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分子轨道能级图生成器

选一个同核双原子分子或离子,这个分子轨道能级图生成器会画出两侧原子轨道、中间的成键与反键分子轨道,并按正确的能级顺序填满电子——键序和磁性因此每次都算得对。

分子或离子

键序:3

反磁性——电子全部配对

Nitrogen (N₂) N 2s 2s N N 2p 2p N ↑↓ σ2s ↑↓ σ*2s ↑↓ ↑↓ π2p ↑↓ σ2p π*2p σ*2p Bond order = 3 · Diamagnetic σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p²
01示例

四个分子,四个能级顺序说明的道理

分子轨道理论真正有用的地方,恰恰是路易斯结构式给不出答案的场景。下面四例都由同一套分子轨道能级图生成器画出,是无机化学课上反复出现的经典例子。

氮气:一眼数得出的三键

N2 把 σ2s、一对 π2p 和 σ2p 这些成键轨道全部填满,反键轨道则一个电子都没碰。键序算出来正好是 3,对应化学书上一直画的氮氮三键,电子也全部配对,所以 N2 是反磁性的。

氧气:一张预言了磁性的图

用路易斯结构式画 O2,电子看起来全都配对,可液氧却会明显被磁铁吸住。分子轨道图揭示了原因:最后两个电子按洪特规则分占能量相同的两条 π*2p 反键轨道、自旋方向相同,留下两个未成对电子,O2 因此是键序为 2 的顺磁性分子。

氦气:He2 为什么不存在

两个氦原子结合时,成键 σ1s 轨道填满电子的同时,反键 σ1s* 轨道也被同样数量的电子填满。键序算出来正好是 0,意味着结合并不带来净稳定化——这正是常温常压下氦只以单原子形式存在、没有 He2 分子的原因。

一个电子一个电子地看:O2、O2⁻、O2²⁻

给 O2 每多加一个电子,都只能落进反键 π*2p 轨道:O2 键序 2,超氧离子 O2⁻ 降到 1.5,过氧离子 O2²⁻ 两条 π* 轨道都填满后降到 1。氧氧键随之实测变弱、变长,三张图并排看,规律一目了然。

02功能

这个分子轨道能级图生成器做对了哪些事

第二周期前段分子与氧、氟的分子轨道能级顺序对比

能级反转,处理得对

从 Li2 到 N2,s-p 混合把 σ2p 推到 π2p 之上;到了 O2、F2,这种混合减弱,σ2p 又落回 π2p 之下。工具会在正确的位置切换排布方案,而不是对第二周期所有分子套用同一套顺序——这恰恰是简单化处理最容易把 B2、O2 算错的地方。

一对简并 π 反键轨道各占一个自旋平行的未成对电子

简并轨道上的洪特规则

每当电子填到一对简并的 π2p 或 π*2p 轨道,这个分子轨道能级图生成器会先让两条轨道各占一个自旋方向相同的电子,配对必须等两条轨道都占满一个之后才发生——这与原子里 p 轨道的填充规则完全一致,只是搬到了分子轨道上。

分子轨道能级图下方显示的键序与磁性摘要

分子轨道能级图生成器自动算出键序与磁性

每张图内置的键序计算都会读取最终成键与反键轨道里的电子数,给出数值键序,并判断分子是顺磁还是反磁,不用自己动手数电子。

N2⁺ 阳离子的分子轨道图,σ2p 成键轨道少了一个电子

分子轨道能级图生成器也覆盖常见离子,不只是中性分子

得失一个电子会改变最后填的是哪条轨道,一个电子的差别就能让键序变化半个单位。工具在中性分子之外,还覆盖 N2⁺、O2⁻、O2²⁻,电离相关的问题也有图可查。

03这是什么

分子轨道理论比路易斯结构式多说了什么

路易斯结构式能告诉你两个原子之间连了几根键、孤对电子在哪,却把每一根键都当成同一种强度,说不出键到底有多牢。分子轨道理论换了一种做法:把两个原子的原子轨道重新组合成一套新的分子轨道——有的能量更低(成键),有的更高(反键)——再像给单个原子的原子轨道填电子那样,从低能级到高能级依次填入,每条轨道先占一个电子再配对,最多容纳两个。

这套做法多算出两个路易斯结构式给不了的数字:键序,等于(成键电子数-反键电子数)/2,能表示强弱程度、不必是整数;以及磁性,直接由是否存在未成对电子决定。O2 是教科书级的例子——路易斯结构式看起来电子全部配对,但分子轨道能级图显示有两个电子被迫分占两条能量相同的反键轨道,这正是液氧会被磁铁吸住的原因。

代价是适用范围有限:和课堂上大多数分子轨道处理一样,这个生成器只覆盖同核双原子分子——两个原子提供能量完全相同的原子轨道。异核分子的原子轨道能量不同、贡献权重也不相等,比双原子更复杂的分子则需要完整的分子对称性分析。要看整体几何构型和形式电荷,用路易斯结构式;要回答键序或磁性问题,分子轨道能级图才是对的工具。

氧气的路易斯结构式与其分子轨道能级图并排对比,后者显示出未成对电子
04工作原理

从选分子到能级图:这个分子轨道能级图生成器怎么填电子

下面每张图都来自这个工具在页面上使用的同一套确定性规则,预览与下载永远一致。

  1. 01

    选一个分子或离子

    从人工核对过的名单里选:第一周期的 H2、He2,第二周期的 Li2 到 F2,以及 N2⁺、O2⁻、O2²⁻ 等常见离子。

  2. 02

    自动填充分子轨道

    工具按能级从低到高排布电子,自动执行泡利不相容原理与洪特规则——简并的一对 π 轨道会先各占一个电子,配对总是最后发生。

  3. 03

    读出键序与磁性

    图旁会给出(成键电子数-反键电子数)/2 算出的键序,以及是否存在未成对电子——顺磁还是反磁一并写明。

  4. 04

    下载 SVG 或 PNG

    矢量图适合作业与论文排版,PNG 适合直接插入幻灯片。两种格式与屏幕上看到的完全一致。

05对比

分子轨道理论 vs. 路易斯结构式/价键理论

两套模型描述的是同一个分子,但回答的是不同的问题,按下表判断该用哪一套。

分子轨道理论

电子属于整个分子

  • 给出数值键序,包括 O2⁻、N2⁺ 这类离子的半整数键序
  • 直接从未成对电子预测磁性——O2 的顺磁性正是这样解释的
  • 在成键与反键轨道相互竞争时也能正确填充电子,如 O2/O2⁻/O2²⁻ 系列
  • 超出双原子分子后手算很吃力,需要额外的对称性工具
  • 说不出分子的三维构型,也说不出孤对电子朝哪个方向

路易斯结构式/价键理论

电子归属于具体的原子或键

  • 几乎对任何分子都能快速画出,不局限于双原子分子
  • 一眼看出形式电荷与孤对电子的位置
  • 直接接上价层电子对互斥理论,推出三维分子构型
  • 解释不了 O2 的顺磁性——不管怎么画,结构看起来都是电子全配对
  • 把同一键序的键都当成完全相同,看不出离子系列内部的键序差异
06常见问题

分子轨道图常见问题

普通化学与无机化学课上,学生和助教问得最多的问题。

07相关工具

再选一个分子,再出一张图

分子选择器就在页面顶部——换个物种、对比键序,随时从这个分子轨道能级图生成器导出新的 SVG 或 PNG。

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