분자 오비탈(MO) 다이어그램 생성기
O₂, N₂, CO, HF 등 이원자 분자의 분자 오비탈 도표를 σ·π 오비탈 순서, 쌓음 원리와 훈트 규칙에 따른 전자 배치, 결합 차수와 자성까지 정확히 그립니다. 일반화학 수업에 쓰입니다.
분자 오비탈 다이어그램 예시
MO 다이어그램 네 가지: 전체 라벨 O₂, 간단한 H₂, N₂·O₂ 비교, 빈칸 학습지. 적힌 프롬프트로 실제 생성했고, 클릭하면 불러와 수정할 수 있습니다.
MO 다이어그램 그리는 법: O₂로 따라 해 보기
여기 라벨이 달린 다이어그램은 O₂이지만, 그리는 규칙은 어떤 이원자 분자에도 같습니다. 왼쪽 세로축은 위로 갈수록 에너지가 높고, 바깥 두 열에 두 원자, 가운데에 분자를 둡니다.
- 1
원자가 원자 오비탈은 바깥쪽에
산소 원자마다 2s 준위 하나와 2p 준위 셋, 원자가 전자 6개(2s² 2p⁴)를 그립니다. 1s 내부 껍질은 생략합니다.
- 2
원자 오비탈 수만큼 분자 오비탈, 점선으로 연결
2s 두 개에서 σ2s와 σ*2s, 2p 여섯 개에서 σ2p, π2p 두 개, π*2p 두 개, σ*2p가 생깁니다. 여덟 개가 들어가 여덟 개가 나옵니다.
- 3
아래부터 채우고, 훈트 규칙
준위마다 스핀이 반대인 전자 두 개까지. 두 π*2p에는 짝을 짓기 전에 전자가 하나씩 먼저 들어갑니다.
- 4
결과는 아래에 적는다
결합 차수 (8 − 4) / 2 = 2, 그리고 홀전자 두 개 때문에 O₂는 상자기성입니다.
O₂ 분자 오비탈 다이어그램
양옆에 산소 원자, 가운데에 O₂의 분자 오비탈.
- 1
원자가 전자 12개
산소 원자마다 6개씩, σ2s부터 채웁니다.
- 2
σ2p가 π2p보다 아래
O₂부터는 σ2p가 두 π2p 아래에 옵니다.
- 3
결합 차수 2, 상자기성
(8 − 4) / 2 = 2. π*2p마다 홀전자 1개.
N₂ 분자 오비탈 다이어그램
양옆에 질소 원자, 가운데에 N₂의 분자 오비탈.
- 1
원자가 전자 10개
질소 원자마다 5개씩, σ2s부터 채웁니다.
- 2
π2p가 σ2p보다 아래
s-p 혼합으로 σ2p가 두 π2p 위로 올라갑니다.
- 3
결합 차수 3, 반자성
(8 − 2) / 2 = 3, 삼중 결합. 전자는 모두 쌍.
CO 분자 오비탈 다이어그램
왼쪽 탄소, 오른쪽 산소. 산소 오비탈이 더 낮습니다.
- 1
원자가 전자 10개
C에서 4개, O에서 6개를 σ2s부터 채웁니다.
- 2
π2p가 σ2p보다 아래
등전자인 N₂와 같은 순서입니다.
- 3
결합 차수 3, 반자성
(8 − 2) / 2 = 3. HOMO인 σ2p는 주로 탄소 쪽.
H₂부터 Ne₂까지, 분자 이온, HF, NO, 물, 벤젠의 분자 오비탈 다이어그램
O₂, N₂, CO는 위에 그려 두었습니다. 수업에서 다루는 다른 분자에 대해 각 다이어그램이 보여 줘야 할 것, 즉 전자 배치, 2p 오비탈의 순서, 결합 차수, 자성을 정리했습니다.
H₂와 He₂의 분자 오비탈 다이어그램
가장 단순한 MO 다이어그램입니다. 양쪽에 1s 오비탈이 하나씩, 분자 오비탈은 σ1s와 σ*1s 두 개뿐입니다. H₂는 전자 2개를 σ1s에 넣어 결합 차수 (2 − 0) / 2 = 1, 반자성입니다. He₂는 전자 4개로 σ*1s까지 채워 결합 차수 0이 되며, 그래서 헬륨은 원자 하나로 존재합니다. 그 사이의 이온은 결합 차수가 ½입니다. 전자 1개인 H₂⁺, 3개인 He₂⁺.
Li₂와 Be₂의 분자 오비탈 다이어그램
원자가 전자가 2s 오비탈에만 있으므로 다이어그램의 2p 준위는 대부분 비어 있습니다. Li₂: σ2s에 원자가 전자 2개, 결합 차수 1, 반자성. 리튬 증기 속에 실제로 있는 분자입니다. Be₂: 전자 4개, σ2s² σ*2s², 결합 차수 0이므로 안정한 Be₂ 분자는 기대할 수 없습니다. 1s 내부 껍질은 수업에서 다룰 때만 아래쪽에 그립니다. 결합성 전자 2개와 반결합성 전자 2개가 더해질 뿐 결합 차수는 그대로입니다.
B₂ 분자 오비탈 다이어그램
원자가 전자 6개: σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. 두 π2p 오비탈의 에너지가 같으므로 마지막 전자 두 개는 하나씩 나뉘어 홀전자가 됩니다. 결합 차수 (4 − 2) / 2 = 1, 상자기성. B₂는 s-p 혼합의 증거입니다. O₂처럼 σ2p가 π2p 아래에 있다면 두 전자가 σ2p에서 짝을 지어 B₂는 반자성이어야 하지만, 실제로 측정하면 상자기성이므로 π2p가 더 아래에 있어야 합니다.
C₂ 분자 오비탈 다이어그램
원자가 전자 8개: σ2s² σ*2s² π2p⁴. π2p가 σ2p 아래에 있고 σ2p는 비어 있습니다. 결합 차수 (6 − 2) / 2 = 2, 모든 전자가 짝을 지어 반자성. 이 단순한 그림에서는 결합 전자쌍 둘이 모두 π입니다. σ2s와 σ*2s가 상쇄되고 σ2p가 비어 있으므로, 이중 결합을 σ 하나와 π 하나로 보는 보통의 해석과 달리 C₂의 이중 결합에는 σ 성분이 없습니다.
F₂와 Ne₂의 분자 오비탈 다이어그램
둘 다 O₂와 같은 순서, σ2p가 π2p보다 아래입니다. F₂: 원자가 전자 14개, σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p⁴, 결합 차수 (8 − 6) / 2 = 1, 모두 짝을 지어 반자성. 루이스 구조의 단일 결합에 해당하며, 약한 결합입니다. Ne₂: 전자 16개가 σ*2p까지 채워 결합성 8개 대 반결합성 8개, 결합 차수 0이므로 네온은 원자 상태로 남습니다.
분자 이온: O₂⁺, O₂⁻(초과산화 이온), O₂²⁻(과산화 이온), N₂⁺
다 채운 다이어그램의 맨 위에서 전자를 더하거나 뺍니다. O₂⁺(원자가 전자 11개)는 π* 전자 하나를 잃어 결합 차수 2.5, 홀전자 1개, 상자기성. O₂⁻ 초과산화 이온(13개)은 결합 차수 1.5, 상자기성. O₂²⁻ 과산화 이온(14개)은 결합 차수 1, 반자성. 이 순서대로 결합 길이가 길어지며 O₂⁺가 가장 짧습니다. N₂⁺(9개)는 σ2p 전자를 잃어 결합 차수 2.5, 상자기성입니다.
NO 분자 오비탈 다이어그램
이핵 이원자 분자의 다이어그램입니다. 산소의 전기 음성도가 더 크므로 산소의 2s와 2p가 질소보다 아래에 놓입니다. 원자가 전자 11개(5 + 6)가 π*2p에 전자 하나가 들어갈 때까지 채워집니다. 결합 차수 (8 − 3) / 2 = 2.5, 상자기성. σ2p와 π2p의 순서가 어느 쪽이든 둘 다 가득 차 있으므로 계산은 달라지지 않습니다. 그 π* 전자를 빼면 NO⁺는 전자 10개, 결합 차수 3으로 N₂, CO와 등전자이고, 하나를 더하면 NO⁻는 전자 12개, 결합 차수 2입니다.
HF 분자 오비탈 다이어그램
수소의 1s는 왼쪽 위에, 플루오린의 2s와 2p는 오른쪽 훨씬 아래에 놓입니다. 플루오린이 전기 음성도가 가장 큰 원소이기 때문입니다. H의 1s와, 결합 축을 따라 놓인 F의 2p 하나만 대칭이 맞아 결합하여 σ와 σ*를 만듭니다. 플루오린의 2s와 나머지 2p 두 개는 비결합 준위로 남습니다. 원자가 전자 8개가 σ와 비결합 오비탈을 채워 결합 차수 1, 반자성. σ 오비탈이 플루오린의 2p 가까이에 있어 공유 전자쌍이 주로 F 쪽에 있으므로 극성 결합입니다.
물(H₂O) 분자 오비탈 다이어그램
다원자 분자의 다이어그램입니다. 한쪽에 산소의 2s와 2p, 다른 쪽에 H의 1s 오비탈 두 개를 군 오비탈로 두며, 하나는 같은 위상, 하나는 반대 위상입니다. 원자가 전자 8개가 분자 오비탈 네 개를 2a₁, 1b₂, 3a₁, 1b₁ 순으로 채웁니다. 1b₁은 분자 평면에 수직인 산소의 2p 오비탈로, 비결합성이며 HOMO입니다. 4a₁과 2b₂는 비어 있는 반결합성 오비탈입니다. 두 비공유 전자쌍은 광전자 스펙트럼이 보여 주듯 서로 다른 에너지에 놓입니다. 분자를 다른 평면에 두는 교재에서는 b₁과 b₂ 라벨이 서로 바뀝니다.
벤젠 분자 오비탈 (프로스트 원)
π 계만 그립니다. 탄소의 2p 오비탈 여섯 개가 π 분자 오비탈 여섯 개로 결합합니다. 맨 아래에 마디가 없는 것 하나, 마디가 하나인 같은 에너지의 두 개, 마디가 둘인 두 개, 맨 위에 마디가 셋인 하나입니다. π 전자 여섯 개가 결합성 오비탈 세 개를 정확히 채워 닫힌 껍질이 되며, 이것이 방향족 안정성을 MO로 설명한 그림입니다. 프로스트 원(원 안에 꼭짓점이 아래로 오게 그린 정육각형)도 같은 준위를 줍니다. α + 2β, α + β(두 개), α − β(두 개), α − 2β.
2주기 동핵 이원자 분자의 MO 다이어그램
Li₂부터 Ne₂까지 모든 동핵 이원자 분자의 원자가 전자 수, 오비탈 순서, 결합 차수, 자성을 OpenStax Chemistry 2e에 따라 정리했습니다. 어떤 다이어그램이든 가장 먼저 확인할 열은 오비탈 순서입니다.
| 분자 | 원자가 전자 수 | 2p 오비탈의 순서 | 결합 차수 | 자성 |
|---|---|---|---|---|
| Li₂ | 2 | π2p가 σ2p보다 아래 (s-p 혼합) | 1 | 반자성 |
| Be₂ | 4 | π2p가 σ2p보다 아래 (s-p 혼합) | 0 (생성되지 않음) | — |
| B₂ | 6 | π2p가 σ2p보다 아래 (s-p 혼합) | 1 | 상자기성, 홀전자 π 2개 |
| C₂ | 8 | π2p가 σ2p보다 아래 (s-p 혼합) | 2 | 반자성 |
| N₂ | 10 | π2p가 σ2p보다 아래 (s-p 혼합) | 3 | 반자성 |
| O₂ | 12 | σ2p가 π2p보다 아래 | 2 | 상자기성, 홀전자 π* 2개 |
| F₂ | 14 | σ2p가 π2p보다 아래 | 1 | 반자성 |
| Ne₂ | 16 | σ2p가 π2p보다 아래 | 0 (생성되지 않음) | — |
바뀌는 것은 2p 오비탈의 순서뿐입니다. 모든 분자에서 σ2s와 σ*2s가 맨 아래, σ*2p가 맨 위에 있고, 차이는 σ2p가 두 π2p보다 위에 있는지(Li₂~N₂) 아래에 있는지(O₂~Ne₂)입니다. 분자 이름을 지정하면 그 분자의 순서대로 그려집니다.
결합성 오비탈과 반결합성 오비탈의 차이
결합성 오비탈(σ, π)은 두 원자핵 사이의 전자 밀도를 높이고 원래의 원자 오비탈보다 에너지가 낮습니다. 반결합성 오비탈(σ*, π*)은 원자핵 사이에 마디면이 있고 에너지가 높습니다. 결합성 오비탈의 전자는 원자들을 붙잡아 두고, 반결합성 오비탈의 전자는 그 효과의 일부를 상쇄합니다.
| 결합성 오비탈 | 반결합성 오비탈 | |
|---|---|---|
| 기호 | σ, π | σ*, π* (별표가 반결합성을 뜻함) |
| 에너지 | 원래 원자 오비탈보다 낮음 | 원래 원자 오비탈보다 높음 |
| 원자핵 사이 전자 밀도 | 높아짐: 파동이 보강됨 | 마디면에서 0: 파동이 상쇄됨 |
| 결합에 미치는 영향 | 전자 하나당 결합 차수 ½ 증가 | 전자 하나당 결합 차수 ½ 감소 |
| 다이어그램에서의 위치 | 원자 오비탈 선보다 아래 | 원자 오비탈 선보다 위 |
| O₂에서는 | σ2s, σ2p, π2p 두 개: 전자 8개 | σ*2s, π*2p 두 개: 전자 4개, σ*2p는 비어 있음 |
먼저 반쪽 화살표를 확인하세요. 쌍을 이룬 전자는 서로 반대 방향이고, 에너지가 같은 오비탈에는 쌍을 이루기 전에 하나씩 들어가며(훈트 규칙), 한 선에는 전자가 최대 두 개입니다. O₂의 π* 전자 두 개를 쌍으로 그린 것이 가장 먼저 찾아야 할 실수입니다.
분자 오비탈 다이어그램이란?
분자 오비탈(MO) 다이어그램은 분자의 에너지 준위 도표입니다. 양쪽 바깥 열에 각 원자의 원자 오비탈을, 가운데에 그것들이 결합해 만든 분자 오비탈을 놓고(결합성 σ·π는 아래, 반결합성 σ*·π*는 위) 전자를 아래 준위부터 채웁니다. 전자를 세면 결합 차수 = (결합성 − 반결합성) / 2가 나오고, 홀전자가 있으면 그 분자는 상자기성입니다.
핵심 정리
- σ2p와 π2p의 순서는 N₂와 O₂ 사이에서 뒤바뀝니다. Li₂부터 N₂까지는 s-p 혼합 때문에 σ2p가 두 π2p보다 위로 밀려 올라가고, O₂와 F₂에서는 2s와 2p의 에너지 차가 커서 σ2p가 π2p 아래에 남습니다. O₂를 N₂의 순서로 그리는 것이 가장 흔한 실수입니다.
- 결합 차수 = (결합성 전자 수 − 반결합성 전자 수) / 2. N₂는 결합성 8개, 반결합성 2개의 원자가 전자로 결합 차수 3, O₂는 8개와 4개로 2, He₂는 2개와 2개로 0이어서 분자로 존재하지 않습니다.
- O₂가 자석에 끌리는 이유를 MO 이론이 설명합니다. 마지막 두 전자가 훈트 규칙에 따라 에너지가 같은 두 π*2p 오비탈에 하나씩 들어가 홀전자로 남기 때문입니다. 자기 저울로 측정되지만 루이스 구조에는 드러나지 않습니다.
- 들어간 오비탈 수만큼 분자 오비탈이 생깁니다. 1s 오비탈 두 개에서 σ1s와 σ*1s, 2p 오비탈 세 개짜리 두 묶음에서 σ2p, π2p 두 개, π*2p 두 개, σ*2p가 생깁니다. 여섯 개가 들어가 여섯 개가 나옵니다.
- 이핵 이원자 분자에서는 양쪽 열의 높이가 어긋납니다. CO, NO, HF에서는 전기 음성도가 큰 원자의 오비탈이 더 아래에 있고, 결합성 오비탈은 에너지상 그 원자 쪽에 더 가깝습니다. 원자가 전자가 11개인 NO의 결합 차수는 (8 − 3) / 2 = 2.5입니다.
분자 오비탈 다이어그램에 관해 자주 묻는 질문
라벨이 달린 분자 오비탈 다이어그램에는 무엇이 들어가야 하나요?
양쪽 바깥 열에 각 원자의 원자 오비탈, 가운데에 이름을 단 모든 분자 오비탈(σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p), 이를 잇는 점선, 반쪽 화살표로 그린 전자, 위쪽을 향한 에너지 축입니다. 대부분의 수업에서는 결합 차수와 상자기성·반자성 여부도 적도록 합니다.
He₂, Be₂, Ne₂는 왜 존재하지 않나요?
이들의 MO 다이어그램에서는 반결합성 오비탈의 전자 수가 결합성 오비탈의 전자 수와 같아 결합 차수가 0이기 때문입니다. He₂는 2개와 2개, Be₂는 2s 오비탈에 2개와 2개, Ne₂는 8개와 8개입니다. 알짜 결합이 없으므로 두 원자가 떨어져 있는 쪽이 에너지가 더 낮습니다. 저온 기체 상태 실험에서 아주 약하게 묶인 쌍이 검출된 적은 있지만, 안정한 분자를 이루는 것은 없습니다.
O₂는 왜 상자기성인가요?
마지막 두 원자가 전자가 두 π*2p 오비탈에 하나씩, 홀전자로 들어가기 때문입니다. 두 오비탈의 에너지가 같아서 훈트 규칙에 따라 쌍을 이루기 전에 하나씩 채워집니다. 루이스 구조는 O₂의 전자를 모두 쌍으로 그려 액체 산소가 자석에 붙는 이유를 설명하지 못하지만, MO 다이어그램은 설명합니다.
N₂와 O₂의 오비탈 순서가 다른 이유는 무엇인가요?
s-p 혼합 때문입니다. Li₂부터 N₂까지는 2s와 2p의 에너지가 가까워 두 σ 조합이 섞이고, 그 결과 σ2p가 두 π2p보다 위로 올라갑니다. O₂와 F₂에서는 2s와 2p의 에너지 차가 커서 혼합이 순서를 바꿀 만큼 강하지 않고, σ2p는 π2p 아래에 남습니다.
MO 다이어그램에서 결합 차수는 어떻게 구하나요?
결합성 오비탈과 반결합성 오비탈의 전자를 각각 세어 뺀 다음 2로 나눕니다. O₂라면 결합성 8개(σ2s, σ2p, π2p 두 개)에서 반결합성 4개(σ*2s, π*2p 두 개)를 빼 (8 − 4) / 2 = 2로, 루이스 구조의 이중 결합과 같습니다. He₂나 Ne₂처럼 결합 차수가 0이면 분자가 생성되지 않습니다.
CO나 HF 같은 이핵 이원자 분자의 MO 다이어그램은 어떻게 그리나요?
전기 음성도가 큰 원자의 오비탈을 그 원자의 열에 더 낮게 그립니다. CO에서는 산소의 2s·2p가 탄소보다 아래에 있고, 원자가 전자 10개(N₂와 같은 수)로 결합 차수는 3입니다. HF에서는 수소의 1s가 플루오린의 2p 오비탈 하나와 σ·σ* 쌍을 이루고, 플루오린의 2s와 나머지 2p 두 개는 비결합성으로 남아 결합 차수는 1입니다.
MO 다이어그램과 루이스 구조는 어떻게 다른가요?
루이스 구조는 결합을 두 원자가 공유한 전자쌍으로 그리고, MO 다이어그램은 전자를 분자 전체에 퍼진 오비탈에 에너지 순으로 배치합니다. 결합 차수는 대개 같지만, O₂의 홀전자나 NO의 2.5 같은 분수 결합 차수는 MO 다이어그램만 보여 줍니다. 루이스 구조는 이 사이트의 루이스 구조 생성기로 그릴 수 있습니다.
분자 오비탈 다이어그램과 오비탈 전자 배치도는 같은 것인가요?
다릅니다. 오비탈 전자 배치도는 원자 하나의 전자 배치를, 분자 오비탈 다이어그램은 두 원자의 오비탈이 합쳐지는 모습을 나타냅니다. 전자 배치도는 1s, 2s, 2p 등을 상자나 선으로 그리고 각각 화살표를 최대 두 개 넣습니다. MO 다이어그램은 그것을 양쪽에 하나씩 두고 가운데에 분자 오비탈을 그립니다. 둘 다 요청해서 만들 수 있습니다.
원자가 세 개 이상인 분자도 MO 다이어그램을 만들 수 있나요?
정성적인 도표로는 가능합니다. 벤젠의 π 전자계, 물의 분자 오비탈, HOMO-LUMO 간격 등입니다. 준위는 계산값이 아니라 교과서의 순서대로 그려집니다. 양자화학 계산 값이 있다면 요청에 적어 주세요. 그 숫자에 맞춰 그립니다.
더 살펴보기
다른 다이어그램 도구와, 그 배경을 설명한 가이드.
