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Argomento

Fluoro F₂: diagramma degli orbitali molecolari, ordine di legame e termine ¹Σg⁺

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Sorgente: Compito scritto di Struttura della Materia 12/2/2019 (Fisica Molecolare)
aggiornato 2026-06-21

Testo (dati)

Il fluoro (Z=9Z=9, A=19A=19) forma la molecola F2F_2 con R01,41R_0\simeq1{,}41 Å e quanto vibrazionale ω00,114\hbar\omega_0\simeq0{,}114 eV. Con LCAO a base minima (approssimazione di elettroni indipendenti):

  1. Diagramma degli orbitali molecolari con riempimento elettronico.
  2. Il legame è covalente o polare?
  3. Ordine di legame.
  4. Proiezione Λ\Lambda e spin totale SS.
  5. Termine spettroscopico 2S+1Λg/u±^{2S+1}\Lambda_{g/u}^{\pm}.
  6. Primi tre livelli vibrazionali e rotazionali; regole di selezione e spettro di assorbimento IR a 300 K.

1) Diagramma MO e riempimento

F: 1s22s22p51s^2\,2s^2\,2p^5. F2F_2: 18 elettroni. Per atomi pesanti della 2ª riga (oltre N₂) il mixing 2s2s2p2p è debole e l’ordine è (vedi cap. 08):

Configurazione MO di $F_2$
(1σg)2(1σu)2core 1s(2σg)2(2σu)2(3σg)2(1πu)4(1πg)4\underbrace{(1\sigma_g)^2(1\sigma_u^*)^2}_{\text{core }1s}\, (2\sigma_g)^2(2\sigma_u^*)^2(3\sigma_g)^2(1\pi_u)^4(1\pi_g^*)^4

(18 elettroni: 2+2+2+2+2+4+42+2+2+2+2+4+4; il 3σu3\sigma_u^* resta vuoto.)


2) Tipo di legame

Covalente puro

I due atomi sono identici (Z1=Z2=9Z_1=Z_2=9): la molecola è centrosimmetrica, gli orbitali molecolari hanno parità definita g/ug/u e non c’è dipolo permanente. Il legame è covalente puro (omopolare).


3) Ordine di legame

Conta legante/antilegante

Tolto il core (1σg1\sigma_g, 1σu1\sigma_u^* che si compensano), nei soli orbitali di valenza:

  • leganti: 2σg(2)+3σg(2)+1πu(4)=82\sigma_g\,(2)+3\sigma_g\,(2)+1\pi_u\,(4)=8 elettroni,
  • antileganti: 2σu(2)+1πg(4)=62\sigma_u^*\,(2)+1\pi_g^*\,(4)=6 elettroni.
Ordine di legame
b=nlegantenantilegante2=862=1b=\frac{n_{\text{legante}}-n_{\text{antilegante}}}{2}=\frac{8-6}{2}=\boxed{\,1\,}

F2F_2 ha un legame singolo (coerente con la lunghezza R0=1,41R_0=1{,}41 Å, maggiore del doppietto di O2O_2).


4) Λ\Lambda e SS

Shell chiuse $\Rightarrow$ $\Lambda=0$, $S=0$

Tutte le shell (σ,σ,π\sigma,\sigma^*,\pi) sono completamente piene o vuote. Per ogni elettrone in un orbitale π\pi con λ=+1\lambda=+1 c’è il partner λ=1\lambda=-1 (e idem per gli spin): le proiezioni si compensano Λ=iλi=0\Rightarrow\Lambda=\bigl|\sum_i\lambda_i\bigr|=0 e S=isi=0S=\sum_i s_i=0.


5) Termine spettroscopico

2S+1Λg/u±:Λ=0Σ,  S=01,  g,  +  1Σg+{}^{2S+1}\Lambda_{g/u}^{\pm}:\quad \Lambda=0\to\Sigma,\ \ S=0\to{}^1,\ \ g,\ \ +\ \Rightarrow\ \boxed{\,{}^1\Sigma_g^+\,}
Come si sceglie $g/u$ e $\pm$
  • g/ug/u: prodotto delle parità degli orbitali occupati. Qui gli orbitali dispari (uu) sono tutti o doppiamente occupati o vuoti: un numero pari di elettroni uu dà parità globale pari g\to g.
  • +/+/-: una riflessione in un piano contenente l’asse scambia gli orbitali λ=±1\lambda=\pm1; nello stato fondamentale, per ogni orbitale occupato con λ=1\lambda=-1 c’è il corrispondente λ=+1\lambda=+1, quindi lo stato è invariante +\to +.

6) Livelli e spettro IR

Livelli vibrazionali e rotazionali

ω0=0,114\hbar\omega_0=0{,}114 eV =919=919 cm⁻¹. Ev=ω0(v+12)E_v=\hbar\omega_0(v+\tfrac12): v=0460v{=}0\to460, v=11378v{=}1\to1378, v=22297v{=}2\to2297 cm⁻¹. μ=(19/2)1836=1,74104\mu=(19/2)\cdot1836=1{,}74\cdot10^4 a.u., R0=1,41R_0=1{,}41 Å =2,67=2{,}67 a.u.: B=12μR02=4,0106B=\frac{1}{2\mu R_0^2}=4{,}0\cdot10^{-6} a.u. =0,89=0{,}89 cm⁻¹. Ej=Bj(j+1)E_j=Bj(j+1): j=00j{=}0\to0, j=12B1,8j{=}1\to2B\simeq1{,}8, j=26B5,3j{=}2\to6B\simeq5{,}3 cm⁻¹.

$F_2$ è IR-INATTIVA

F2F_2 è omomolecolare: nessun dipolo permanente (Z1=Z2Z_1=Z_2), quindi le transizioni rotovibrazionali nello stesso stato elettronico sono proibite nell’IR (Δv=±1\Delta v=\pm1, Δj=±1\Delta j=\pm1 non vengono attivate). Lo spettro di assorbimento IR tra 0 e 3000 cm⁻¹ è vuoto. I livelli esistono (e sono osservabili in Raman, via polarizzabilità): è la regola della mutua esclusione in azione.


Formule chiave

  • Config F2F_2: (1σg)(1σu)(2σg)(2σu)(3σg)(1πu)4(1πg)4(1\sigma_g)(1\sigma_u^*)(2\sigma_g)(2\sigma_u^*)(3\sigma_g)(1\pi_u)^4(1\pi_g^*)^4
  • Ordine di legame: b=(86)/2=1b=(8-6)/2=1 (legame singolo)
  • Shell chiuse Λ=0\Rightarrow\Lambda=0, S=0S=0 \Rightarrow termine 1Σg+{}^1\Sigma_g^+
  • Livelli: ω0=919\hbar\omega_0=919 cm⁻¹, B=0,89B=0{,}89 cm⁻¹ — ma IR-inattiva (omomolecolare); attiva solo in Raman

Sintesi

GrandezzaEspressione / Valore
Configurazione MO(1σg)2(1σu)2(2σg)2(2σu)2(3σg)2(1πu)4(1πg)4(1\sigma_g)^2(1\sigma_u^*)^2(2\sigma_g)^2(2\sigma_u^*)^2(3\sigma_g)^2(1\pi_u)^4(1\pi_g^*)^4
Tipo di legamecovalente puro (omomolecolare)
Ordine di legameb=(86)/2=1b=(8-6)/2=\mathbf{1}
Λ\Lambda, SS00, 00 (shell chiuse)
Termine1Σg+{}^1\Sigma_g^+
ω0\hbar\omega_0919 cm⁻¹ (0,114 eV)
B~\tilde B0,89 cm⁻¹
IR-attivitàinattiva (omomolecolare)
Raman-attivitàattiva (regola del mutuo escluso)
Collegamenti
  • Teoria: orbitali molecolari, LCAO, regola del mutuo escluso (cap. 08), (cap. 07).
  • Esercizio gemello 03 (H₂): altra molecola omomolecolare, IR-inattiva, con diagonalizzazione LCAO 2×2 esplicita: esame 03 — H₂ LCAO.
  • Esercizio gemello 18 (N₂ UV + Franck-Condon): transizione elettronica in altra molecola omomolecolare (N₂), con vibronico: esame 18 — N₂.