分子軌道図の書き方：N2・O2・CO・F2・H2 の例でわかる MO 図入門
分子軌道図は、化学の講義資料やレポートで頻繁に登場する図です。ところが、見た目をきれいに整えても、軌道の順序・価電子数・縮退軌道への電子の入れ方・結合次数のどれか一つでも間違っていると、図全体の意味が一気に崩れてしまいます。難しいのは線を引くことではなく、その下にある化学のほうなのです。
この記事では、N2・O2・CO・F2・H2 を例に、分子軌道図をどう組み立てていくかを順を追って解説します。最後には、SciDraw AI Molecular Orbital Diagram Generator で実際に図を作るためのプロンプトも紹介します。
ラベルの整った N2 の分子軌道図では、2s・2p 原子軌道、結合性／反結合性軌道、そして 10 個の価電子がはっきり読み取れます。
まず結論：分子軌道図の基本手順
分子軌道図は、次の順番で進めると頭の中が整理しやすくなります。
- 分子全体の価電子数を数える。
- 左右に原子軌道を置く。
- 中央に分子軌道をエネルギー順に並べる。
- 低エネルギー側から電子を入れる。
- 縮退軌道には、まず一つずつ電子を入れる。
- 結合次数を計算する。
結合次数は、次の式で確認します。
結合次数 = (結合性軌道の電子数 - 反結合性軌道の電子数) / 2
つまずきやすいポイント
N2 と O2 の 2p 軌道順序を同じにしない
第二周期の等核二原子分子では、B2・C2・N2 のグループと O2・F2 のグループとで 2p 軌道の順序が入れ替わります。
N2 側の順序：
sigma 2s
sigma* 2s
pi 2p
sigma 2p
pi* 2p
sigma* 2p
O2 / F2 側の順序：
sigma 2s
sigma* 2s
sigma 2p
pi 2p
pi* 2p
sigma* 2p
この違いを見落とすと、O2 の常磁性をうまく説明できなくなります。
結合次数を書かずに終わらせない
分子軌道図は、電子を置いたら完成、というわけではありません。求めた結合次数が、予想される化学的性質ときちんと合っているかを必ず確認しましょう。
異核二原子分子を左右対称に描かない
CO のような異核二原子分子では、C と O の原子軌道のエネルギーが同じではありません。酸素側の軌道は、炭素側より低い位置に描く必要があります。
代表的な分子の比較
| 分子 | 価電子数 | 結合次数 | 磁性 |
|---|---|---|---|
| H2 | 2 | 1 | 反磁性 |
| N2 | 10 | 3 | 反磁性 |
| O2 | 12 | 2 | 常磁性 |
| F2 | 14 | 1 | 反磁性 |
| CO | 10 | 3 | 反磁性 |
N2 の分子軌道図
窒素は原子あたり価電子を 5 個持つので、N2 は合計で 10 個の価電子を持ちます。N2 では s-p 混合を考慮し、pi 2p を sigma 2p より低い位置に配置します。
電子を入れていくと、結合次数は 3 になります。
結合性電子：8
反結合性電子：2
結合次数 = (8 - 2) / 2 = 3
SciDraw AI 用のプロンプト：
Create a molecular orbital diagram for N2. Show nitrogen atomic orbitals on both sides, molecular orbitals in the center, pi 2p below sigma 2p due to s-p mixing, 10 valence electrons as arrows, and a bond order label of 3. Use clean chemistry textbook style.
O2 の分子軌道図
O2 は価電子を 12 個持ちます。O2 では sigma 2p が pi 2p より下に来て、最後の 2 つの電子は縮退した pi* 反結合性軌道に一つずつ入ります。
O2 では pi 軌道に 2 個の不対電子があり、これが常磁性の理由になります。*
結合次数は次の通りです。
結合性電子：8
反結合性電子：4
結合次数 = (8 - 4) / 2 = 2
この図は、O2 が二重結合性を持ちながら同時に常磁性でもあることを、一枚で説明してくれます。
CO の分子軌道図
CO は N2 と同じく 10 個の価電子を持ちますが、こちらは異核二原子分子です。酸素の原子軌道は炭素より低いため、左右の軌道を完全に対称に描くのは適切ではありません。
CO では、C と O の原子軌道のエネルギー差を図にきちんと反映させます。
プロンプト例：
Create a heteronuclear molecular orbital diagram for CO. Place carbon atomic orbitals on the left and oxygen atomic orbitals on the right, with oxygen orbitals lower in energy. Show asymmetric molecular orbitals, 10 valence electrons, lone-pair character, and bond order 3.
F2 と H2 のポイント
F2 は 14 個の価電子を持ちます。反結合性軌道にも電子が多く入るため、結合次数は 1 になります。
H2 は最も基本的な例です。2 つの 1s 原子軌道から sigma 1s と sigma* 1s ができ、2 個の電子はそろって結合性軌道に入ります。
論文・教材用に仕上げるためのチェックリスト
- 軌道の順序は、その分子に合っているか。
- 価電子数は正しいか。
- 縮退軌道への電子の入れ方は正しいか。
- 結合次数を明記しているか。
- 原子軌道と分子軌道のラベルは読み取れるか。
- スライドや印刷物でも電子矢印がきちんと見えるか。
- PowerPoint や Illustrator で編集する必要があるか。
SciDraw AI では、化学図・反応機構図・TOC グラフィック・分子軌道図の下書きを、プロンプトから作成できます。分子軌道図は https://sci-draw.com/molecular-orbital-diagram-generator から始められます。
FAQ
分子軌道図とルイス構造式は何が違いますか？
ルイス構造式は、原子の結合関係と孤立電子対を簡略化して示すものです。一方、分子軌道図は、原子軌道が分子全体に広がりながら結合性・反結合性軌道を作っていく様子を示します。
なぜ O2 は常磁性なのですか？
O2 の分子軌道図では、縮退した pi* 反結合性軌道に 2 個の不対電子があります。この不対電子こそが、酸素が常磁性である理由です。
AI で分子軌道図を作ってもよいですか？
下書きを作るうえでは十分に役立ちます。ただし、価電子数・軌道順序・結合次数・磁性の説明については、図を講義や論文に使う前に必ず自分の目で確認してください。