Generatore di diagrammi degli orbitali molecolari
Genera diagrammi degli orbitali molecolari per O₂, N₂, CO, HF e altre biatomiche, con orbitali σ e π nell'ordine giusto, elettroni secondo Aufbau e regola di Hund, ordine di legame e magnetismo. Realizzati per la chimica generale.
Esempi di diagrammi MO
Quattro diagrammi degli orbitali molecolari: O₂ etichettato, H₂ semplice, N₂ e O₂ con l'ordine invertito e una scheda vuota per O₂. Ogni immagine è un render reale del suo prompt; cliccala per caricarlo e modificarlo.
Come si disegna un diagramma MO: l'esempio svolto di O₂
Il diagramma etichettato è quello di O₂, ma le regole valgono per qualsiasi molecola biatomica: energia crescente lungo il lato sinistro, i due atomi nelle colonne esterne, la molecola al centro.
- 1
Orbitali atomici di valenza all'esterno
Per ogni atomo di O il livello 2s e i tre 2p, con i suoi sei elettroni di valenza, 2s² 2p⁴; il nocciolo 1s si omette.
- 2
Tanti OM quanti OA, uniti da tratteggi
Due 2s danno σ2s e σ*2s; sei 2p danno σ2p, due π2p, due π*2p e σ*2p: otto in entrata, otto in uscita.
- 3
Si riempie dal basso, con la regola di Hund
Due elettroni per livello con spin opposti; i due π*2p ricevono un elettrone ciascuno prima che uno dei due si appai.
- 4
Scrivi il risultato sotto
Ordine di legame (8 − 4) / 2 = 2, e i due elettroni spaiati rendono O₂ paramagnetico.
Diagramma degli orbitali molecolari di O₂
Atomi di ossigeno ai lati, gli OM di O₂ al centro.
- 1
12 elettroni di valenza
Sei per atomo di ossigeno, riempiti da σ2s in su.
- 2
σ2p sotto π2p
Da O₂ in poi σ2p sta sotto i due orbitali π2p.
- 3
Ordine di legame 2, paramagnetica
(8 − 4) / 2 = 2; un elettrone spaiato in ogni π*2p.
Diagramma degli orbitali molecolari di N₂
Atomi di azoto ai lati, gli OM di N₂ al centro.
- 1
10 elettroni di valenza
Cinque per atomo di azoto, riempiti da σ2s in su.
- 2
π2p sotto σ2p
Il mescolamento s-p porta σ2p sopra i due π2p.
- 3
Ordine di legame 3, diamagnetica
(8 − 2) / 2 = 3: triplo legame, tutti appaiati.
Diagramma degli orbitali molecolari di CO
Carbonio a sinistra, ossigeno a destra e più in basso.
- 1
10 elettroni di valenza
Quattro dal C e sei dall'O, riempiti da σ2s in su.
- 2
π2p sotto σ2p
Lo stesso ordine di N₂, isoelettronico con CO.
- 3
Ordine di legame 3, diamagnetica
(8 − 2) / 2 = 3; l'HOMO σ2p sta soprattutto sul C.
Diagrammi MO da H₂ a Ne₂, ioni molecolari, HF, NO, acqua e benzene
O₂, N₂ e CO sono disegnati qui sopra. Per le altre molecole richieste nei corsi, ecco che cosa deve mostrare ogni diagramma: il riempimento degli elettroni, l'ordine degli orbitali 2p, l'ordine di legame e il magnetismo.
Diagramma degli orbitali molecolari di H₂ e He₂
I diagrammi MO più semplici: un orbitale 1s per lato e due orbitali molecolari, σ1s e σ*1s. H₂ mette i suoi 2 elettroni in σ1s: ordine di legame (2 − 0) / 2 = 1, diamagnetica. He₂ ne ha 4 e riempie anche σ*1s: ordine di legame 0, ed è per questo che l'elio resta un atomo singolo. Gli ioni intermedi hanno ordine di legame ½: H₂⁺ con 1 elettrone, He₂⁺ con 3.
Diagramma degli orbitali molecolari di Li₂ e Be₂
Solo gli orbitali 2s contengono elettroni di valenza, quindi il diagramma è fatto per lo più di livelli 2p vuoti. Li₂: 2 elettroni di valenza in σ2s, ordine di legame 1, diamagnetica: una molecola reale, presente nel vapore di litio. Be₂: 4 elettroni, σ2s² σ*2s², ordine di legame 0, quindi non ci si aspetta una molecola Be₂ stabile. Disegna il nocciolo 1s più in basso solo se il tuo corso lo prevede: aggiunge 2 elettroni di legame e 2 di antilegame e lascia invariato l'ordine di legame.
Diagramma degli orbitali molecolari di B₂
6 elettroni di valenza: σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. I due orbitali π2p hanno la stessa energia, quindi gli ultimi due elettroni vanno uno per orbitale, spaiati: ordine di legame (4 − 2) / 2 = 1, paramagnetica. B₂ è la prova del mescolamento s-p. Se σ2p stesse sotto π2p, come in O₂, i due elettroni si appaierebbero in σ2p e B₂ sarebbe diamagnetica; le misure la danno paramagnetica, quindi π2p deve stare più in basso.
Diagramma degli orbitali molecolari di C₂
8 elettroni di valenza: σ2s² σ*2s² π2p⁴, con π2p sotto σ2p e σ2p vuoto. Ordine di legame (6 − 2) / 2 = 2, tutti gli elettroni appaiati, diamagnetica. In questo modello semplice entrambe le coppie di legame sono π: σ2s e σ*2s si annullano e σ2p è vuoto, quindi il doppio legame di C₂ non ha una parte σ, a differenza della lettura abituale di un doppio legame come un σ più un π.
Diagramma degli orbitali molecolari di F₂ e Ne₂
Entrambe seguono l'ordine di O₂, σ2p sotto π2p. F₂: 14 elettroni di valenza, σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p⁴, ordine di legame (8 − 6) / 2 = 1, tutti appaiati, diamagnetica: il legame singolo della sua struttura di Lewis, e un legame debole. Ne₂: 16 elettroni riempiono anche σ*2p, 8 di legame contro 8 di antilegame, ordine di legame 0; il neon resta monoatomico.
Ioni molecolari: O₂⁺, O₂⁻ (superossido), O₂²⁻ (perossido) e N₂⁺
Si aggiungono o tolgono elettroni in cima al diagramma riempito. O₂⁺ (11 elettroni di valenza) perde un elettrone π*: ordine di legame 2,5, un elettrone spaiato, paramagnetico. O₂⁻, ione superossido (13): ordine di legame 1,5, paramagnetico. O₂²⁻, ione perossido (14): ordine di legame 1, diamagnetico. In quest'ordine il legame si allunga, ed è O₂⁺ ad averlo più corto. N₂⁺ (9) perde il suo elettrone σ2p: ordine di legame 2,5, paramagnetico.
Diagramma degli orbitali molecolari di NO
Un diagramma eteronucleare: l'ossigeno è più elettronegativo, quindi i suoi 2s e 2p stanno più in basso di quelli dell'azoto. 11 elettroni di valenza (5 + 6) riempiono fino a un elettrone in π*2p: ordine di legame (8 − 3) / 2 = 2,5, paramagnetica. Qualunque sia l'ordine tra σ2p e π2p, sono entrambi pieni, quindi il conto non cambia. Togliendo quell'elettrone π*, NO⁺ ne ha 10, ordine di legame 3, isoelettronico con N₂ e CO; aggiungendone uno, NO⁻ ne ha 12 e ordine di legame 2.
Diagramma degli orbitali molecolari di HF
L'1s dell'idrogeno sta in alto a sinistra; il 2s e i 2p del fluoro stanno molto più in basso a destra, perché il fluoro è l'elemento più elettronegativo. Solo l'1s di H e l'unico 2p di F orientato lungo il legame hanno la simmetria giusta per combinarsi, e danno un σ e un σ*. Il 2s del fluoro e gli altri due 2p restano livelli di non legame. 8 elettroni di valenza riempiono σ e gli orbitali di non legame: ordine di legame 1, diamagnetica. L'orbitale σ è vicino al 2p del fluoro, quindi la coppia condivisa sta soprattutto su F: un legame polare.
Diagramma degli orbitali molecolari dell'acqua (H₂O)
Un diagramma poliatomico: il 2s e i 2p dell'ossigeno da un lato, i due orbitali 1s di H dall'altro come orbitali di gruppo, uno in fase e uno fuori fase. 8 elettroni di valenza riempiono quattro OM, nell'ordine 2a₁, 1b₂, 3a₁, 1b₁; 1b₁ è un orbitale 2p dell'ossigeno perpendicolare al piano della molecola, di non legame, ed è l'HOMO. 4a₁ e 2b₂ sono gli orbitali di antilegame vuoti. I due doppietti solitari risultano a energie diverse, come mostrano gli spettri fotoelettronici. I corsi che mettono la molecola in un altro piano scambiano le etichette b₁ e b₂.
Orbitali molecolari del benzene (cerchio di Frost)
Solo il sistema π: sei orbitali 2p del carbonio si combinano in sei orbitali molecolari π: uno senza nodi in basso, due di uguale energia con un nodo, due con due nodi, uno con tre nodi in cima. I sei elettroni π riempiono esattamente i tre orbitali di legame, un guscio chiuso, che è la spiegazione MO della stabilità aromatica. Il cerchio di Frost (un esagono inscritto in un cerchio con un vertice in basso) dà gli stessi livelli, a α + 2β, α + β (due volte), α − β (due volte) e α − 2β.
Diagrammi MO delle molecole biatomiche del secondo periodo
Elettroni di valenza, ordine degli orbitali, ordine di legame e magnetismo di ogni molecola biatomica omonucleare da Li₂ a Ne₂, secondo OpenStax Chemistry 2e. La colonna sull'ordine degli orbitali è la prima da controllare in qualunque diagramma.
| Molecola | Elettroni di valenza | Ordine degli orbitali 2p | Ordine di legame | Magnetismo |
|---|---|---|---|---|
| Li₂ | 2 | π2p sotto σ2p (mescolamento s-p) | 1 | Diamagnetica |
| Be₂ | 4 | π2p sotto σ2p (mescolamento s-p) | 0: non si forma | — |
| B₂ | 6 | π2p sotto σ2p (mescolamento s-p) | 1 | Paramagnetica, 2 elettroni π spaiati |
| C₂ | 8 | π2p sotto σ2p (mescolamento s-p) | 2 | Diamagnetica |
| N₂ | 10 | π2p sotto σ2p (mescolamento s-p) | 3 | Diamagnetica |
| O₂ | 12 | σ2p sotto π2p | 2 | Paramagnetica, 2 elettroni π* spaiati |
| F₂ | 14 | σ2p sotto π2p | 1 | Diamagnetica |
| Ne₂ | 16 | σ2p sotto π2p | 0: non si forma | — |
Cambia solo l'ordine dei 2p. In tutte, σ2s e σ*2s stanno in fondo e σ*2p in cima; la differenza è se σ2p sta sopra i due π2p (da Li₂ a N₂) o sotto (da O₂ a Ne₂). Scrivi la molecola e il diagramma viene disegnato nel suo ordine.
Orbitali leganti e antileganti: qual è la differenza?
Un orbitale legante (σ, π) concentra densità elettronica tra i due nuclei e ha energia più bassa degli orbitali atomici da cui nasce; un orbitale antilegante (σ*, π*) ha un nodo tra i nuclei e ha energia più alta. Gli elettroni leganti tengono uniti gli atomi, quelli antileganti ne annullano una parte.
| Orbitale legante | Orbitale antilegante | |
|---|---|---|
| Simbolo | σ, π | σ*, π* (l'asterisco indica antilegante) |
| Energia | Più bassa degli orbitali atomici di partenza | Più alta degli orbitali atomici di partenza |
| Densità elettronica tra i nuclei | Aumenta: le onde si sommano | Nulla su un piano nodale: le onde si annullano |
| Effetto sul legame | Ogni elettrone aggiunge ½ all'ordine di legame | Ogni elettrone toglie ½ all'ordine di legame |
| Posizione nel diagramma | Sotto i livelli degli orbitali atomici | Sopra i livelli degli orbitali atomici |
| In O₂ | σ2s, σ2p e i due π2p: 8 elettroni | σ*2s e i due π*2p: 4 elettroni; σ*2p vuoto |
Controlla prima le semifrecce: le coppie puntano in versi opposti, orbitali di pari energia ricevono un elettrone ciascuno prima di qualsiasi appaiamento (regola di Hund) e nessun livello ne porta più di due. I due elettroni π* di O₂ disegnati in coppia sono l'errore da cercare per primo.
Che cos'è un diagramma degli orbitali molecolari?
Un diagramma degli orbitali molecolari (MO) è lo schema dei livelli energetici di una molecola: gli orbitali atomici di ciascun atomo stanno nelle colonne esterne, gli orbitali molecolari che formano stanno al centro (i leganti σ e π più in basso, gli antileganti σ* e π* più in alto) e gli elettroni vengono inseriti dal basso verso l'alto. Contandoli si ricava l'ordine di legame, (leganti − antileganti) / 2, e gli elettroni spaiati indicano che la molecola è paramagnetica.
In breve
- L'ordine di σ2p e π2p si inverte tra N₂ e O₂. Da Li₂ a N₂ il mescolamento s-p spinge σ2p sopra i due π2p; in O₂ e F₂ la distanza tra 2s e 2p è troppo grande e σ2p resta sotto i π2p. Un diagramma di O₂ disegnato con l'ordine di N₂ è l'errore più comune.
- Ordine di legame = (elettroni leganti − elettroni antileganti) / 2. N₂ ha 8 elettroni di valenza leganti e 2 antileganti, quindi ordine 3; O₂ ne ha 8 e 4, quindi 2; He₂ ne avrebbe 2 e 2, quindi 0, ed è per questo che non esiste.
- La teoria MO spiega perché O₂ è magnetico. I suoi ultimi due elettroni occupano uno ciascuno i due orbitali π*2p di pari energia (regola di Hund) e restano spaiati: una bilancia magnetica lo misura, una struttura di Lewis non lo mostra.
- Tanti orbitali escono quanti ne entrano. Due orbitali 1s danno σ1s e σ*1s; due terne di orbitali 2p danno σ2p, due π2p, due π*2p e σ*2p: sei in entrata, sei in uscita.
- In una molecola eteronucleare le due colonne sono sfalsate. In CO, NO o HF gli orbitali dell'atomo più elettronegativo stanno più in basso e gli orbitali leganti gli sono più vicini in energia; NO, con 11 elettroni di valenza, ha ordine di legame (8 − 3) / 2 = 2,5.
Domande frequenti sui diagrammi degli orbitali molecolari
Che cosa deve contenere un diagramma degli orbitali molecolari etichettato?
Gli orbitali atomici di ciascun atomo nelle colonne esterne, ogni orbitale molecolare al centro con il suo nome (σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p), linee tratteggiate che li collegano, gli elettroni come semifrecce e un asse dell'energia rivolto verso l'alto. Quasi tutti i corsi chiedono anche l'ordine di legame e se la molecola è paramagnetica o diamagnetica.
Perché He₂, Be₂ e Ne₂ non esistono?
Nei loro diagrammi MO gli elettroni negli orbitali di antilegame sono tanti quanti quelli negli orbitali di legame, quindi l'ordine di legame è 0: He₂ ne ha 2 e 2, Be₂ 2 e 2 negli orbitali 2s, Ne₂ 8 e 8. Senza un legame netto, due atomi separati hanno energia più bassa della coppia. Sono state rilevate solo coppie legate debolissimamente, in esperimenti in fase gassosa a bassa temperatura; nessuna forma una molecola stabile.
Perché O₂ è paramagnetico?
Perché i suoi ultimi due elettroni di valenza occupano, spaiati, uno ciascuno i due orbitali π*2p. I due orbitali hanno la stessa energia, quindi la regola di Hund mette un elettrone in ognuno prima di appaiarli. La struttura di Lewis appaia tutti gli elettroni di O₂ e non spiega perché l'ossigeno liquido resta attaccato a una calamita; il diagramma MO sì.
Perché N₂ e O₂ hanno un ordine degli orbitali diverso?
Per il mescolamento s-p. Da Li₂ a N₂ gli orbitali 2s e 2p hanno energie vicine, le loro combinazioni σ si mescolano e σ2p sale sopra i due π2p. In O₂ e F₂ la distanza tra 2s e 2p è maggiore, il mescolamento non basta a invertire l'ordine e σ2p resta sotto i π2p.
Come si calcola l'ordine di legame dal diagramma MO?
Conta gli elettroni negli orbitali leganti e in quelli antileganti, sottrai e dividi per due. Per O₂: 8 leganti (σ2s, σ2p, i due π2p) meno 4 antileganti (σ*2s, i due π*2p) danno (8 − 4) / 2 = 2, il doppio legame della sua struttura di Lewis. Un ordine di legame 0, come per He₂ o Ne₂, significa che la molecola non si forma.
Come si disegna il diagramma MO di una molecola eteronucleare come CO o HF?
Metti più in basso, nella sua colonna, gli orbitali dell'atomo più elettronegativo. In CO i 2s e 2p dell'ossigeno stanno sotto quelli del carbonio, e i suoi 10 elettroni di valenza (quanti ne ha N₂) danno ordine di legame 3. In HF l'1s dell'idrogeno si combina con un orbitale 2p del fluoro in una coppia σ e σ*, mentre il 2s e gli altri due 2p del fluoro restano non leganti: ordine di legame 1.
Che differenza c'è tra un diagramma MO e una struttura di Lewis?
La struttura di Lewis disegna i legami come coppie di elettroni condivise tra due atomi; il diagramma MO distribuisce gli elettroni su orbitali dell'intera molecola, ordinati per energia. Di solito danno lo stesso ordine di legame, ma solo il diagramma MO mostra elettroni spaiati come quelli di O₂ o ordini frazionari come il 2,5 di NO. Il generatore di strutture di Lewis di questo sito disegna l'altra rappresentazione.
Un diagramma MO è la stessa cosa di un diagramma orbitale?
No: il diagramma orbitale (a caselle) mostra la configurazione elettronica di un solo atomo; il diagramma MO mostra come si combinano gli orbitali di due atomi. Le caselle rappresentano 1s, 2s, 2p ecc. con al massimo due frecce ciascuna; il diagramma MO ne mette due nelle colonne esterne e gli orbitali molecolari in mezzo. Puoi chiedere l'uno o l'altro.
Si possono fare diagrammi MO di molecole con più di due atomi?
Sì, come diagrammi qualitativi: il sistema π del benzene, gli orbitali dell'acqua, un gap HOMO-LUMO. I livelli vengono disegnati nell'ordine dei manuali, non a energie calcolate; se hai valori da un programma di chimica quantistica, indicali nella richiesta e il diagramma segue i tuoi numeri.
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