MolDraw › 화학 도구 › 분자 오비탈 도표 생성기
분자 오비탈 도표 생성기
요약: H₂부터 Ne₂까지의 이원자 분자와 이온, 그리고 CO, NO, CN⁻, HF의 분자 오비탈 도표를 그려 주는 생성기입니다. 올바른 오비탈 순서(s–p 혼합 유무)를 사용하고 훈트 규칙으로 전자를 채우며, 결합 차수, 자기적 성질, HOMO, LUMO, MO 전자 배치를 알려 줍니다. 무료이며 웹 브라우저에서 바로 작동하고 다운로드가 필요 없습니다.
이원자 분자나 이온을 고르면 양쪽에 원자 오비탈, 가운데에 분자 오비탈이 있고 모든 전자가 화살표로 그려진 MO 에너지 도표가 나타납니다. 결과 상자에서 결합 차수와 자기적 성질을 단계별로 설명합니다.
O2, N2+, O2 2-, NO, CO, CN-, HF를 입력하거나 아래에서 원자를 고르세요.
예제
결합성 오비탈은 청록색, 반결합성 오비탈은 빨간색, 비결합성 오비탈은 회색입니다. 점선은 어떤 원자 오비탈이 결합하는지 보여 줍니다. 에너지 눈금은 개략적입니다.
MO 도표 생성기 사용 방법
- 분자 또는 이온에
O2,N2+,O2 2-,CN-같은 이원자 분자나 이온을 입력하세요. 원자 1, 원자 2, 전하를 고르거나 예제 버튼을 눌러도 됩니다. - 교과서 규칙을 쓰려면 오비탈 순서를 자동으로 두고, 비교하려면 s–p 혼합 유무를 강제로 지정하세요.
- 결과 상자에서 결합 차수, 자기적 성질, HOMO, LUMO, MO 전자 배치를 확인하세요. 도표에는 전자가 화살표로 표시됩니다.
- SVG 다운로드 또는 PNG 다운로드를 눌러 노트, 발표 자료, 학습지용으로 도표를 저장하세요.
분자 오비탈 도표의 원리
두 원자가 결합하면 원자 오비탈이 결합하여 분자 오비탈(MO)이 됩니다. 원자 오비탈 두 개는 결합성 MO 하나(에너지가 낮고 핵 사이에 전자 밀도가 있음)와 반결합성 MO 하나(에너지가 높고 *로 표시)를 만듭니다. 정면 겹침은 σ 오비탈을, p 오비탈의 측면 겹침은 π 오비탈 한 쌍을 만듭니다.
결합 차수 = (결합성 MO의 전자 수 − 반결합성 MO의 전자 수) / 2
2주기 이원자 분자의 오비탈 순서
| 화학종 | 원자가 MO의 순서 (낮은 것 → 높은 것) |
|---|---|
| Li₂ ~ N₂, 그리고 전자가 14개 이하인 모든 화학종 (CO, CN⁻, NO⁺, N₂⁺) | σ2s < σ*2s < π2p < σ2p < π*2p < σ*2p |
| O₂, F₂, Ne₂, 그리고 전자가 14개보다 많은 화학종 (O₂⁺, O₂⁻, NO) | σ2s < σ*2s < σ2p < π2p < π*2p < σ*2p |
순서가 바뀌는 이유는 s–p 혼합 때문입니다. B, C, N에서는 2s와 2p 준위가 가까워 σ2s와 σ2p가 상호 작용하고 σ2p가 π2p 위로 밀려납니다. O와 F에서는 2s–2p 간격이 커서 혼합이 약하고 σ2p가 π2p 아래에 남습니다. 전자가 15개 이상인 화학종에서는 두 순서 모두 각 오비탈의 전자 수가 같으므로 결합 차수와 자기적 성질이 달라지지 않습니다.
전자 배치 규칙
- 쌓음 원리: 가장 낮은 MO부터 채웁니다. 각 오비탈에는 스핀이 반대인 전자가 두 개까지 들어갑니다(파울리 원리).
- 훈트 규칙: π*2p 같은 축퇴된 쌍에서는 쌍을 이루기 전에 각 오비탈에 전자를 하나씩 넣습니다. 그래서 O₂에는 홀전자가 두 개 있습니다.
- 자기적 성질: 홀전자가 하나라도 있으면 상자성(자석에 끌림)입니다. 모든 전자가 쌍을 이루면 반자성입니다.
- HOMO와 LUMO: 전자가 채워진 가장 높은 MO와 비어 있는 가장 낮은 MO입니다. 반만 채워진 HOMO는 SOMO(단일 점유 MO)라고도 합니다.
이핵 이원자 분자
CO, NO, CN⁻에서는 전기 음성도가 큰 원자의 원자 오비탈 에너지가 더 낮으므로 오른쪽에 더 낮게 그립니다. 결합성 MO는 그 원자 쪽에, 반결합성 MO는 전기 음성도가 작은 원자 쪽에 더 가깝습니다. HF에서는 H 1s 오비탈이 결합 축을 따라 F 2p 오비탈과만 겹칩니다. F 2s와 나머지 F 2p 오비탈 두 개는 비결합성 비공유 전자쌍으로 남으므로 HF의 결합 차수는 1입니다.
결합 차수, 결합 길이, 결합 에너지 비교
결합 차수가 클수록 결합이 짧고 강합니다. 대략적인 결합 길이(pm)와 결합 해리 에너지(kJ/mol):
| 화학종 | 전자 수 | 결합 차수 | 자기적 성질 (홀전자 수) | 결합 길이 (pm) | 결합 에너지 (kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂⁺ | 1 | ½ | 상자성 (1) | 106 | 256 |
| H₂ | 2 | 1 | 반자성 | 74 | 436 |
| He₂⁺ | 3 | ½ | 상자성 (1) | 108 | 230 |
| He₂ | 4 | 0 | 반자성 | 결합 안 함 | 결합 안 함 |
| Li₂ | 6 | 1 | 반자성 | 267 | 105 |
| Be₂ | 8 | 0 | 반자성 | 245 | 약 10 |
| B₂ | 10 | 1 | 상자성 (2) | 159 | 290 |
| C₂ | 12 | 2 | 반자성 | 124 | 599 |
| N₂ | 14 | 3 | 반자성 | 110 | 945 |
| N₂⁺ | 13 | 2½ | 상자성 (1) | 112 | 841 |
| O₂⁺ | 15 | 2½ | 상자성 (1) | 112 | 643 |
| O₂ | 16 | 2 | 상자성 (2) | 121 | 498 |
| O₂⁻ (초과산화 이온) | 17 | 1½ | 상자성 (1) | 133 | 해당 없음 |
| O₂²⁻ (과산화 이온) | 18 | 1 | 반자성 | 149 | 해당 없음 |
| F₂ | 18 | 1 | 반자성 | 142 | 159 |
| Ne₂ | 20 | 0 | 반자성 | 결합 안 함 | 결합 안 함 |
| CO | 14 | 3 | 반자성 | 113 | 1076 |
| NO⁺ | 14 | 3 | 반자성 | 106 | 1050 |
| CN⁻ | 14 | 3 | 반자성 | 116 | 해당 없음 |
| NO | 15 | 2½ | 상자성 (1) | 115 | 631 |
| HF | 10 | 1 | 반자성 | 92 | 570 |
산소 계열의 경향: O₂⁺ (2½, 112 pm) > O₂ (2, 121 pm) > O₂⁻ (1½, 133 pm) > O₂²⁻ (1, 149 pm). 등전자 화학종(전자 14개인 N₂, CO, CN⁻, NO⁺)은 모두 결합 차수가 3입니다.
풀이 예제
O₂: 액체 산소가 자석에 붙는 이유
전자 16개: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p².
결합성 10개(σ1s 포함), 반결합성 6개. 두 π* 전자는 훈트 규칙에 따라 홀전자입니다.
결합 차수 2, 상자성, 홀전자 2개
N₂: 삼중 결합
전자 14개, s–p 혼합 순서: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p².
결합 차수 = (10 − 4)/2.
결합 차수 3, 반자성, HOMO σ2p
B₂와 C₂ (JEE·NEET 단골 문제)
B₂(전자 10개): π2p¹ π2p¹이므로 홀전자 2개. C₂(전자 12개): π2p⁴, 모두 쌍을 이룸.
s–p 혼합이 없다면 B₂는 반자성이 되어 실험 결과와 맞지 않습니다.
B₂ 상자성 (BO 1); C₂ 반자성 (BO 2)
NO, NO⁺, NO⁻
NO는 전자가 15개로 π*2p에 전자가 하나 있습니다. NO⁺(14개)는 그 전자를 잃고, NO⁻(16개)는 O₂와 같습니다.
NO의 BO = (10 − 5)/2.
NO 2½ (홀전자 1개), NO⁺ 3, NO⁻ 2 (홀전자 2개)
CO: HOMO와 LUMO
N₂처럼 전자가 14개입니다. HOMO는 σ2p(3σ)로 대부분 탄소의 비공유 전자쌍이며, LUMO는 π*2p입니다.
