MolDraw › Công cụ hóa học › Tạo giản đồ orbital phân tử
Tạo giản đồ orbital phân tử
Tóm tắt: Công cụ tạo giản đồ orbital phân tử cho phân tử và ion hai nguyên tử từ H₂ đến Ne₂, cùng CO, NO, CN⁻ và HF. Nó dùng đúng thứ tự orbital (có hoặc không có tương tác s–p), điền electron theo quy tắc Hund và cho biết bậc liên kết, từ tính, HOMO, LUMO và cấu hình MO. Miễn phí, chạy trên trình duyệt web và không cần tải về.
Chọn một phân tử hoặc ion hai nguyên tử để xem giản đồ năng lượng MO với orbital nguyên tử ở hai bên, orbital phân tử ở giữa và mỗi electron được vẽ bằng một mũi tên. Ô kết quả giải thích bậc liên kết và từ tính từng bước.
Nhập O2, N2+, O2 2-, NO, CO, CN- hoặc HF, hoặc chọn các nguyên tử bên dưới.
Ví dụ
Orbital liên kết màu xanh mòng két, orbital phản liên kết màu đỏ và orbital không liên kết màu xám. Đường nét đứt cho biết những orbital nguyên tử nào tổ hợp với nhau. Thang năng lượng chỉ mang tính sơ đồ.
Cách dùng công cụ tạo giản đồ MO
- Nhập một phân tử hoặc ion hai nguyên tử vào ô Phân tử hoặc ion, ví dụ
O2,N2+,O2 2-hoặcCN-. Bạn cũng có thể chọn Nguyên tử 1, Nguyên tử 2 và Điện tích, hoặc nhấn một nút ví dụ. - Để Thứ tự orbital ở chế độ Tự động để dùng quy tắc trong sách giáo khoa, hoặc ép thứ tự có hay không có tương tác s–p để so sánh.
- Đọc bậc liên kết, từ tính, HOMO, LUMO và cấu hình MO trong ô kết quả. Giản đồ thể hiện electron bằng các mũi tên.
- Nhấn Tải SVG hoặc Tải PNG để lưu giản đồ cho ghi chép, slide hoặc phiếu bài tập.
Cách hoạt động của giản đồ orbital phân tử
Khi hai nguyên tử liên kết, các orbital nguyên tử của chúng tổ hợp thành orbital phân tử (MO). Hai orbital nguyên tử cho một MO liên kết (năng lượng thấp hơn, mật độ electron nằm giữa hai hạt nhân) và một MO phản liên kết (năng lượng cao hơn, đánh dấu *). Xen phủ trục cho orbital σ; xen phủ bên của orbital p cho một cặp orbital π.
Bậc liên kết = (số electron trên MO liên kết − số electron trên MO phản liên kết) / 2
Thứ tự orbital của phân tử hai nguyên tử chu kỳ 2
| Tiểu phân | Thứ tự MO hóa trị (thấp đến cao) |
|---|---|
| Li₂ đến N₂, và mọi tiểu phân có từ 14 electron trở xuống (CO, CN⁻, NO⁺, N₂⁺) | σ2s < σ*2s < π2p < σ2p < π*2p < σ*2p |
| O₂, F₂, Ne₂, và các tiểu phân có hơn 14 electron (O₂⁺, O₂⁻, NO) | σ2s < σ*2s < σ2p < π2p < π*2p < σ*2p |
Sự đổi chỗ đến từ tương tác s–p. Ở B, C và N, mức 2s và 2p gần nhau, nên σ2s và σ2p tương tác và σ2p bị đẩy lên trên π2p. Ở O và F, khoảng cách 2s–2p lớn, tương tác yếu và σ2p nằm dưới π2p. Với tiểu phân có từ 15 electron trở lên, cả hai thứ tự cho cùng số electron trên mỗi orbital, nên bậc liên kết và từ tính không đổi.
Quy tắc điền electron
- Nguyên lý vững bền (Aufbau): điền MO thấp nhất trước. Mỗi orbital chứa hai electron có spin ngược nhau (nguyên lý Pauli).
- Quy tắc Hund: trong một cặp suy biến như π*2p, đặt một electron vào mỗi orbital trước khi ghép đôi. Đây là lý do O₂ có hai electron độc thân.
- Từ tính: có bất kỳ electron độc thân nào thì tiểu phân thuận từ (bị nam châm hút). Mọi electron đều ghép đôi nghĩa là nghịch từ.
- HOMO và LUMO: MO bị chiếm cao nhất và MO trống thấp nhất. HOMO chỉ có một electron còn được gọi là SOMO (MO bị chiếm một electron).
Phân tử hai nguyên tử khác loại
Trong CO, NO và CN⁻, nguyên tử có độ âm điện lớn hơn có orbital nguyên tử năng lượng thấp hơn, nên được vẽ thấp hơn ở bên phải. MO liên kết nằm gần nguyên tử đó hơn; MO phản liên kết nằm gần nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn. Trong HF, orbital H 1s chỉ xen phủ với orbital F 2p dọc theo trục liên kết. Orbital F 2s và hai orbital F 2p còn lại là các cặp electron tự do không liên kết, nên HF có bậc liên kết 1.
So sánh bậc liên kết, độ dài liên kết và năng lượng liên kết
Bậc liên kết càng cao thì liên kết càng ngắn và bền. Độ dài liên kết gần đúng tính bằng pm và năng lượng phân ly liên kết tính bằng kJ/mol:
| Tiểu phân | Electron | Bậc liên kết | Từ tính (độc thân) | Độ dài liên kết (pm) | Năng lượng liên kết (kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂⁺ | 1 | ½ | thuận từ (1) | 106 | 256 |
| H₂ | 2 | 1 | nghịch từ | 74 | 436 |
| He₂⁺ | 3 | ½ | thuận từ (1) | 108 | 230 |
| He₂ | 4 | 0 | nghịch từ | không liên kết | không liên kết |
| Li₂ | 6 | 1 | nghịch từ | 267 | 105 |
| Be₂ | 8 | 0 | nghịch từ | 245 | khoảng 10 |
| B₂ | 10 | 1 | thuận từ (2) | 159 | 290 |
| C₂ | 12 | 2 | nghịch từ | 124 | 599 |
| N₂ | 14 | 3 | nghịch từ | 110 | 945 |
| N₂⁺ | 13 | 2½ | thuận từ (1) | 112 | 841 |
| O₂⁺ | 15 | 2½ | thuận từ (1) | 112 | 643 |
| O₂ | 16 | 2 | thuận từ (2) | 121 | 498 |
| O₂⁻ (superoxide) | 17 | 1½ | thuận từ (1) | 133 | không có |
| O₂²⁻ (peroxide) | 18 | 1 | nghịch từ | 149 | không có |
| F₂ | 18 | 1 | nghịch từ | 142 | 159 |
| Ne₂ | 20 | 0 | nghịch từ | không liên kết | không liên kết |
| CO | 14 | 3 | nghịch từ | 113 | 1076 |
| NO⁺ | 14 | 3 | nghịch từ | 106 | 1050 |
| CN⁻ | 14 | 3 | nghịch từ | 116 | không có |
| NO | 15 | 2½ | thuận từ (1) | 115 | 631 |
| HF | 10 | 1 | nghịch từ | 92 | 570 |
Xu hướng trong dãy oxygen: O₂⁺ (2½, 112 pm) > O₂ (2, 121 pm) > O₂⁻ (1½, 133 pm) > O₂²⁻ (1, 149 pm). Các tiểu phân đẳng electron (N₂, CO, CN⁻, NO⁺ với 14 electron) đều có bậc liên kết 3.
Ví dụ có lời giải
O₂: vì sao oxygen lỏng bị nam châm hút
16 electron: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p².
Liên kết 10 (tính cả σ1s), phản liên kết 6. Hai electron π* độc thân theo quy tắc Hund.
Bậc liên kết 2, thuận từ, 2 electron độc thân
N₂: liên kết ba
14 electron, thứ tự có tương tác s–p: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p².
Bậc liên kết = (10 − 4)/2.
Bậc liên kết 3, nghịch từ, HOMO σ2p
B₂ và C₂ (câu hỏi quen thuộc của JEE và NEET)
B₂ (10 e): π2p¹ π2p¹ cho 2 electron độc thân. C₂ (12 e): π2p⁴, tất cả ghép đôi.
Nếu không có tương tác s–p, B₂ sẽ nghịch từ, điều này mâu thuẫn với thực nghiệm.
B₂ thuận từ (BO 1); C₂ nghịch từ (BO 2)
NO, NO⁺ và NO⁻
NO có 15 electron: một electron trong π*2p. NO⁺ (14) mất electron này; NO⁻ (16) giống O₂.
BO = (10 − 5)/2 đối với NO.
NO 2½ (1 độc thân), NO⁺ 3, NO⁻ 2 (2 độc thân)
CO: HOMO và LUMO
14 electron giống N₂. HOMO là σ2p (3σ), chủ yếu là cặp electron tự do của carbon; LUMO là π*2p.
Đây là lý do CO liên kết với kim loại qua carbon và nhận liên kết ngược vào π*.
Bậc liên kết 3, nghịch từ
He₂ và He₂⁺
He₂: σ1s² σ*1s², liên kết = phản liên kết. He₂⁺: σ1s² σ*1s¹.
BO = (2 − 1)/2 đối với He₂⁺.
He₂ bậc liên kết 0 (không bền); He₂⁺ bậc liên kết ½
Lỗi thường gặp
- Sai thứ tự cho N₂ hoặc B₂. Dùng thứ tự của O₂ cho B₂ sẽ dự đoán một phân tử nghịch từ. Đến 14 electron, π2p đứng trước σ2p.
- Ghép đôi quá sớm. Trong một cặp π hoặc π* suy biến, hai electron đầu tiên đi vào hai orbital riêng với spin song song.
- Quên điện tích. Điện tích dương bớt electron (O₂⁺ có 15), điện tích âm thêm electron (O₂²⁻ có 18).
- Nhầm giữa đếm lõi và đếm hóa trị. Đếm tất cả electron hay chỉ electron hóa trị đều cho cùng bậc liên kết, vì cặp lõi σ1s và σ*1s triệt tiêu nhau. Chỉ cần nhất quán.
- Gọi bậc liên kết 0 là liên kết yếu. Bậc liên kết 0 (He₂, Be₂, Ne₂) nghĩa là không có liên kết cộng hóa trị thực; tiểu phân không được dự đoán tồn tại như một phân tử bền.
- Nghĩ rằng thuận từ cần số electron lẻ. O₂ có số electron chẵn mà vẫn thuận từ.
Cần vẽ phân tử cho ghi chép hoặc bài thi? Vẽ công thức Lewis, cộng hưởng và cơ chế phản ứng trong MolDraw, trình soạn thảo cấu trúc hóa học trực tuyến miễn phí.
Mở trình soạn thảo MolDrawCâu hỏi thường gặp
Bậc liên kết của O₂ là bao nhiêu?
O₂ có 16 electron: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Số electron liên kết = 10 và phản liên kết = 6 (tính cả lõi 1s), nên bậc liên kết = (10 − 6)/2 = 2.
Vì sao O₂ thuận từ?
Hai electron cuối cùng đi vào hai orbital π*2p suy biến. Theo quy tắc Hund, chúng chiếm hai orbital riêng với spin song song, nên O₂ có 2 electron độc thân và bị hút vào từ trường.
Vì sao thứ tự MO của N₂ và O₂ khác nhau?
Ở B, C và N, mức 2s và 2p gần nhau, nên tương tác s–p đẩy σ2p lên trên π2p. Ở O và F, khoảng cách lớn và σ2p nằm dưới π2p. Theo quy tắc chung, tiểu phân có từ 14 electron trở xuống dùng thứ tự có tương tác.
Vì sao B₂ thuận từ còn C₂ nghịch từ?
Khi có tương tác s–p, π2p nằm dưới σ2p. B₂ (10 electron) đặt một electron vào mỗi orbital π2p, cho 2 electron độc thân. C₂ (12 electron) lấp đầy cả hai orbital π2p, nên mọi electron đều ghép đôi.
Bậc liên kết của NO, NO⁺ và NO⁻ là bao nhiêu?
NO có 15 electron với một electron độc thân trong π*2p, nên bậc liên kết 2,5. NO⁺ (14 electron) có bậc liên kết 3 và nghịch từ. NO⁻ (16 electron) có bậc liên kết 2 và hai electron độc thân, giống O₂.
Orbital nào là HOMO của CO?
HOMO của CO là orbital σ2p (còn gọi là 3σ), chủ yếu là cặp electron tự do trên carbon. LUMO là π*2p. Điều này giải thích vì sao CO liên kết với kim loại qua carbon.
Bậc liên kết liên quan thế nào đến độ dài và năng lượng liên kết?
Bậc liên kết càng cao thì liên kết càng ngắn và bền. Với dãy oxygen: O₂⁺ (2,5) 112 pm, O₂ (2) 121 pm, O₂⁻ (1,5) 133 pm và O₂²⁻ (1) 149 pm.
Công cụ hóa học liên quan
Cập nhật lần cuối: