MolDraw › Химические инструменты › Генератор диаграмм молекулярных орбиталей
Генератор диаграмм молекулярных орбиталей
Коротко: генератор диаграмм молекулярных орбиталей для двухатомных молекул и ионов от H₂ до Ne₂, а также CO, NO, CN⁻ и HF. Он использует правильный порядок орбиталей (с s–p-смешиванием или без), заполняет электроны по правилу Хунда и даёт порядок связи, магнетизм, ВЗМО, НСМО и МО-конфигурацию. Бесплатно, работает в браузере и не требует установки.
Выберите двухатомную молекулу или ион, чтобы увидеть энергетическую диаграмму МО: атомные орбитали по бокам, молекулярные орбитали в центре, каждый электрон показан стрелкой. В блоке результата пошагово объясняются порядок связи и магнетизм.
Введите O2, N2+, O2 2-, NO, CO, CN- или HF либо выберите атомы ниже.
Примеры
Связывающие орбитали бирюзовые, разрыхляющие — красные, несвязывающие — серые. Пунктир показывает, какие атомные орбитали комбинируются. Шкала энергии схематична.
Как пользоваться генератором диаграмм МО
- Введите двухатомную молекулу или ион в поле Молекула или ион, например
O2,N2+,O2 2-илиCN-. Можно также выбрать Атом 1, Атом 2 и Заряд или нажать кнопку с примером. - Оставьте Порядок орбиталей в режиме Автоматически, чтобы использовать правило из учебника, или задайте порядок с s–p-смешиванием или без него для сравнения.
- Посмотрите порядок связи, магнетизм, ВЗМО, НСМО и МО-конфигурацию в блоке результата. На диаграмме электроны показаны стрелками.
- Нажмите Скачать SVG или Скачать PNG, чтобы сохранить диаграмму для конспектов, слайдов или рабочих листов.
Как устроена диаграмма молекулярных орбиталей
При образовании связи атомные орбитали двух атомов комбинируются в молекулярные орбитали (МО). Две атомные орбитали дают одну связывающую МО (ниже по энергии, электронная плотность между ядрами) и одну разрыхляющую МО (выше по энергии, отмечается *). Перекрывание «лоб в лоб» даёт σ-орбитали; боковое перекрывание p-орбиталей даёт пару π-орбиталей.
Порядок связи = (электроны на связывающих МО − электроны на разрыхляющих МО) / 2
Порядок орбиталей для двухатомных молекул второго периода
| Частица | Порядок валентных МО (снизу вверх) |
|---|---|
| От Li₂ до N₂ и любые частицы с 14 и менее электронами (CO, CN⁻, NO⁺, N₂⁺) | σ2s < σ*2s < π2p < σ2p < π*2p < σ*2p |
| O₂, F₂, Ne₂ и частицы с более чем 14 электронами (O₂⁺, O₂⁻, NO) | σ2s < σ*2s < σ2p < π2p < π*2p < σ*2p |
Смена порядка вызвана s–p-смешиванием. У B, C и N уровни 2s и 2p близки, поэтому σ2s и σ2p взаимодействуют, и σ2p поднимается выше π2p. У O и F разрыв 2s–2p велик, смешивание слабое, и σ2p остаётся ниже π2p. Для частиц с 15 и более электронами оба порядка дают одинаковое число электронов на каждой орбитали, поэтому порядок связи и магнетизм не меняются.
Правила заполнения
- Принцип наименьшей энергии: сначала заполняется самая низкая МО. На каждой орбитали два электрона с противоположными спинами (принцип Паули).
- Правило Хунда: в вырожденной паре, например π*2p, сначала помещают по одному электрону на каждую орбиталь, а уже потом спаривают. Поэтому у O₂ два неспаренных электрона.
- Магнетизм: любой неспаренный электрон делает частицу парамагнитной (притягивается магнитом). Если все электроны спарены, частица диамагнитна.
- ВЗМО и НСМО: высшая занятая и низшая свободная МО. Наполовину заполненную ВЗМО также называют ОЗМО (однократно занятая МО).
Гетероядерные двухатомные молекулы
В CO, NO и CN⁻ у более электроотрицательного атома атомные орбитали ниже по энергии, поэтому его рисуют ниже справа. Связывающие МО ближе к этому атому, разрыхляющие — к менее электроотрицательному. В HF орбиталь 1s водорода перекрывается только с орбиталью 2p фтора вдоль связи. Орбиталь 2s фтора и две другие его орбитали 2p остаются несвязывающими неподелёнными парами, поэтому порядок связи в HF равен 1.
Сравнение порядка, длины и энергии связи
Чем выше порядок связи, тем короче и прочнее связь. Приблизительные длины связей в pm и энергии диссоциации связей в kJ/mol:
| Частица | Электроны | Порядок связи | Магнетизм (неспаренные) | Длина связи (pm) | Энергия связи (kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂⁺ | 1 | ½ | парамагнитна (1) | 106 | 256 |
| H₂ | 2 | 1 | диамагнитна | 74 | 436 |
| He₂⁺ | 3 | ½ | парамагнитна (1) | 108 | 230 |
| He₂ | 4 | 0 | диамагнитна | связи нет | связи нет |
| Li₂ | 6 | 1 | диамагнитна | 267 | 105 |
| Be₂ | 8 | 0 | диамагнитна | 245 | около 10 |
| B₂ | 10 | 1 | парамагнитна (2) | 159 | 290 |
| C₂ | 12 | 2 | диамагнитна | 124 | 599 |
| N₂ | 14 | 3 | диамагнитна | 110 | 945 |
| N₂⁺ | 13 | 2½ | парамагнитна (1) | 112 | 841 |
| O₂⁺ | 15 | 2½ | парамагнитна (1) | 112 | 643 |
| O₂ | 16 | 2 | парамагнитна (2) | 121 | 498 |
| O₂⁻ (супероксид) | 17 | 1½ | парамагнитна (1) | 133 | н/д |
| O₂²⁻ (пероксид) | 18 | 1 | диамагнитна | 149 | н/д |
| F₂ | 18 | 1 | диамагнитна | 142 | 159 |
| Ne₂ | 20 | 0 | диамагнитна | связи нет | связи нет |
| CO | 14 | 3 | диамагнитна | 113 | 1076 |
| NO⁺ | 14 | 3 | диамагнитна | 106 | 1050 |
| CN⁻ | 14 | 3 | диамагнитна | 116 | н/д |
| NO | 15 | 2½ | парамагнитна (1) | 115 | 631 |
| HF | 10 | 1 | диамагнитна | 92 | 570 |
Тенденция в ряду кислорода: O₂⁺ (2½, 112 pm) > O₂ (2, 121 pm) > O₂⁻ (1½, 133 pm) > O₂²⁻ (1, 149 pm). Изоэлектронные частицы (N₂, CO, CN⁻, NO⁺ с 14 электронами) все имеют порядок связи 3.
Разобранные примеры
O₂: почему жидкий кислород притягивается к магниту
16 электронов: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p².
Связывающих 10 (с σ1s), разрыхляющих 6. Два электрона на π* неспарены по правилу Хунда.
Порядок связи 2, парамагнитен, 2 неспаренных
N₂: тройная связь
14 электронов, порядок со смешиванием s–p: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p².
Порядок связи = (10 − 4)/2.
Порядок связи 3, диамагнитен, ВЗМО σ2p
B₂ и C₂ (любимый экзаменационный вопрос)
B₂ (10 e): π2p¹ π2p¹ даёт 2 неспаренных электрона. C₂ (12 e): π2p⁴, все спарены.
Без s–p-смешивания B₂ был бы диамагнитен, что противоречит эксперименту.
B₂ парамагнитен (ПС 1); C₂ диамагнитен (ПС 2)
NO, NO⁺ и NO⁻
У NO 15 электронов: один электрон на π*2p. NO⁺ (14) теряет его; NO⁻ (16) подобен O₂.
ПС = (10 − 5)/2 для NO.
NO 2½ (1 неспаренный), NO⁺ 3, NO⁻ 2 (2 неспаренных)
CO: ВЗМО и НСМО
14 электронов, как у N₂. ВЗМО — σ2p (3σ), в основном неподелённая пара углерода; НСМО — π*2p.
Поэтому CO связывается с металлами через углерод и принимает обратное донирование на π*.
Порядок связи 3, диамагнитен
He₂ и He₂⁺
He₂: σ1s² σ*1s², связывающих = разрыхляющих. He₂⁺: σ1s² σ*1s¹.
ПС = (2 − 1)/2 для He₂⁺.
He₂ порядок связи 0 (неустойчив); He₂⁺ порядок связи ½
Частые ошибки
- Неверный порядок для N₂ или B₂. Порядок O₂ для B₂ предсказывает диамагнитную молекулу. До 14 электронов π2p идёт раньше σ2p.
- Слишком раннее спаривание. В вырожденной паре π или π* первые два электрона занимают разные орбитали с параллельными спинами.
- Забытый заряд. Положительный заряд убирает электроны (у O₂⁺ их 15), отрицательный добавляет (у O₂²⁻ их 18).
- Путаница между полным и валентным подсчётом. Подсчёт всех электронов или только валентных даёт одинаковый порядок связи, потому что пара остова σ1s и σ*1s взаимно компенсируется. Главное — быть последовательным.
- Порядок связи 0 — это не слабая связь. Порядок связи 0 (He₂, Be₂, Ne₂) означает отсутствие результирующей ковалентной связи; такая частица не должна существовать как устойчивая молекула.
- Мнение, что парамагнетизм требует нечётного числа электронов. У O₂ чётное число электронов, но он всё равно парамагнитен.
Рисуете молекулы для конспектов или экзаменов? Рисуйте структуры Льюиса, резонанс и механизмы реакций в MolDraw — бесплатном онлайн-редакторе химических структур.
Открыть редактор MolDrawЧасто задаваемые вопросы
Каков порядок связи в O₂?
У O₂ 16 электронов: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Связывающих электронов 10, разрыхляющих 6 (с учётом остова 1s), поэтому порядок связи = (10 − 6)/2 = 2.
Почему O₂ парамагнитен?
Последние два электрона попадают на две вырожденные орбитали π*2p. По правилу Хунда они занимают разные орбитали с параллельными спинами, поэтому у O₂ 2 неспаренных электрона и он втягивается в магнитное поле.
Почему порядок МО у N₂ и O₂ разный?
У B, C и N уровни 2s и 2p близки, поэтому s–p-смешивание поднимает σ2p выше π2p. У O и F разрыв большой, и σ2p остаётся ниже π2p. Как правило, частицы с 14 и менее электронами используют порядок со смешиванием.
Почему B₂ парамагнитен, а C₂ диамагнитен?
При s–p-смешивании π2p лежит ниже σ2p. B₂ (10 электронов) помещает по одному электрону на каждую орбиталь π2p, что даёт 2 неспаренных электрона. C₂ (12 электронов) заполняет обе орбитали π2p, поэтому все электроны спарены.
Каков порядок связи в NO, NO⁺ и NO⁻?
У NO 15 электронов, один неспаренный электрон на π*2p, поэтому порядок связи 2,5. У NO⁺ (14 электронов) порядок связи 3, он диамагнитен. У NO⁻ (16 электронов) порядок связи 2 и два неспаренных электрона, как у O₂.
Какая орбиталь является ВЗМО у CO?
ВЗМО у CO — орбиталь σ2p (её также называют 3σ), в основном неподелённая пара на углероде. НСМО — π*2p. Это объясняет, почему CO связывается с металлами через углерод.
Как порядок связи связан с длиной и энергией связи?
Чем выше порядок связи, тем короче и прочнее связь. Для ряда кислорода: O₂⁺ (2,5) 112 pm, O₂ (2) 121 pm, O₂⁻ (1,5) 133 pm и O₂²⁻ (1) 149 pm.
Похожие химические инструменты
Последнее обновление: