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🔀分子轨道能级图 - 双原子分子 MO 电子排布、键级与磁性

分子轨道（MO）理论把分子中的电子看成在整个分子范围内运动：两个原子的原子轨道线性组合成能量较低的成键轨道和能量较高的反键轨道（标 *），电子再按构造原理、泡利原理和洪特规则由低到高填入。第二周期同核双原子分子有两种能级顺序：Li₂～N₂ 中 2s 与 2p 能量接近，发生 s–p 混杂，π2p 低于 σ2p；O₂、F₂、Ne₂ 中则是 σ2p 低于 π2p。以 O₂ 为例，16 个电子排成 KK(σ2s)²(σ*2s)²(σ2p)²(π2p)⁴(π*2p)²，键级 = (成键电子 − 反键电子)/2 = (10 − 6)/2 = 2，最后两个电子分占两个简并的 π*2p 轨道且自旋平行，所以 O₂ 是顺磁性的——这是路易斯结构解释不了、MO 理论的经典成功。输入分子或离子（如 O2-、O2^2-、N2+、CO、NO、CN-、HF），工具画出能级图：两侧是原子轨道（异核分子中电负性大的原子画得更低），中间是分子轨道，虚线表示组合关系，箭头表示电子；同时给出完整与 KK 简写的电子排布式、键级、未成对电子数、磁性、HOMO/LUMO 和实验键长键能，并可比较整个系列（H₂～Ne₂、O₂⁺/O₂/O₂⁻/O₂²⁻、N₂ 的等电子体）的键级与键能变化。

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如何使用分子轨道能级图

  1. 1输入分子或离子，如 O2、O2^2-、N2+、CO，或点击同核、离子、异核示例
  2. 2查看能级图和电子填充，读出 MO 电子排布式、键级、未成对电子数和磁性
  3. 3在下方切换系列，对比键级、键长和键能的变化，点击某一行查看它的能级图

常见问题

键级怎么算？
键级 = (成键轨道电子数 − 反键轨道电子数) ÷ 2。N₂：成键 10、反键 4，键级 3；O₂：10 和 6，键级 2；O₂⁺ 少一个反键电子，键级 2.5；O₂²⁻ 多两个反键电子，键级 1。键级越大，键越短、越强；键级为 0（He₂、Ne₂）说明分子不能稳定存在。HF 这类分子中的非键电子不计入键级。
为什么 N₂ 和 O₂ 的能级顺序不一样？
B、C、N 的 2s 与 2p 能量差较小，σ2s 和 σ2p 对称性相同会相互作用（s–p 混杂），把 σ2p 推到 π2p 之上，所以 B₂、C₂、N₂ 的顺序是 π2p < σ2p。O、F 的 2s–2p 能差大，混杂可以忽略，σ2p 仍在 π2p 之下。B₂ 实验上是顺磁性的、C₂ 是抗磁性的，正好证明了 s–p 混杂的存在。
为什么 O₂ 是顺磁性的？
O₂ 的最后两个电子进入一对能量相同的 π*2p 轨道，按洪特规则分占两个轨道、自旋平行，因此有 2 个未成对电子，表现为顺磁性，液氧会被磁铁吸引。而路易斯结构 O=O 中所有电子都成对，预测的是抗磁性，与实验不符。
异核分子 CO、NO 怎么处理？
异核分子中电负性大的原子（如 O）原子轨道能量更低，图中画得更低，成键轨道更多地由它贡献。CO、CN⁻、NO⁺ 与 N₂ 是等电子体（14 个电子），按 N₂ 的顺序排布，键级都是 3；NO 多一个电子进入 π*2p，键级 2.5，顺磁性。HF 用简化模型：H 1s 与 F 2pz 形成 σ/σ*，F 的 2s、2px、2py 为非键轨道。