分子轨道搞不懂？手把手教你画分子轨道能级图！

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分子轨道搞不懂？手把手教你画分子轨道能级图！

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分子轨道理论是化学中的一个重要概念，它帮助我们理解分子的形成和稳定性。本文将从最简单的双原子分子开始，逐步讲解分子轨道的形成、填充规则以及键级的概念，并通过H2、He2和N2的例子，手把手教你绘制分子轨道能级图。

分子轨道理论与分子轨道能级图

分子轨道理论是化学中的一个重要概念，它帮助我们理解分子的形成和稳定性。分子轨道是由原子轨道通过线性组合形成的。当两个原子相互接近时，它们的原子轨道会相互作用，形成两个新的分子轨道：一个是能量较低的成键轨道，另一个是能量较高的反键轨道。每个分子轨道最多只能容纳两个电子，且电子填充分子轨道的顺序是先填充能量较低的轨道，然后再逐步向能量较高的轨道填充。

H2及"He2"的分子轨道

1.1 H2的分子轨道

我们从最简单的双原子分子H2开始探索分子轨道的概念。分子轨道能级图能展现一个分子的分子轨道情况。以下是绘制这张能级图的步骤：

绘制原子轨道并填充电子：首先，我们根据能量的高低绘制出两个氢原子的1s原子轨道。由于每个氢原子的1s轨道中只包含一个电子，我们用两个单向箭头来表示这两个电子。
绘制分子轨道：当两个氢原子靠近时，它们的1s原子轨道相互作用，形成两个分子轨道。一个是能量降低的成键轨道，另一个是由能量升高的反键轨道。
填充电子：在绘制好分子轨道后，两个原子轨道的总电子数填充到能量较低的分子轨道中，由于H2共有两个电子，因此将两个电子填充在能量较低的成键轨道上。

1.2 “He2”的分子轨道

那么问题来了，倘若1s轨道含有两个电子会怎样？1s含有两个电子的最简单的原子是氦，我们按照上述方法画好分子轨道能级图后你会发现，形成的两个分子轨道均充满了电子如图2所示。

在这种情况下，由于成键轨道和反键轨道都被电子占据，成键轨道中的任何电子造成的成键效果都被反键轨道中对应得电子所抵消，也就无法真正形成我们所说的He₂分子。这也是为什么我们在自然界中从未听说过He₂分子的原因。

键级的概念

为了深入理解后续内容，我们在此简要介绍键级的概念。键级是指两个原子之间通过共享电子所形成的化学键的数量。当成键分子轨道（MOs）比反键分子轨道多填入一对电子时，两个原子之间就会形成一根额外的化学键。键级的计算方法相对直观，如图3所示（由于每两个电子形成一根化学键，因此在计算时需将电子数除以二）。

以H₂和He₂为例，根据键级的计算公式，H₂的键级为1，这意味着H₂分子中的两个氢原子之间形成了一根单键。而He₂的键级则为0，这表明He₂中的两个氦原子之间并未形成化学键，因此He₂分子在自然界中是不存在的。这一结论与我们先前的分析相吻合，进一步验证了键级概念的有效性和实用性。

N2的分子轨道

接下来，我们提升一点难度，来探讨N₂的分子轨道。虽然绘图方法与之前介绍的类似，但N₂的分子轨道会涉及到2p轨道，这增加了问题的复杂性。

在之前的篇章中，我们已经了解到2p轨道包含三个相互垂直的原子轨道(px、py、pz)。当两个氮原子的2p轨道发生重叠时，它们会两两组合，形成6个分子轨道。具体包括两个π成键轨道和一个σ成键轨道，以及有两个π反键轨道(π*)和一个σ反键轨道(σ*)。这六个分子轨道中最低能量的是两个π成键轨道。接下来是σ成键轨道，然后是两个π反键轨道，最高能量的是σ反键轨道。

N2的分子轨道能级图如图4所示。每个氮原子对于分子贡献了七个电子，因此我们将由下至上填充共 14 个电子。从分子轨道能级图上来看，共有4个反键轨道电子，10个成键轨道电子，由此得出，N2分子的键级数为3，意味着氮分子之间形成了三根化学键。

两个 1s 和两个 2s 轨道相互作用形成的σ 和σ*分子轨道都充满了电子：由于成键轨道与反键轨道相互抵消，总体上并没有成键效果。剩余的6个电子构成了该分子中的所有化学键：其中两个p轨道及其电子构成了一根σ键，另两对构成了两根π键。

然而，我们不应直接忽视那些未直接参与成键的8个电子。其中，4个电子位于能量较低1s轨道，为非价电子；而另外4个来自2s轨道的电子(最外层电子轨道)，则作为孤对电子，分别附着在每个氮原子上。在绘制分子结构时，虽然理论上应将它们纳入考量，但在不涉及特定化学反应过程的图示中，为了简化，通常不画出孤对电子。