Générateur de diagramme des orbitales moléculaires
Des diagrammes d'orbitales moléculaires pour O₂, N₂, CO, HF et d'autres diatomiques, orbitales σ et π dans le bon ordre, électrons placés selon Aufbau et la règle de Hund, avec ordre de liaison et magnétisme. Pensé pour la chimie générale.
Exemples de diagrammes d'OM
Quatre diagrammes d'OM : O₂ entièrement annoté, H₂ simplifié, N₂ face à O₂ avec l'ordre inversé, et une fiche vierge pour O₂. Chaque image est un rendu réel de son prompt ; cliquez pour le charger et le modifier.
Comment tracer un diagramme OM, avec O₂ comme exemple
Le diagramme annoté présenté ici est celui de O₂, mais les règles de tracé valent pour toute molécule diatomique : l'énergie croissante sur le côté gauche, les deux atomes dans les colonnes extérieures, la molécule au centre.
- 1
Les orbitales atomiques de valence à l'extérieur
Pour chaque atome O, un niveau 2s et trois niveaux 2p, avec ses six électrons de valence, 2s² 2p⁴ ; le cœur 1s est omis.
- 2
Autant d'OM que d'OA, reliées par des pointillés
Deux 2s donnent σ2s et σ*2s ; six 2p donnent σ2p, deux π2p, deux π*2p et σ*2p : huit en entrée, huit en sortie.
- 3
Remplir par le bas, règle de Hund
Deux électrons par niveau, de spins opposés ; les deux π*2p reçoivent chacune un électron avant qu'aucun ne s'apparie.
- 4
Écrire le résultat en dessous
Indice de liaison (8 − 4) / 2 = 2, et les deux électrons non appariés rendent O₂ paramagnétique.
Diagramme des orbitales moléculaires de O₂
Les atomes d'oxygène sur les côtés, les OM de O₂ au centre.
- 1
12 électrons de valence
Six par atome d'oxygène, placés à partir de σ2s.
- 2
σ2p sous π2p
À partir de O₂, σ2p passe sous les deux orbitales π2p.
- 3
Indice de liaison 2, paramagnétique
(8 − 4) / 2 = 2 ; un électron célibataire par π*2p.
Diagramme des orbitales moléculaires de N₂
Les atomes d'azote sur les côtés, les OM de N₂ au centre.
- 1
10 électrons de valence
Cinq par atome d'azote, placés à partir de σ2s.
- 2
π2p sous σ2p
L'interaction s-p place σ2p au-dessus des deux π2p.
- 3
Indice de liaison 3, diamagnétique
(8 − 2) / 2 = 3 : triple liaison, tout est apparié.
Diagramme des orbitales moléculaires de CO
Carbone à gauche, oxygène à droite et plus bas en énergie.
- 1
10 électrons de valence
Quatre pour C, six pour O, placés à partir de σ2s.
- 2
π2p sous σ2p
Même ordre que N₂, isoélectronique de CO.
- 3
Indice de liaison 3, diamagnétique
(8 − 2) / 2 = 3 ; la HOMO σ2p est centrée sur C.
Diagrammes OM de H₂ à Ne₂, des ions moléculaires, de HF, NO, de l'eau et du benzène
O₂, N₂ et CO sont détaillés plus haut. Pour les autres molécules que les cours demandent, voici ce que chaque diagramme doit montrer : le remplissage électronique, l'ordre des orbitales 2p, l'indice de liaison et le magnétisme.
Diagramme OM de H₂ et He₂
Les diagrammes OM les plus simples : une orbitale 1s de chaque côté et deux orbitales moléculaires, σ1s et σ*1s. H₂ place ses 2 électrons dans σ1s : indice de liaison (2 − 0) / 2 = 1, diamagnétique. He₂ en a 4 et remplit aussi σ*1s : indice de liaison 0, ce qui explique que l'hélium reste un atome isolé. Les ions intermédiaires ont chacun un indice de liaison de ½ : H₂⁺ avec 1 électron, He₂⁺ avec 3.
Diagramme OM de Li₂ et Be₂
Seules les orbitales 2s portent des électrons de valence : le diagramme est donc surtout fait de niveaux 2p vides. Li₂ : 2 électrons de valence dans σ2s, indice de liaison 1, diamagnétique ; c'est une vraie molécule, présente dans la vapeur de lithium. Be₂ : 4 électrons, σ2s² σ*2s², indice de liaison 0 : on n'attend donc pas de molécule Be₂ stable. Ne tracez le cœur 1s plus bas que si votre cours l'inclut ; il ajoute 2 électrons liants et 2 antiliants et ne change pas l'indice de liaison.
Diagramme OM de B₂
6 électrons de valence : σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. Les deux orbitales π2p ont la même énergie : les deux derniers électrons s'y placent un par un, non appariés. Indice de liaison (4 − 2) / 2 = 1, paramagnétique. B₂ est la preuve de l'interaction s-p. Si σ2p était sous π2p, comme dans O₂, les deux électrons s'apparieraient dans σ2p et B₂ serait diamagnétique ; on le mesure paramagnétique, donc π2p est plus bas.
Diagramme OM de C₂
8 électrons de valence : σ2s² σ*2s² π2p⁴, avec π2p sous σ2p et σ2p laissée vide. Indice de liaison (6 − 2) / 2 = 2, tous les électrons appariés, diamagnétique. Dans ce modèle simple, les deux paires liantes sont π : σ2s et σ*2s s'annulent et σ2p est vide, si bien que la double liaison de C₂ n'a pas de composante σ, contrairement à la lecture habituelle d'une double liaison comme une σ plus une π.
Diagramme OM de F₂ et Ne₂
Tous deux suivent l'ordre de O₂, σ2p sous π2p. F₂ : 14 électrons de valence, σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p⁴, indice de liaison (8 − 6) / 2 = 1, tous appariés, diamagnétique : la liaison simple de sa structure de Lewis, et une liaison faible. Ne₂ : 16 électrons remplissent aussi σ*2p, 8 liants contre 8 antiliants, indice de liaison 0 ; le néon reste atomique.
Ions moléculaires : O₂⁺, O₂⁻, O₂²⁻ et N₂⁺
On ajoute ou on retire des électrons en haut du diagramme rempli. O₂⁺ (11 électrons de valence) perd un électron π* : indice de liaison 2,5, un électron non apparié, paramagnétique. O₂⁻, l'ion superoxyde (13) : indice de liaison 1,5, paramagnétique. O₂²⁻, l'ion peroxyde (14) : indice de liaison 1, diamagnétique. La liaison s'allonge dans cet ordre, O₂⁺ ayant la plus courte. N₂⁺ (9) perd son électron σ2p : indice de liaison 2,5, paramagnétique.
Diagramme OM de NO
Un diagramme hétéronucléaire : l'oxygène est plus électronégatif, ses 2s et 2p sont donc plus bas que ceux de l'azote. 11 électrons de valence (5 + 6) remplissent jusqu'à un électron dans π*2p : indice de liaison (8 − 3) / 2 = 2,5, paramagnétique. Quel que soit l'ordre de σ2p et π2p, toutes deux sont pleines, et le décompte ne change pas. Retirez cet électron π* et NO⁺ en a 10, indice de liaison 3, isoélectronique de N₂ et CO ; ajoutez-en un et NO⁻ en a 12, indice de liaison 2.
Diagramme OM de HF
Le 1s de l'hydrogène est haut placé à gauche ; les 2s et 2p du fluor sont bien plus bas à droite, le fluor étant l'élément le plus électronégatif. Seuls le 1s de H et l'orbitale 2p de F orientée selon la liaison ont la bonne symétrie pour se combiner, ce qui donne une σ et une σ*. Le 2s du fluor et ses deux autres orbitales 2p restent des niveaux non liants. 8 électrons de valence remplissent σ et les orbitales non liantes : indice de liaison 1, diamagnétique. L'orbitale σ est proche du 2p du fluor : la paire partagée se trouve surtout sur F, c'est une liaison polarisée.
Diagramme OM de H₂O
Un diagramme polyatomique : les 2s et 2p de l'oxygène d'un côté, les deux 1s des hydrogènes de l'autre sous forme d'orbitales de groupe, l'une en phase, l'autre en opposition de phase. 8 électrons de valence remplissent quatre OM, dans l'ordre 2a₁, 1b₂, 3a₁, 1b₁ ; 1b₁ est une orbitale 2p de l'oxygène perpendiculaire au plan de la molécule, non liante, et c'est la HO. 4a₁ et 2b₂ sont les orbitales antiliantes vides. Les deux doublets non liants sortent à des énergies différentes, comme le montrent les spectres de photoélectrons. Les cours qui placent la molécule dans l'autre plan échangent les étiquettes b₁ et b₂.
Diagramme OM du benzène
Le système π seul : six orbitales 2p des carbones se combinent en six orbitales moléculaires π, une sans nœud tout en bas, deux de même énergie à un nœud, deux à deux nœuds, une à trois nœuds tout en haut. Les six électrons π remplissent exactement les trois orbitales liantes, une couche fermée : c'est l'image OM de la stabilité aromatique. Un cercle de Frost, hexagone inscrit dans un cercle pointe en bas, donne les mêmes niveaux, à α + 2β, α + β (deux fois), α − β (deux fois) et α − 2β.
Diagrammes OM des molécules diatomiques de la deuxième période
Électrons de valence, ordre des orbitales, indice de liaison et magnétisme de chaque molécule diatomique homonucléaire de Li₂ à Ne₂, d'après OpenStax Chemistry 2e. La colonne sur l'ordre des orbitales est la première à vérifier sur n'importe quel diagramme.
| Molécule | Électrons de valence | Ordre des orbitales 2p | Indice de liaison | Magnétisme |
|---|---|---|---|---|
| Li₂ | 2 | π2p sous σ2p (interaction s-p) | 1 | Diamagnétique |
| Be₂ | 4 | π2p sous σ2p (interaction s-p) | 0 : ne se forme pas | — |
| B₂ | 6 | π2p sous σ2p (interaction s-p) | 1 | Paramagnétique, 2 électrons π célibataires |
| C₂ | 8 | π2p sous σ2p (interaction s-p) | 2 | Diamagnétique |
| N₂ | 10 | π2p sous σ2p (interaction s-p) | 3 | Diamagnétique |
| O₂ | 12 | σ2p sous π2p | 2 | Paramagnétique, 2 électrons π* célibataires |
| F₂ | 14 | σ2p sous π2p | 1 | Diamagnétique |
| Ne₂ | 16 | σ2p sous π2p | 0 : ne se forme pas | — |
Seul l'ordre des 2p change. Partout, σ2s et σ*2s sont tout en bas et σ*2p tout en haut ; la seule question est de savoir si σ2p se trouve au-dessus des deux π2p (de Li₂ à N₂) ou en dessous (de O₂ à Ne₂). Indiquez la molécule et le diagramme est dessiné dans son ordre.
Orbitales liantes et antiliantes : quelle différence ?
Une orbitale liante (σ, π) concentre la densité électronique entre les deux noyaux et se situe plus bas en énergie que les orbitales atomiques dont elle provient ; une orbitale antiliante (σ*, π*) présente un nœud entre les noyaux et se situe plus haut. Les électrons liants tiennent les atomes ensemble, les électrons antiliants en annulent une partie.
| Orbitale liante | Orbitale antiliante | |
|---|---|---|
| Symbole | σ, π | σ*, π* (l'astérisque signale l'antiliante) |
| Énergie | Plus basse que celle des orbitales atomiques de départ | Plus haute que celle des orbitales atomiques de départ |
| Densité électronique entre les noyaux | Renforcée : les ondes s'additionnent | Nulle sur un plan nodal : les ondes s'annulent |
| Effet sur la liaison | Chaque électron ajoute ½ à l'indice de liaison | Chaque électron retire ½ à l'indice de liaison |
| Place sur le diagramme | Sous les niveaux des orbitales atomiques | Au-dessus des niveaux des orbitales atomiques |
| Dans O₂ | σ2s, σ2p et les deux π2p : 8 électrons | σ*2s et les deux π*2p : 4 électrons ; σ*2p vide |
Vérifiez d'abord les demi-flèches : deux électrons appariés pointent en sens opposés, des orbitales de même énergie reçoivent un électron chacune avant tout appariement (règle de Hund), et aucun niveau n'en porte plus de deux. Les deux électrons π* de O₂ dessinés en paire : voilà l'erreur à chercher en premier.
Qu'est-ce qu'un diagramme des orbitales moléculaires ?
Un diagramme des orbitales moléculaires (OM) est le diagramme d'énergie d'une molécule : les orbitales atomiques de chaque atome occupent les colonnes extérieures, les orbitales moléculaires qu'elles forment occupent le centre (liantes σ et π plus bas, antiliantes σ* et π* plus haut), et les électrons sont placés de bas en haut. Leur décompte donne l'indice de liaison, (liants − antiliants) / 2, et tout électron célibataire signale une molécule paramagnétique.
L'essentiel
- L'ordre de σ2p et π2p s'inverse entre N₂ et O₂. De Li₂ à N₂, l'interaction s-p fait passer σ2p au-dessus des deux π2p ; pour O₂ et F₂, l'écart entre 2s et 2p est trop grand et σ2p reste sous π2p. Un diagramme de O₂ dessiné dans l'ordre de N₂ est l'erreur la plus courante.
- Indice de liaison = (électrons liants − électrons antiliants) / 2. N₂ compte 8 électrons de valence liants et 2 antiliants, soit un indice de 3 ; O₂ en compte 8 et 4, soit 2 ; He₂ en aurait 2 et 2, soit 0, et n'existe donc pas.
- La théorie des OM explique pourquoi O₂ est magnétique. Ses deux derniers électrons occupent chacun l'une des deux orbitales π*2p de même énergie (règle de Hund) et restent célibataires ; une balance magnétique le mesure, une structure de Lewis ne le montre pas.
- Autant d'orbitales en sortie qu'en entrée. Deux orbitales 1s donnent σ1s et σ*1s ; deux jeux de trois orbitales 2p donnent σ2p, deux π2p, deux π*2p et σ*2p : six entrent, six sortent.
- Pour une molécule hétéronucléaire, les deux colonnes sont décalées. Dans CO, NO ou HF, les orbitales de l'atome le plus électronégatif sont plus basses et les orbitales liantes en sont plus proches en énergie ; NO, avec 11 électrons de valence, a un indice de liaison de (8 − 3) / 2 = 2,5.
Questions fréquentes sur les diagrammes des orbitales moléculaires
Que doit contenir un diagramme des orbitales moléculaires annoté ?
Les orbitales atomiques de chaque atome dans les colonnes extérieures, chaque orbitale moléculaire au centre avec son nom (σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p), des pointillés qui les relient, les électrons en demi-flèches et un axe des énergies orienté vers le haut. La plupart des cours demandent aussi l'indice de liaison et le caractère paramagnétique ou diamagnétique de la molécule.
Pourquoi He₂, Be₂ et Ne₂ n'existent-ils pas ?
Leur diagramme OM compte autant d'électrons dans les orbitales antiliantes que dans les liantes, donc l'indice de liaison vaut 0 : He₂ en a 2 et 2, Be₂ 2 et 2 dans les orbitales 2s, Ne₂ 8 et 8. Sans liaison nette, deux atomes séparés ont une énergie plus basse que la paire. On n'a détecté que des paires très faiblement liées, dans des expériences en phase gazeuse à très basse température ; aucune ne forme de molécule stable.
Pourquoi O₂ est-il paramagnétique ?
Parce que ses deux derniers électrons de valence occupent, célibataires, chacune des deux orbitales π*2p. Ces deux orbitales ont la même énergie, donc la règle de Hund y place un électron chacune avant tout appariement. La structure de Lewis apparie tous les électrons de O₂ et n'explique pas pourquoi l'oxygène liquide reste collé à un aimant ; le diagramme OM, si.
Pourquoi N₂ et O₂ n'ont-ils pas le même ordre d'orbitales ?
À cause de l'interaction s-p. De Li₂ à N₂, les orbitales 2s et 2p sont proches en énergie, leurs combinaisons σ se mélangent et σ2p remonte au-dessus des deux π2p. Pour O₂ et F₂, l'écart 2s–2p est plus grand, le mélange ne suffit plus à inverser l'ordre et σ2p reste sous π2p.
Comment calculer l'indice de liaison à partir du diagramme OM ?
Comptez les électrons des orbitales liantes et des orbitales antiliantes, faites la différence et divisez par deux. Pour O₂ : 8 liants (σ2s, σ2p, les deux π2p) moins 4 antiliants (σ*2s, les deux π*2p) donnent (8 − 4) / 2 = 2, la double liaison de sa structure de Lewis. Un indice de 0, comme pour He₂ ou Ne₂, signifie que la molécule ne se forme pas.
Comment dessiner le diagramme OM d'une molécule hétéronucléaire comme CO ou HF ?
Placez plus bas, dans sa propre colonne, les orbitales de l'atome le plus électronégatif. Dans CO, les 2s et 2p de l'oxygène sont sous ceux du carbone, et ses 10 électrons de valence (autant que N₂) donnent un indice de liaison de 3. Dans HF, l'orbitale 1s de l'hydrogène se combine avec une orbitale 2p du fluor pour former une paire σ et σ*, tandis que la 2s et les deux autres 2p du fluor restent non liantes : indice de liaison 1.
Quelle différence entre un diagramme OM et une structure de Lewis ?
La structure de Lewis représente les liaisons comme des doublets partagés entre deux atomes ; le diagramme OM répartit les électrons sur des orbitales de toute la molécule, classées par énergie. Les deux donnent en général le même indice de liaison, mais seul le diagramme OM montre des électrons célibataires comme ceux de O₂ ou un indice fractionnaire comme le 2,5 de NO. Le générateur de structures de Lewis de ce site dessine l'autre représentation.
Un diagramme OM est-il la même chose qu'un diagramme d'orbitales ?
Non : le diagramme d'orbitales (en cases quantiques) montre la configuration électronique d'un seul atome ; le diagramme OM montre comment se combinent les orbitales de deux atomes. Les cases quantiques représentent 1s, 2s, 2p, etc. avec au plus deux flèches chacune ; le diagramme OM en place deux dans les colonnes extérieures et les orbitales moléculaires entre elles. Vous pouvez demander l'un ou l'autre.
Peut-on faire des diagrammes OM de molécules à plus de deux atomes ?
Oui, sous forme qualitative : le système π du benzène, les orbitales de l'eau, un écart HOMO-LUMO. Les niveaux sont dessinés dans l'ordre des manuels, pas à des énergies calculées ; si vous avez des valeurs issues d'un logiciel de chimie quantique, indiquez-les dans la demande et le diagramme suivra vos chiffres.
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