Molekül Orbital Diyagramları: Bağ Derecesi, Manyetizma ve s–p Karışımı Kuralı
Kısa yanıt: Bir molekül orbital (MO) diyagramı, atom orbitallerinin bağ ve karşı bağ orbitallerine nasıl birleştiğini gösterir. Orbitalleri Hund kuralıyla aşağıdan doldurun, ardından bağ derecesi = (bağ − karşı bağ elektronları) / 2 formülünü kullanın. O₂'nin bağ derecesi 2'dir ve 2 eşleşmemiş elektronu vardır (paramanyetik). N₂'nin bağ derecesi 3'tür ve diyamanyetiktir. 14 veya daha az elektronda π2p, σ2p'nin altındadır. Ücretsiz MO diyagramı oluşturucu, H₂'den Ne₂'ye kadar her iki atomlu molekülü ve ayrıca CO, NO, CN⁻ ve HF'yi çizer.
Temel terimler tek yerde
| Molekül orbitali (MO) | Atom orbitallerinin birleşmesiyle oluşan, tüm moleküle yayılan bir orbital. |
|---|---|
| Bağ MO'su | Atom orbitallerinden daha düşük enerjilidir. Elektron yoğunluğu çekirdekler arasındadır. Simgeler: σ, π. |
| Karşı bağ MO'su | Daha yüksek enerjilidir; çekirdekler arasında bir düğüm vardır. Simgeler: σ*, π*. |
| Bağ derecesi | (bağ elektronları − karşı bağ elektronları) / 2. Bağ derecesi 0, kararlı bir bağ olmadığı anlamına gelir. |
| Paramanyetik | Bir veya daha fazla eşleşmemiş elektronu vardır ve manyetik alana çekilir. O₂ klasik örnektir. |
| Diyamanyetik | Tüm elektronlar eşleşmiştir. Manyetik alandan zayıfça itilir. N₂ ve F₂ örneklerdir. |
| HOMO ve LUMO | En yüksek dolu ve en düşük boş MO. Yarı dolu bir HOMO, SOMO olarak adlandırılır. |
MO diyagramı çizme kuralları
- Elektronları sayın. Atom numaralarını toplayın, katyonlar için yükü çıkarın, anyonlar için ekleyin. O₂'nin 16, O₂⁺'nın 15, O₂²⁻'nin 18 elektronu vardır.
- Orbital sırasını seçin. 14 veya daha az elektronda (Li₂'den N₂'ye, CO, CN⁻, NO⁺) σ2s, σ*2s, π2p, σ2p, π*2p, σ*2p sırasını kullanın. 14'ten fazla elektronda (O₂, F₂, Ne₂, NO, O₂⁻) σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p sırasını kullanın.
- Aşağıdan doldurun. Her orbital zıt spinli 2 elektron alır (Pauli ilkesi).
- Hund kuralını uygulayın. Dejenere π veya π* çiftinde, eşleştirmeden önce her orbitale birer elektron yerleştirin.
- Sonuçları okuyun. Bağ derecesini formülden, manyetizmayı eşleşmemiş elektronlardan, HOMO ve LUMO'yu dolumun en üstünden bulun.
Sıra neden azottan sonra değişir?
Değişime s–p karışımı neden olur. B, C ve N'de 2s ve 2p enerjileri birbirine yakındır. σ2s ve σ2p orbitalleri aynı simetriye sahiptir; bu yüzden etkileşir ve σ2p'yi π2p'nin üstüne iterler. Oksijenden itibaren 2s–2p farkı daha büyüktür (O için yaklaşık 16 eV, F için 21 eV), karışım zayıftır ve σ2p, π2p'nin altına düşer.
MO diyagramı oluşturucu adım adım nasıl kullanılır?
- Molekül orbital diyagramı oluşturucuyu açın.
- Molekül veya iyon alanına bir tür yazın, örneğin
O2,N2+,O2 2-,NO,COveyaCN-. Ya da Atom 1, Atom 2 ve Yük seçin. - Ya da B₂, C₂, O₂⁻ veya HF gibi bir örnek düğmesine basın.
- Orbital sırası ayarını Otomatik (14 elektron kuralı) olarak bırakın. Kuralın neden önemli olduğunu görmek için s–p karışımı yok seçeneğine geçin ve B₂'nin diyamanyetik hâle gelişini izleyin.
- Sonuç tablosunda bağ derecesini, MO dizilimini, HOMO'yu, LUMO'yu ve manyetizmayı okuyun.
- Diyagramı kaydetmek için SVG indir veya PNG indir düğmesine basın.
Çözümlü örnekler
1. Oksijen, O₂
16 elektron: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Bağ elektronları = 10 (σ1s² dahil), karşı bağ = 6. Bağ derecesi = (10 − 6)/2 = 2. İki π* elektronu paralel spinlerle ayrı orbitallerde bulunur; bu yüzden O₂'nin 2 eşleşmemiş elektronu vardır ve paramanyetiktir. Sıvı oksijen bir mıknatısın kutupları arasında tutunur; sıvı azot tutunmaz.
2. Azot, N₂
14 elektron: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p². Bağ derecesi = (10 − 4)/2 = 3. Tüm elektronlar eşleşmiştir; bu yüzden N₂ diyamanyetiktir. HOMO σ2p, LUMO π*2p'dir. Üçlü bağ, 945 kJ/mol'lük yüksek bağ enerjisini açıklar.
3. B₂ ve C₂
B₂'nin 10 elektronu vardır: KK σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. Bağ derecesi 1, 2 eşleşmemiş elektron, paramanyetik. C₂'nin 12 elektronu vardır: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴. Bağ derecesi 2, diyamanyetik. B₂'nin ölçülen paramanyetizması, hafif elementlerde π2p'nin σ2p'nin altında olduğunun deneysel kanıtıdır.
4. Oksijen serisi
O₂⁺ (15 e) bir π* elektronunu kaybeder: bağ derecesi 2,5, bağ uzunluğu 112 pm. O₂⁻, süperoksit (17 e): bağ derecesi 1,5, 133 pm. O₂²⁻, peroksit (18 e): bağ derecesi 1, 149 pm, diyamanyetik. Daha fazla karşı bağ elektronu daha uzun ve daha zayıf bir bağ verir.
5. NO ve NO⁺
NO'nun 15 elektronu vardır ve bir elektronu π*2p'dedir: bağ derecesi 2,5, paramanyetik. Bu elektronun uzaklaştırılması N₂ ile izoelektronik olan NO⁺'yı (14 e) verir: bağ derecesi 3, diyamanyetik ve bağ 115 pm'den 106 pm'ye kısalır.
6. CO ve HF (heteronükleer)
CO'nun N₂ gibi 14 elektronu vardır: bağ derecesi 3, diyamanyetik. Oksijen daha elektronegatiftir; bu yüzden atom orbitalleri daha aşağıdadır. HOMO (σ2p, 3σ olarak da adlandırılır) büyük ölçüde karbon üzerindeki ortaklanmamış bir elektron çiftidir; CO'nun metallere karbon üzerinden bağlanmasının nedeni budur. HF'de H 1s yalnızca bir F 2p orbitaliyle örtüşür. Diğer F orbitalleri bağ yapmayan orbitallerdir; bu yüzden HF'nin bağ derecesi 1'dir.
Özet tablo
| Tür | Elektron | Değerlik dizilimi | Bağ derecesi | Manyetizma |
|---|---|---|---|---|
| H₂ | 2 | σ1s² | 1 | diyamanyetik |
| He₂⁺ | 3 | σ1s² σ*1s¹ | 0.5 | paramanyetik (1) |
| Li₂ | 6 | σ2s² | 1 | diyamanyetik |
| Be₂ | 8 | σ2s² σ*2s² | 0 | kararsız |
| B₂ | 10 | σ2s² σ*2s² π2p² | 1 | paramanyetik (2) |
| C₂ | 12 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ | 2 | diyamanyetik |
| N₂, CO, CN⁻, NO⁺ | 14 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p² | 3 | diyamanyetik |
| NO, O₂⁺ | 15 | … σ2p² π2p⁴ π*2p¹ | 2.5 | paramanyetik (1) |
| O₂ | 16 | σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p² | 2 | paramanyetik (2) |
| O₂⁻ | 17 | … π*2p³ | 1.5 | paramanyetik (1) |
| F₂, O₂²⁻ | 18 | … π*2p⁴ | 1 | diyamanyetik |
| Ne₂ | 20 | … π*2p⁴ σ*2p² | 0 | kararsız |
Sık yapılan hatalar
- B₂, C₂ veya N₂ için O₂ sırasını kullanmak. Bu, B₂ ve C₂ için yanlış manyetizma verir.
- π*'deki elektronları çok erken eşleştirmek. O zaman O₂ diyamanyetik görünür; bu yanlıştır.
- İyonlar için elektron sayısını değiştirmeyi unutmak.
- Formülün bir tarafında iç kabuk elektronlarını sayıp diğer tarafında saymamak. Tüm elektronları veya yalnızca değerlik elektronlarını sayın, ancak bunu bağ ve karşı bağ için aynı şekilde yapın.
- Yalnızca tek sayıda elektronu olan türlerin paramanyetik olduğunu düşünmek. O₂ (16) ve B₂ (10) çift sayılıdır ama yine de paramanyetiktir.
Sınav ipuçları
- Sınavlar için: ikinci periyot iki atomlu molekülleri için toplam elektron sayısına göre kısayolu öğrenin: 10 → 1, 12 → 2, 14 → 3, 15 → 2,5, 16 → 2, 17 → 1,5, 18 → 1 ve 20 → 0. Tek sayılar her zaman paramanyetiktir. Çift sayılardan 10 (B₂) ve 16 (O₂, NO⁻) de paramanyetiktir.
- Sınavlar için: bağ uzunluklarını sıralamak için bağ derecelerini ters sırayla dizin: O₂²⁻ > O₂⁻ > O₂ > O₂⁺.
- AP Chemistry: MO kuramı Lewis yapılarının açıklayamadığını açıklar: O₂, Lewis yapısında tüm elektronlar eşleşmiş olmasına rağmen paramanyetiktir.
- A-level ve IB: σ ve π bağlarını uç uca ve yan yana örtüşmeyle tanımlamaya ve π bağının neden σ bağından daha zayıf olduğunu açıklamaya hazır olun.
- Üniversite: homonükleer iki atomlu moleküller için g ve u etiketlerini (σg, σu*, πu, πg*) kullanın ve MO diyagramını fotoelektron spektrumlarına ve metal karbonillerdeki CO geri bağlanmasına bağlayın.
Her yanıtı MO diyagramı oluşturucu ile saniyeler içinde kontrol edin, ardından diyagramı notlarınız için indirin.
Sorular ve yanıtlar
Molekül orbital diyagramı nedir?
İki atomun atom orbitallerini yanlarda, oluşturdukları molekül orbitallerini ortada gösteren bir enerji diyagramıdır. Elektronlar ok olarak çizilir ve diyagram bağ derecesini, manyetizmayı, HOMO'yu ve LUMO'yu verir.
MO diyagramından bağ derecesi nasıl hesaplanır?
Bağ derecesi = (bağ orbitallerindeki elektronlar − karşı bağ orbitallerindeki elektronlar) / 2. O₂ için: (10 − 6)/2 = 2. N₂ için: (10 − 4)/2 = 3.
O₂ neden paramanyetiktir?
Son iki elektronu, iki dejenere π*2p orbitaline paralel spinlerle tek tek yerleşir (Hund kuralı). İki eşleşmemiş elektron O₂'yi paramanyetik yapar.
σ2p ne zaman π2p'nin altındadır?
O₂, F₂, Ne₂ ve 14'ten fazla elektronu olan diğer türlerde. Li₂'den N₂'ye kadar ve 14 veya daha az elektronlu türlerde s–p karışımı σ2p'yi π2p'nin üstüne iter.
Hangi iki atomlu moleküllerin bağ derecesi 3'tür?
N₂, CO, CN⁻ ve NO⁺. Hepsinin 14 elektronu ve KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p² dizilimi vardır.
He₂ neden yoktur?
He₂'nin 2 bağ ve 2 karşı bağ elektronu vardır; bu yüzden bağ derecesi 0'dır. Net bir bağ yoktur. He₂⁺'nın bağ derecesi 0,5'tir ve var olur.
B₂ paramanyetik mi, diyamanyetik mi?
B₂, her π2p orbitalinde birer tane olmak üzere 2 eşleşmemiş elektronla paramanyetiktir. Bu yalnızca π2p, σ2p'nin altındaysa mümkündür; dolayısıyla B₂, s–p karışımının bir kanıtıdır.