この実験について
結合性・反結合性軌道のボックスを埋めて、結合次数と不対電子数を予測し、原子軌道の組み合わせによる位相干渉を三次元で確認しましょう。
学習目標
- 縮退軌道におけるパウリの排他原理による占有とフント則に基づく充填を適用します。
- 結合性電子数と反結合性電子数から、モデル上の結合次数を計算します。
- 不対電子を簡単な常磁性予測に関連付けます。
使い方
- 1酸素を読み込み、縮退した反結合性π軌道に不対電子が2個あることを確認します。
- 2窒素と酸素の結合次数、および選択した軌道表面を比較します。
- 3電子をいったん消去し、手動で配置して、電子配置を基底状態の配置と比較してください。
- 4結合性軌道と反結合性軌道の組み合わせを調べ、存在する場合は核間の節を特定してください。
モデル
前提条件
- エネルギー準位の図は模式的なものです。B2、C2、N2では結合性π準位はσ-2pより低く、O2、F2、Ne2では順序が逆になります。
- 第2周期の図では、満たされた1sの内殻結合性軌道と反結合性軌道を省略しています。これらの結合次数への寄与は相殺されます。水素とヘリウムでは1s軌道の組み合わせのみを使います。
- 等値面には、共通の有効長さスケールを用いた未規格化の水素様1s、2s、または2p軌道の組み合わせを使用しています。これらは自己無撞着な分子軌道でも、測定されたエネルギーでもありません。
- 励起状態の電子配置を手動で設定することもできます。また、結合次数が正であることだけでは、分子が実際に安定である証拠にはなりません。磁性の分類には、初歩的な不対電子の規則を用います。
授業で試してみましょう
- Q1酸素は電子の総数が偶数なのに、なぜ不対電子を持つのでしょうか？
- Q2反結合性軌道に電子を1個加えると、なぜ結合次数が1/2だけ下がるのですか？
よくある質問
なぜ2つの色が節で接することがあるのですか？
これらは軌道振幅の符号が反対であることを示しています。節は合成波動関数がゼロになる点です。これを二乗すると、その軌道からの寄与はゼロになります。
低周期の軌道の列では、なぜ順序が変わるのですか？
この図には、より軽い第2周期の二原子分子で一般的に見られる、s-p混成の定性的な効果が含まれています。第一原理から軌道エネルギーを計算したものではありません。