MolDraw › เครื่องมือเคมี › เครื่องสร้างแผนภาพออร์บิทัลเชิงโมเลกุล
เครื่องมือสร้างแผนภาพออร์บิทัลเชิงโมเลกุล
สรุปสั้น ๆ: เครื่องสร้างแผนภาพออร์บิทัลเชิงโมเลกุลสำหรับโมเลกุลและไอออนอะตอมคู่ตั้งแต่ H₂ ถึง Ne₂ รวมถึง CO, NO, CN⁻ และ HF ใช้ลำดับออร์บิทัลที่ถูกต้อง (มีหรือไม่มี s–p mixing) บรรจุอิเล็กตรอนตามกฎของฮุนด์ และบอกอันดับพันธะ สมบัติแม่เหล็ก HOMO, LUMO และการจัดเรียง MO ใช้งานฟรี ทำงานในเว็บเบราว์เซอร์ และไม่ต้องดาวน์โหลด
เลือกโมเลกุลหรือไอออนอะตอมคู่เพื่อดูแผนภาพระดับพลังงาน MO โดยมีออร์บิทัลเชิงอะตอมอยู่สองข้าง ออร์บิทัลเชิงโมเลกุลอยู่ตรงกลาง และวาดอิเล็กตรอนทุกตัวเป็นลูกศร กล่องผลลัพธ์อธิบายอันดับพันธะและสมบัติแม่เหล็กทีละขั้นตอน
พิมพ์ O2, N2+, O2 2-, NO, CO, CN- หรือ HF หรือเลือกอะตอมด้านล่าง
ตัวอย่าง
ออร์บิทัลพันธะเป็นสีเขียวอมฟ้า ออร์บิทัลต้านพันธะเป็นสีแดง และออร์บิทัลไม่สร้างพันธะเป็นสีเทา เส้นประแสดงว่าออร์บิทัลเชิงอะตอมใดรวมกัน มาตราส่วนพลังงานเป็นเพียงแผนภาพโดยประมาณ
วิธีใช้เครื่องสร้างแผนภาพ MO
- พิมพ์โมเลกุลหรือไอออนอะตอมคู่ในช่อง โมเลกุลหรือไอออน เช่น
O2,N2+,O2 2-หรือCN-หรือเลือก อะตอม 1, อะตอม 2 และ ประจุ หรือกดปุ่มตัวอย่าง - ตั้ง ลำดับออร์บิทัล ไว้ที่ อัตโนมัติ เพื่อใช้กฎตามตำราเรียน หรือบังคับลำดับแบบมีหรือไม่มี s–p mixing เพื่อเปรียบเทียบ
- อ่านอันดับพันธะ สมบัติแม่เหล็ก HOMO, LUMO และการจัดเรียง MO ในกล่องผลลัพธ์ แผนภาพแสดงอิเล็กตรอนเป็นลูกศร
- กด ดาวน์โหลด SVG หรือ ดาวน์โหลด PNG เพื่อบันทึกแผนภาพไว้ใช้ในสมุดโน้ต สไลด์ หรือใบงาน
แผนภาพออร์บิทัลเชิงโมเลกุลทำงานอย่างไร
เมื่ออะตอมสองอะตอมสร้างพันธะ ออร์บิทัลเชิงอะตอมจะรวมกันเป็นออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (MO) ออร์บิทัลเชิงอะตอมสองออร์บิทัลให้ MO พันธะ (bonding) หนึ่งออร์บิทัล (พลังงานต่ำกว่า ความหนาแน่นอิเล็กตรอนอยู่ระหว่างนิวเคลียส) และ MO ต้านพันธะ (antibonding) หนึ่งออร์บิทัล (พลังงานสูงกว่า ทำเครื่องหมาย *) การซ้อนเหลื่อมแบบหัวชนหัวให้ออร์บิทัล σ ส่วนการซ้อนเหลื่อมด้านข้างของออร์บิทัล p ให้ออร์บิทัล π หนึ่งคู่
อันดับพันธะ = (อิเล็กตรอนใน MO พันธะ − อิเล็กตรอนใน MO ต้านพันธะ) / 2
ลำดับออร์บิทัลของโมเลกุลอะตอมคู่ในคาบที่ 2
| สปีชีส์ | ลำดับ MO เวเลนซ์ (ต่ำไปสูง) |
|---|---|
| Li₂ ถึง N₂ และสปีชีส์ใดที่มีอิเล็กตรอนไม่เกิน 14 ตัว (CO, CN⁻, NO⁺, N₂⁺) | σ2s < σ*2s < π2p < σ2p < π*2p < σ*2p |
| O₂, F₂, Ne₂ และสปีชีส์ที่มีอิเล็กตรอนมากกว่า 14 ตัว (O₂⁺, O₂⁻, NO) | σ2s < σ*2s < σ2p < π2p < π*2p < σ*2p |
การสลับลำดับเกิดจาก s–p mixing ใน B, C และ N ระดับ 2s และ 2p อยู่ใกล้กัน σ2s และ σ2p จึงอันตรกิริยากัน และ σ2p ถูกดันให้สูงกว่า π2p ใน O และ F ช่องว่าง 2s–2p กว้าง การผสมจึงอ่อน และ σ2p ยังต่ำกว่า π2p สำหรับสปีชีส์ที่มีอิเล็กตรอน 15 ตัวขึ้นไป ทั้งสองลำดับให้จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละออร์บิทัลเท่ากัน อันดับพันธะและสมบัติแม่เหล็กจึงไม่เปลี่ยน
กฎการบรรจุอิเล็กตรอน
- หลักอาฟบาว (Aufbau): บรรจุ MO ที่ต่ำที่สุดก่อน แต่ละออร์บิทัลรับอิเล็กตรอนได้สองตัวที่มีสปินตรงข้ามกัน (หลักของเพาลี)
- กฎของฮุนด์: ในคู่ออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากัน เช่น π*2p ให้ใส่อิเล็กตรอนออร์บิทัลละหนึ่งตัวก่อนจับคู่ นี่คือเหตุผลที่ O₂ มีอิเล็กตรอนไม่เป็นคู่สองตัว
- สมบัติแม่เหล็ก: อิเล็กตรอนไม่เป็นคู่ใด ๆ ทำให้สปีชีส์เป็นพาราแมกเนติก (ถูกแม่เหล็กดึงดูด) ถ้าอิเล็กตรอนเป็นคู่ทั้งหมดจะเป็นไดอะแมกเนติก
- HOMO และ LUMO: MO ที่มีอิเล็กตรอนสูงที่สุดและ MO ว่างที่ต่ำที่สุด HOMO ที่บรรจุครึ่งเดียวเรียกอีกชื่อว่า SOMO (singly occupied MO)
โมเลกุลอะตอมคู่ต่างนิวเคลียส
ใน CO, NO และ CN⁻ อะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่ามีออร์บิทัลเชิงอะตอมพลังงานต่ำกว่า จึงวาดไว้ต่ำกว่าทางด้านขวา MO พันธะอยู่ใกล้อะตอมนั้นมากกว่า ส่วน MO ต้านพันธะอยู่ใกล้อะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่า ใน HF ออร์บิทัล 1s ของ H ซ้อนเหลื่อมเฉพาะกับออร์บิทัล 2p ของ F ตามแนวพันธะ ส่วน 2s ของ F และ 2p อีกสองออร์บิทัลยังเป็นอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวที่ไม่สร้างพันธะ HF จึงมีอันดับพันธะ 1
เปรียบเทียบอันดับพันธะ ความยาวพันธะ และพลังงานพันธะ
อันดับพันธะสูงขึ้นหมายถึงพันธะสั้นลงและแข็งแรงขึ้น ความยาวพันธะโดยประมาณเป็น pm และพลังงานสลายพันธะเป็น kJ/mol:
| สปีชีส์ | อิเล็กตรอน | อันดับพันธะ | สมบัติแม่เหล็ก (ไม่เป็นคู่) | ความยาวพันธะ (pm) | พลังงานพันธะ (kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂⁺ | 1 | ½ | พาราแมกเนติก (1) | 106 | 256 |
| H₂ | 2 | 1 | ไดอะแมกเนติก | 74 | 436 |
| He₂⁺ | 3 | ½ | พาราแมกเนติก (1) | 108 | 230 |
| He₂ | 4 | 0 | ไดอะแมกเนติก | ไม่เกิดพันธะ | ไม่เกิดพันธะ |
| Li₂ | 6 | 1 | ไดอะแมกเนติก | 267 | 105 |
| Be₂ | 8 | 0 | ไดอะแมกเนติก | 245 | ประมาณ 10 |
| B₂ | 10 | 1 | พาราแมกเนติก (2) | 159 | 290 |
| C₂ | 12 | 2 | ไดอะแมกเนติก | 124 | 599 |
| N₂ | 14 | 3 | ไดอะแมกเนติก | 110 | 945 |
| N₂⁺ | 13 | 2½ | พาราแมกเนติก (1) | 112 | 841 |
| O₂⁺ | 15 | 2½ | พาราแมกเนติก (1) | 112 | 643 |
| O₂ | 16 | 2 | พาราแมกเนติก (2) | 121 | 498 |
| O₂⁻ (ซูเปอร์ออกไซด์) | 17 | 1½ | พาราแมกเนติก (1) | 133 | ไม่มีข้อมูล |
| O₂²⁻ (เพอร์ออกไซด์) | 18 | 1 | ไดอะแมกเนติก | 149 | ไม่มีข้อมูล |
| F₂ | 18 | 1 | ไดอะแมกเนติก | 142 | 159 |
| Ne₂ | 20 | 0 | ไดอะแมกเนติก | ไม่เกิดพันธะ | ไม่เกิดพันธะ |
| CO | 14 | 3 | ไดอะแมกเนติก | 113 | 1076 |
| NO⁺ | 14 | 3 | ไดอะแมกเนติก | 106 | 1050 |
| CN⁻ | 14 | 3 | ไดอะแมกเนติก | 116 | ไม่มีข้อมูล |
| NO | 15 | 2½ | พาราแมกเนติก (1) | 115 | 631 |
| HF | 10 | 1 | ไดอะแมกเนติก | 92 | 570 |
แนวโน้มในอนุกรมของออกซิเจน: O₂⁺ (2½, 112 pm) > O₂ (2, 121 pm) > O₂⁻ (1½, 133 pm) > O₂²⁻ (1, 149 pm) สปีชีส์ที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน (N₂, CO, CN⁻, NO⁺ ที่มี 14 อิเล็กตรอน) ล้วนมีอันดับพันธะ 3
ตัวอย่างโจทย์
O₂: ทำไมออกซิเจนเหลวจึงติดแม่เหล็ก
16 อิเล็กตรอน: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p²
พันธะ 10 (รวม σ1s) ต้านพันธะ 6 อิเล็กตรอน π* สองตัวไม่เป็นคู่ตามกฎของฮุนด์
อันดับพันธะ 2 พาราแมกเนติก ไม่เป็นคู่ 2 ตัว
N₂: พันธะสาม
14 อิเล็กตรอน ลำดับแบบมี s–p mixing: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p²
อันดับพันธะ = (10 − 4)/2
อันดับพันธะ 3 ไดอะแมกเนติก HOMO คือ σ2p
B₂ และ C₂ (ออกสอบบ่อยใน JEE และ NEET)
B₂ (10 e): π2p¹ π2p¹ ให้อิเล็กตรอนไม่เป็นคู่ 2 ตัว C₂ (12 e): π2p⁴ เป็นคู่ทั้งหมด
หากไม่มี s–p mixing B₂ จะเป็นไดอะแมกเนติก ซึ่งขัดกับผลการทดลอง
B₂ พาราแมกเนติก (BO 1); C₂ ไดอะแมกเนติก (BO 2)
NO, NO⁺ และ NO⁻
NO มี 15 อิเล็กตรอน: มีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวใน π*2p NO⁺ (14) เสียอิเล็กตรอนตัวนั้นไป ส่วน NO⁻ (16) เหมือน O₂
BO = (10 − 5)/2 สำหรับ NO
NO 2½ (ไม่เป็นคู่ 1 ตัว), NO⁺ 3, NO⁻ 2 (ไม่เป็นคู่ 2 ตัว)
CO: HOMO และ LUMO
14 อิเล็กตรอนเหมือน N₂ HOMO คือ σ2p (3σ) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของคาร์บอน ส่วน LUMO คือ π*2p
นี่คือเหตุผลที่ CO จับกับโลหะผ่านคาร์บอนและรับพันธะย้อนกลับ (back-bonding) เข้าสู่ π*
อันดับพันธะ 3 ไดอะแมกเนติก
He₂ และ He₂⁺
He₂: σ1s² σ*1s² พันธะ = ต้านพันธะ He₂⁺: σ1s² σ*1s¹
BO = (2 − 1)/2 สำหรับ He₂⁺
He₂ อันดับพันธะ 0 (ไม่เสถียร); He₂⁺ อันดับพันธะ ½
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- ใช้ลำดับผิดสำหรับ N₂ หรือ B₂ หากใช้ลำดับของ O₂ กับ B₂ จะทำนายว่าเป็นโมเลกุลไดอะแมกเนติก สำหรับอิเล็กตรอนไม่เกิน 14 ตัว π2p มาก่อน σ2p
- จับคู่เร็วเกินไป ในคู่ π หรือ π* ที่มีพลังงานเท่ากัน อิเล็กตรอนสองตัวแรกจะเข้าคนละออร์บิทัลโดยมีสปินขนาน
- ลืมประจุ ประจุบวกหมายถึงเอาอิเล็กตรอนออก (O₂⁺ มี 15) ประจุลบหมายถึงเพิ่มอิเล็กตรอน (O₂²⁻ มี 18)
- สับสนระหว่างการนับอิเล็กตรอนแกนกลางและเวเลนซ์ การนับอิเล็กตรอนทั้งหมดหรือเฉพาะเวเลนซ์ให้อันดับพันธะเท่ากัน เพราะคู่แกน σ1s และ σ*1s หักล้างกัน ขอเพียงนับให้สม่ำเสมอ
- เรียกอันดับพันธะ 0 ว่าพันธะอ่อน อันดับพันธะ 0 (He₂, Be₂, Ne₂) หมายถึงไม่มีพันธะโคเวเลนต์สุทธิ สปีชีส์นั้นไม่น่าจะดำรงอยู่เป็นโมเลกุลที่เสถียร
- คิดว่าพาราแมกเนติกต้องมีจำนวนอิเล็กตรอนเป็นเลขคี่ O₂ มีจำนวนอิเล็กตรอนเป็นเลขคู่แต่ก็ยังเป็นพาราแมกเนติก
วาดโมเลกุลสำหรับสมุดโน้ตหรือข้อสอบ? วาดโครงสร้างลิวอิส เรโซแนนซ์ และกลไกปฏิกิริยาใน MolDraw ตัวแก้ไขโครงสร้างเคมีออนไลน์ฟรี
เปิดตัวแก้ไข MolDrawคำถามที่พบบ่อย
อันดับพันธะของ O₂ เป็นเท่าใด?
