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三、同核双原子分子


1.电子组态:

将体系中电子按Pauli规则填充在轨道中,分子轨道按能量顺序排列,我们可得到体系的电子组态。

H2由两个氢原子的1s轨道组合成两个分子轨道 ,两个电子填充在 上,H2的电子组态记为

He2有4个电子,电子组态为 ,由于成键与反键轨道都填满,成键作用与反键作用相互抵消,所以它们基本上属于原来的原子轨道。

Li2、B2等分子的电子组态如表4—1所示

表4-1  同核双原子分子和离子的电子组态
分子 (离子) 电子数 电子组态 键级 光谱项 键长 (pm) 键解离能
(KJ·mol-1)
H2+ 1 1s)1 0.5 2Σg+ 106 255.48
H2 2 1s)2 1 g+ 74.12 431.96
He2+ 3 1s)2 1s*)1 0.5 2Σu+ 108.0 322.2
Li2 6 KK(1σ)2 1 g+ 267.2 110.0
B2 10 KK(1σ)2 (1σ*)2 (1π*)2 1 (3Σg)b 158.9 274.1
C2 12 KK(1σ)2 (1σ*)2 (1π*)4 2 1Σg+ 124.25 602
N2+ 13 KK(1σ)2 (1σ*)2 (1π*)4 (2σ)1 2.5 g+ 111.6 842.15
N2 14 KK(1σ)2 (1σ*)2 (1π*)4 (2σ)2 3 1Σg+ 109.76 941.69
O2+ 15 KK(σ2s)2 2s*)2 2p)22p)42p*)1 2.5 2Πg 112.27 626
O2 16 KK(σ2s)2 2s*)2 2p)22p)4 2p*)2 2 3Σg 120.74 493.54
F2 18 KK(σ2s)2 2s*)22p)22p)42p*)4 1 1Σg+ 141.7 155

 

从B2、C2分子可看出,由于2s、2p轨道能级的靠近,使 轨道发生混杂, 能量降低, 轨道能量升高, 轨道被推到 上面,即能量顺序为

到了O2、F2分子,2s 与2p能级相差较远, 轨道能量又回到原来位置

2.键级:

分子键级定义为成键电子数与反键电子数的差除以2。表4-1也列出了双原子分子的键级,从B2至N2分子键级逐次增多,实验测定键长逐步缩短,解离能逐步增大。从N2至F2,键级逐次降低,实验测得键长逐步拉长,解离能逐步减少,理论分析与实验完全符合。

3.分子光谱项:

双原子分子光谱项用符号 表示。

=

0

1

2

3

4

符号为

 

为大写希腊字母,对应分子的总轨道角动量的值。2s+1是自旋多重度,类似原子光谱项。一个分子的电子组态,如果所有的轨道是全满或全空,叫做满壳层结构,总轨道角动量为0,总自旋角动量也为0,这种结构呈 态。H2、Li2、C2、N2等基态光谱项均为 。对同核双原子分子,状态对于反演动作的对称性,可根据公式

g×g=u×u=g,u×g=u

由各个电子的对称性相乘得出来。只有在反对称轨道上有奇数个电子时,才有u状态,

对于二重简并的 等轨道,它们的 值分别对应±1,±2,±3。例如B2分子,两个电子分别占据 轨道,总轨道角动量的和仍为0,电子自旋角动量为1,则多重度为3,其基态光谱项为 自旋三重态则意味着该分子是顺磁性的,两个电子亦可分别占据 ,自旋相反,则光谱项为 两个电子亦可占据同一个 轨道,则 =2,自旋角动量为0,光谱项为 ,这两种状态都是B2的激发态。光谱项右上角的+、-号则是对应核间轴所在的平面,波函数是对称的记为+,反对称的记为-。异核双原子分子光谱项则无g,u之分。

4.轨道能级示意图

图4-3 O2分子的分子轨道能级图

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