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Diagrammes d’orbitales moléculaires

UniversitéChimieRemplissage schématique des OM de valence de molécules homonucléaires, avec les populations selon Hund et les isosurfaces LCAO hydrogénoïdes signées

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À propos de cette expérience

Remplissez les cases des orbitales liantes et antiliantes, prévoyez l’ordre de liaison et le nombre d’électrons non appariés, puis examinez en trois dimensions l’interférence de phase des combinaisons d’orbitales atomiques.

Objectifs pédagogiques

  • Appliquez la règle d’occupation de Pauli et la règle de Hund aux orbitales dégénérées.
  • Calculez l’ordre de liaison du modèle à partir du nombre d’électrons liants et antiliants.
  • Reliez les électrons non appariés à une prédiction paramagnétique simple.

Comment l’utiliser

  1. 1Chargez l’oxygène et vérifiez la présence de deux électrons non appariés dans ses orbitales π antiliantes dégénérées.
  2. 2Comparez les ordres de liaison de l’azote et de l’oxygène, ainsi que leurs surfaces orbitalaires sélectionnées.
  3. 3Supprimez les électrons, placez-les manuellement et comparez vos occupations à la configuration de l’état fondamental.
  4. 4Examinez une combinaison liante et une combinaison antiliante, et repérez un nœud internucléaire s’il y en a un.

Le modèle

L’ordre de liaison est la différence entre les populations des orbitales liantes et antiliantes, divisée par deux.
La phase relative des orbitales atomiques détermine si l’interférence est constructive ou destructive.
Les signes opposés de la fonction d’onde sont une information de phase, et non des charges électriques opposées.

Hypothèses

  • Les niveaux d’énergie sont schématiques. Pour B2, C2 et N2, les niveaux π liants se trouvent sous σ-2p ; pour O2, F2 et Ne2, l’ordre est inversé.
  • Les diagrammes de la deuxième période omettent les orbitales de cœur 1s liantes et antiliantes occupées, dont les contributions à l’ordre de liaison s’annulent. L’hydrogène et l’hélium n’utilisent que des combinaisons 1s.
  • Les isosurfaces utilisent des combinaisons non normalisées d’orbitales hydrogénoïdes 1s, 2s ou 2p, avec une échelle de longueur effective commune. Ce ne sont ni des orbitales moléculaires auto-cohérentes ni des énergies mesurées.
  • Les occupations manuelles d’états excités sont autorisées, et un ordre de liaison positif ne suffit pas à prouver la stabilité réelle d’une molécule. La classification magnétique suit la règle élémentaire des électrons non appariés.

À essayer en classe

  1. Q1Pourquoi l’oxygène possède-t-il des électrons non appariés alors que son nombre total d’électrons est pair ?
  2. Q2Pourquoi l’ajout d’un électron à une orbitale antiliante réduit-il l’ordre de liaison d’une demi-unité ?

Foire aux questions

Pourquoi les deux couleurs peuvent-elles se rejoindre au niveau d’un nœud ?

Elles indiquent des signes opposés de l’amplitude orbitale. Un nœud est un zéro de la fonction d’onde combinée ; son carré donne une contribution nulle de cette orbitale.

Pourquoi l’ordre des rangées d’orbitales change-t-il pour les éléments de la période inférieure ?

Le diagramme inclut l’effet qualitatif habituel du mélange s-p pour les molécules diatomiques les plus légères de la deuxième période. Il ne calcule pas les énergies orbitalaires à partir des premiers principes.