O₂ มี 16 อิเล็กตรอน: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p² อิเล็กตรอนในออร์บิทัลพันธะ = 10 และในออร์บิทัลต้านพันธะ = 6 (นับรวมแกน 1s) ดังนั้นอันดับพันธะ = (10 − 6)/2 = 2
ทำไม O₂ จึงเป็นพาราแมกเนติก?
อิเล็กตรอนสองตัวสุดท้ายเข้าไปในออร์บิทัล π*2p สองออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากัน ตามกฎของฮุนด์ อิเล็กตรอนจะอยู่แยกออร์บิทัลกันโดยมีสปินขนาน O₂ จึงมีอิเล็กตรอนไม่เป็นคู่ 2 ตัว และถูกดึงดูดเข้าหาสนามแม่เหล็ก
ทำไมลำดับ MO ของ N₂ และ O₂ จึงต่างกัน?
ใน B, C และ N ระดับพลังงาน 2s และ 2p อยู่ใกล้กัน s–p mixing จึงดัน σ2p ให้สูงกว่า π2p ส่วนใน O และ F ช่องว่างพลังงานกว้าง σ2p จึงยังต่ำกว่า π2p โดยหลักทั่วไป สปีชีส์ที่มีอิเล็กตรอนไม่เกิน 14 ตัวใช้ลำดับแบบมีการผสม
ทำไม B₂ เป็นพาราแมกเนติก แต่ C₂ เป็นไดอะแมกเนติก?
เมื่อมี s–p mixing ออร์บิทัล π2p จะต่ำกว่า σ2p B₂ (10 อิเล็กตรอน) ใส่อิเล็กตรอนหนึ่งตัวในแต่ละออร์บิทัล π2p จึงมีอิเล็กตรอนไม่เป็นคู่ 2 ตัว ส่วน C₂ (12 อิเล็กตรอน) บรรจุ π2p เต็มทั้งสองออร์บิทัล อิเล็กตรอนทั้งหมดจึงเป็นคู่
อันดับพันธะของ NO, NO⁺ และ NO⁻ เป็นเท่าใด?
NO มี 15 อิเล็กตรอน โดยมีอิเล็กตรอนไม่เป็นคู่หนึ่งตัวใน π*2p จึงมีอันดับพันธะ 2.5 NO⁺ (14 อิเล็กตรอน) มีอันดับพันธะ 3 และเป็นไดอะแมกเนติก NO⁻ (16 อิเล็กตรอน) มีอันดับพันธะ 2 และมีอิเล็กตรอนไม่เป็นคู่สองตัวเหมือน O₂
ออร์บิทัลใดเป็น HOMO ของ CO?
HOMO ของ CO คือออร์บิทัล σ2p (เรียกอีกชื่อว่า 3σ) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบนคาร์บอน ส่วน LUMO คือ π*2p ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไม CO จึงสร้างพันธะกับโลหะผ่านทางคาร์บอน
อันดับพันธะสัมพันธ์กับความยาวพันธะและพลังงานพันธะอย่างไร?
อันดับพันธะสูงขึ้นทำให้พันธะสั้นลงและแข็งแรงขึ้น สำหรับอนุกรมของออกซิเจน: O₂⁺ (2.5) 112 pm, O₂ (2) 121 pm, O₂⁻ (1.5) 133 pm และ O₂²⁻ (1) 149 pm
เครื่องมือเคมีที่เกี่ยวข้อง
อัปเดตล่าสุด: