO e LUMO dalla parte alta del riempimento.
Perché l'ordine cambia dopo l'azoto
Il cambiamento è dovuto al mescolamento s–p. In B, C e N le energie 2s e 2p sono vicine. Gli orbitali σ2s e σ2p hanno la stessa simmetria, quindi interagiscono e spingono σ2p in alto, sopra π2p. Dall'ossigeno in poi il divario 2s–2p è maggiore (circa 16 eV per O e 21 eV per F), il mescolamento è debole e σ2p scende sotto π2p.
Come usare il generatore di diagrammi MO passo per passo
- Apri il generatore di diagrammi degli orbitali molecolari.
- Scrivi una specie in Molecola o ione, per esempio
O2,N2+,O2 2-,NO,COoCN-. Oppure scegli Atomo 1, Atomo 2 e Carica. - Oppure premi un pulsante di esempio come B₂, C₂, O₂⁻ o HF.
- Lascia Ordine degli orbitali su Automatico (regola dei 14 elettroni). Per capire perché la regola conta, passa a Nessun mescolamento s–p e guarda B₂ diventare diamagnetico.
- Leggi ordine di legame, configurazione MO, HOMO, LUMO e magnetismo nella tabella dei risultati.
- Premi Scarica SVG o Scarica PNG per salvare il diagramma.
Esempi svolti
1. Ossigeno, O₂
16 elettroni: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Elettroni di legame = 10 (compreso σ1s²), di antilegame = 6. Ordine di legame = (10 − 6)/2 = 2. I due elettroni π* stanno in orbitali separati con spin paralleli, quindi O₂ ha 2 elettroni spaiati ed è paramagnetico. L'ossigeno liquido resta attaccato tra i poli di un magnete; l'azoto liquido no.
2. Azoto, N₂
14 elettroni: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p². Ordine di legame = (10 − 4)/2 = 3. Tutti gli elettroni sono appaiati, quindi N₂ è diamagnetico. L'HOMO è σ2p e il LUMO è π*2p. Il triplo legame spiega l'elevata energia di legame di 945 kJ/mol.
3. B₂ e C₂
B₂ ha 10 elettroni: KK σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. Ordine di legame 1, 2 elettroni spaiati, paramagnetico. C₂ ha 12 elettroni: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴. Ordine di legame 2, diamagnetico. Il paramagnetismo misurato di B₂ è la prova sperimentale che per gli elementi leggeri π2p sta sotto σ2p.
4. La serie dell'ossigeno
O₂⁺ (15 e) toglie un elettrone π*: ordine di legame 2,5, lunghezza di legame 112 pm. O₂⁻, superossido (17 e): ordine di legame 1,5, 133 pm. O₂²⁻, perossido (18 e): ordine di legame 1, 149 pm, diamagnetico. Più elettroni di antilegame danno un legame più lungo e più debole.
5. NO e NO⁺
NO ha 15 elettroni con un elettrone in π*2p: ordine di legame 2,5, paramagnetico. Togliendo quell'elettrone si ottiene NO⁺ (14 e), isoelettronico con N₂: ordine di legame 3, diamagnetico, e il legame si accorcia da 115 pm a 106 pm.
6. CO e HF (eteronucleari)
CO ha 14 elettroni come N₂: ordine di legame 3, diamagnetico. L'ossigeno è più elettronegativo, quindi i suoi orbitali atomici stanno più in basso. L'HOMO (σ2p, detto anche 3σ) è in gran parte un doppietto libero del carbonio, ed è per questo che CO si lega ai metalli tramite il carbonio. In HF l'1s di H si sovrappone solo a un orbitale 2p di F. Gli altri orbitali di F sono di non legame, quindi HF ha ordine di legame 1.
Tabella riassuntiva
| Specie | Elettroni | Configurazione di valenza | Ordine di legame | Magnetismo |
|---|---|---|---|---|
| H₂ | 2 | σ1s² | 1 | diamagnetico |
| He₂⁺ | 3 | σ1s² σ*1s¹ | 0.5 | paramagnetico (1) |
| Li₂ | 6 | σ2s² | 1 | diamagnetico |
| Be₂ | 8 | σ2s² σ*2s² | 0 | non stabile |
| B₂ | 10 | σ2s² σ*2s² π2p² | 1 | paramagnetico (2) |
| C₂ | 12 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ | 2 | diamagnetico |
| N₂, CO, CN⁻, NO⁺ | 14 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p² | 3 | diamagnetico |
| NO, O₂⁺ | 15 | … σ2p² π2p⁴ π*2p¹ | 2.5 | paramagnetico (1) |
| O₂ | 16 | σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p² | 2 | paramagnetico (2) |
| O₂⁻ | 17 | … π*2p³ | 1.5 | paramagnetico (1) |
| F₂, O₂²⁻ | 18 | … π*2p⁴ | 1 | diamagnetico |
| Ne₂ | 20 | … π*2p⁴ σ*2p² | 0 | non stabile |
Errori comuni
- Usare l'ordine di O₂ per B₂, C₂ o N₂. Dà il magnetismo sbagliato per B₂ e C₂.
- Appaiare troppo presto gli elettroni in π*. O₂ sembra allora diamagnetico, il che è sbagliato.
- Dimenticare di modificare il numero di elettroni per gli ioni.
- Contare gli elettroni del core da una parte della formula ma non dall'altra. Conta tutti gli elettroni, oppure solo quelli di valenza, ma fallo allo stesso modo per legame e antilegame.
- Pensare che solo le specie con numero dispari di elettroni siano paramagnetiche. O₂ (16) e B₂ (10) sono pari e tuttavia paramagnetiche.
Consigli per l'esame
- JEE e NEET: impara la scorciatoia per le biatomiche del secondo periodo in base agli elettroni totali: 10 dà 1, 12 dà 2, 14 dà 3, 15 dà 2,5, 16 dà 2, 17 dà 1,5, 18 dà 1 e 20 dà 0. I numeri dispari sono sempre paramagnetici. Tra i pari, anche 10 (B₂) e 16 (O₂, NO⁻) sono paramagnetici.
- JEE e NEET: per ordinare le lunghezze di legame, ordina gli ordini di legame al contrario: O₂²⁻ > O₂⁻ > O₂ > O₂⁺.
- AP Chemistry: la teoria MO spiega ciò che le strutture di Lewis non possono: O₂ è paramagnetico anche se nella sua struttura di Lewis tutti gli elettroni sono appaiati.
- A-level e IB: preparati a definire i legami σ e π in base alla sovrapposizione frontale e laterale e a spiegare perché un legame π è più debole di un legame σ.
- Università: usa i simboli g e u per le biatomiche omonucleari (σg, σu*, πu, πg*) e collega il diagramma MO agli spettri fotoelettronici e alla retrodonazione di CO nei metallo-carbonili.
Verifica qualsiasi risposta in pochi secondi con il generatore di diagrammi MO, poi scarica il diagramma per i tuoi appunti.
Domande e risposte
Che cos'è un diagramma degli orbitali molecolari?
È un diagramma energetico che mostra ai lati gli orbitali atomici di due atomi e al centro gli orbitali molecolari che formano. Gli elettroni sono disegnati come frecce e il diagramma fornisce ordine di legame, magnetismo, HOMO e LUMO.
Come si calcola l'ordine di legame da un diagramma MO?
Ordine di legame = (elettroni negli orbitali di legame − elettroni negli orbitali di antilegame) / 2. Per O₂: (10 − 6)/2 = 2. Per N₂: (10 − 4)/2 = 3.
Perché O₂ è paramagnetico?
I suoi ultimi due elettroni occupano singolarmente i due orbitali degeneri π*2p, con spin paralleli (regola di Hund). Due elettroni spaiati rendono O₂ paramagnetico.
Quando σ2p sta sotto π2p?
Per O₂, F₂, Ne₂ e le altre specie con più di 14 elettroni. Da Li₂ a N₂ e per le specie con 14 elettroni o meno, il mescolamento s–p spinge σ2p sopra π2p.
Quali molecole biatomiche hanno ordine di legame 3?
N₂, CO, CN⁻ e NO⁺. Hanno tutte 14 elettroni e la configurazione KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p².
Perché He₂ non esiste?
He₂ ha 2 elettroni di legame e 2 di antilegame, quindi il suo ordine di legame è 0. Non c'è un legame netto. He₂⁺ ha ordine di legame 0,5 ed esiste.
B₂ è paramagnetico o diamagnetico?
B₂ è paramagnetico con 2 elettroni spaiati, uno in ciascun orbitale π2p. Questo è possibile solo se π2p sta sotto σ2p, quindi B₂ è una prova del mescolamento s–p.