그래서 CO는 탄소 쪽으로 금속과 결합하고 π*로 역결합 전자를 받아들입니다.
결합 차수 3, 반자성
He₂와 He₂⁺
He₂: σ1s² σ*1s², 결합성 = 반결합성. He₂⁺: σ1s² σ*1s¹.
He₂⁺의 BO = (2 − 1)/2.
He₂ 결합 차수 0 (불안정); He₂⁺ 결합 차수 ½
흔한 실수
- N₂나 B₂에 잘못된 순서 쓰기. B₂에 O₂의 순서를 쓰면 반자성 분자로 잘못 예측합니다. 전자 14개까지는 π2p가 σ2p보다 먼저입니다.
- 너무 일찍 쌍 만들기. 축퇴된 π 또는 π* 쌍에서는 처음 두 전자가 스핀이 평행한 채로 서로 다른 오비탈에 들어갑니다.
- 전하 잊기. 양전하는 전자를 빼고(O₂⁺는 15개), 음전하는 전자를 더합니다(O₂²⁻는 18개).
- 내각 전자와 원자가 전자 수 혼동하기. σ1s와 σ*1s 내각 쌍이 상쇄되므로 전체 전자를 세든 원자가 전자만 세든 결합 차수는 같습니다. 일관되게만 세면 됩니다.
- 결합 차수 0을 약한 결합이라고 하기. 결합 차수 0(He₂, Be₂, Ne₂)은 알짜 공유 결합이 없다는 뜻이며, 안정한 분자로 존재하지 않을 것으로 예상됩니다.
- 상자성에는 홀수 개의 전자가 필요하다고 생각하기. O₂는 전자 수가 짝수인데도 상자성입니다.
노트나 시험용으로 분자를 그리나요? 무료 온라인 화학 구조 편집기 MolDraw에서 루이스 구조, 공명 구조, 반응 메커니즘을 그려 보세요.
MolDraw 편집기 열기자주 묻는 질문
O₂의 결합 차수는 얼마인가요?
O₂의 전자는 16개입니다: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². 결합성 전자 = 10, 반결합성 전자 = 6(1s 내각 전자 포함)이므로 결합 차수 = (10 − 6)/2 = 2입니다.
O₂는 왜 상자성인가요?
마지막 두 전자는 축퇴된 두 π*2p 오비탈에 들어갑니다. 훈트 규칙에 따라 스핀이 평행한 채로 서로 다른 오비탈을 차지하므로 O₂는 홀전자가 2개이고 자기장에 끌립니다.
N₂와 O₂는 왜 MO 순서가 다른가요?
B, C, N에서는 2s와 2p 준위가 가까워 s–p 혼합으로 σ2p가 π2p보다 위로 올라갑니다. O와 F에서는 간격이 커서 σ2p가 π2p 아래에 남습니다. 일반적으로 전자가 14개 이하인 화학종은 혼합된 순서를 씁니다.
B₂는 왜 상자성이고 C₂는 반자성인가요?
s–p 혼합이 있으면 π2p가 σ2p보다 아래에 놓입니다. B₂(전자 10개)는 각 π2p 오비탈에 전자를 하나씩 넣으므로 홀전자가 2개입니다. C₂(전자 12개)는 두 π2p 오비탈을 모두 채우므로 모든 전자가 쌍을 이룹니다.
NO, NO⁺, NO⁻의 결합 차수는 얼마인가요?
NO는 전자가 15개이고 π*2p에 홀전자가 하나 있으므로 결합 차수는 2.5입니다. NO⁺(전자 14개)는 결합 차수 3이며 반자성입니다. NO⁻(전자 16개)는 O₂처럼 결합 차수 2이고 홀전자가 2개입니다.
CO의 HOMO는 어떤 오비탈인가요?
CO의 HOMO는 σ2p 오비탈(3σ라고도 함)로, 대부분 탄소의 비공유 전자쌍입니다. LUMO는 π*2p입니다. 그래서 CO는 탄소 쪽으로 금속과 결합합니다.
결합 차수는 결합 길이 및 결합 에너지와 어떤 관계가 있나요?
결합 차수가 클수록 결합이 짧고 강합니다. 산소 계열의 경우: O₂⁺(2.5) 112 pm, O₂(2) 121 pm, O₂⁻(1.5) 133 pm, O₂²⁻(1) 149 pm.
관련 화학 도구
최종 업데이트: