化學原理啟迪369
Franz Schubert - Sonate B Dur op. posth. D 960 - III. Clifford Curzon
1. 基本上，原子們會組成分子的原因是原子組成分子的能量低於原子們各自獨立的能量；我們透過比較簡單的分子軌域模型的鍵結電子數與反鍵結電子數，觀察原子組成分子的能量高低。
注：鍵結電子指的是電子在分子軌域中的能量低於他們在獨立原子上的能量。反鍵結電子指的是電子在分子軌域中的能量高於他們在獨立原子上的能量。
2. 如果某個特定分子的鍵結電子數大於反鍵結電子數，我們會預測這個分子將十分穩定。判斷雙原子分子穩定度的量化指標是鍵級bond order：鍵級的計算方式為，鍵結電子數減掉反鍵結電子數，再除以2。
鍵級＝（鍵結電子數－反鍵結電子數）÷2
鍵結電子數與反鍵結電子數相減之後，必須再除以2，是因為我們習慣用電子對的觀念去描述分子內的電子。
3. 鍵級是鍵能的指標，因為鍵級反映出鍵結電子數與反鍵結電子數之間的差距，而鍵結電子數與反鍵結電子數之間的差距又反映出原子組成分子時能夠釋放的能量多寡。總之，鍵級愈大，鍵能愈強。
4. 氫分子H2有2個鍵結電子，沒有反鍵結電子，因此氫分子H2的鍵級是1：
鍵級＝（2－0）÷2＝1
5. 接著我們將使用分子軌域模型MO model計算氦分子He2的鍵級。依據分子軌域模型，氦分子He2是否穩定？氦原子的2個電子位於1s軌域，電子組態為1s2，因此氦分子是用1s軌域來建立分子軌域，氦分子軌域裡共有4個電子。
6. 氦分子軌域的能階圖如下：
7. 氦分子的電子所處的軌域能階圖顯示，氦分子有2個電子在高能階，有2個電子在低能階。因此鍵級是0：
（2－2）÷2＝0
8. 氦分子的鍵級是0，顯示氦分子與獨立的氦原子相比是比較不穩定的，這符合實際觀察到的現象，氦氣的組成成分為原子而不是分子。
9. 接著，我們將用簡單的分子軌域模型解釋雙原子離子，先從氦陽離子開始He2＋。請問，氦陽離子是否穩定？
10. 氦陽離子的軌域能階圖如下：
11. 當氦原子He與正一價的氦He＋結合成氦陽離子He2＋，其中2個電子在低能階軌域，只有1個電子在高能階軌域。
12. 氦陽離子He2＋鍵級是（2－1）/2＝1/2，氦陽離子He2＋鍵級1/2，由此預測氦陽離子He2＋是穩定的（鍵級1/2代表，在分子中每個原子的價電子處於低能量軌域的數量比在單獨原子身上多1/2）。實驗顯示，氦陽離子的鍵能確實很強，是250kJ/mol。
13. 類似的情況是氫陽離子H2＋，氫陽離子的鍵能是255kJ/mol（鍵能強，分子穩定，鍵級應該大於0）。這個結果與氫氣的分子軌域模型預測的一致，分子軌域模型顯示氫氣的鍵級是（1－0）/2＝1/2。
14. 下圖是氫陰離子H2－的分子軌域能階圖：
15. 氫陰離子H2－的鍵級是（2－1）/2＝1/2；照這樣說，氫陰離子H2－應當十分穩定，可是實際實驗的結果卻不符合，氫陰離子H2－非常不穩定，它很快地就會瓦解成氫分子H2和獨立的電子e－。
16. 我們再次發現一切簡單模型都有其不足之處。至於為什麼分子軌域模型的鍵級計算模式用在氫陰離子H2－上會失靈，在接下來的段落我們將討論這個問題。
17. 徐弘毅：為什麼氫陽離子和氫陰離子的鍵級都是1/2，但是穩定度卻不一樣？鍵級是「分子的每個原子分配到的價電子」的能量大小，與「單獨原子分配到的價電子」的能量大小，加以比較的結果。鍵級愈大，代表分子的每個原子分配到的低能量價電子數量愈多。
18. 由於物質天性追求最低能量狀態，因此分配到較多低能量電子的原子較為穩定，如果原子處於分子狀態下能夠分配到較多的的低能量電子，那麼原子就會朝向組成分子的方向變化；如果原子單獨狀態下能夠分配到較多的低能量電子，那麼原子就會追求單獨的狀態。
19. 氫陽離子和氫陰離子的鍵級都是1/2代表離子狀態下，每個氫原子分配到的低能量電子比單獨狀態下多1/2個，照理說，這二種情況都應該代表離子比原子穩定，為什麼事實上氫陰離子不穩定？
20. 因為每一個氫原子只有1個帶正電的原子核，控制1顆電子剛剛好，如果超過這個數量，多1/2顆，反而是超出原子核控制範圍，因此變得不穩定，氫陰離子的情況就是如此，對氫陰離子的每一個組成原子來說，它們超過原子核引力多負擔1/2顆電子，造成氫陰離子不穩定。
21. 換一個角度來解釋，氫原子的最低能階軌域至多只能填入2顆電子，超過的部分必須填入高能階軌域。當二個氫原子鍵結成分子或離子時，彼此共享2顆價電子，已經填滿了最低能階軌域，而氫陰離子還要多填入1顆電子，這多出來的這1顆電子必須進入高階軌域，這造成氫陰離子不穩定。
