化學原理啟迪363
我們已經討論過基本的原子鍵結觀念，也介紹最簡單的共價鍵結模型：定域化電子模型LE。鍵結模型使我們能夠有系統地用化學鍵的角度觀察分子。我們學會依據將化學鍵彼此的斥力降到最低的原則，建立最接近分子實際情形的結構。
Andrea Bocelli - God Bless everyone and Jingle bells with the Muppets
混成軌域與定域化電子模型 Hybridization and the Localized Electron Model
定域化電子模型將分子視為一群鍵結綁在一起的原子們，這些原子們透過彼此共享軌域上的電子而鍵結在一起；價電子的排列方式以路易斯結構呈獻，分子的立體構造則是用VSEPR模型預測（近似值）。在這個章節，我們將討論VSEPR模型裡原子們彼此共享的電子會在什麼樣的原子軌域裡，會形成什麼樣的化學鍵。
sp3混成軌域 sp3 Hybridization
1. 讓我們來討論甲烷的鍵結情形，甲烷的路易斯結構與分子的立體構造如下圖：
2. 基本上，我們設定鍵結僅限於價電軌域。這代表，甲烷的氫原子是用1s軌域參與鍵結。碳原子是用2s和2p軌域參與鍵結。
3. 仔細研究碳原子提供與氫原子鍵結的軌域，發現有二個問題：
1. 碳原子有2p和2s二種軌域，因此當碳與氫鍵結時，會製造出二種不同的C－H鍵。
(a)碳的2p軌域與氫的1s軌域重疊（共可以製造出3個化學鍵）。
(b)碳的2s軌域和氫的1s軌域（可以製造出1個化學鍵）。
2. 因為碳的2p軌域彼此是互相垂直的，我們預期由2p軌域形成的C－H鍵是彼此的角度是90°。可是事實上，實驗顯示甲烷分子構造是四面體，鍵角是109.5°。
4. 科學家分析後認為，在甲烷分子內的碳，不是用它的2s和2p軌域與氫原子鍵結，而是用一組混合2s與2p性質的的原子軌域與氫原子鍵結。
5. 徐弘毅注：甲烷分子內的原子們彼此之間存在的強大引力，這些引力使碳的價電子雲略微脫離原本的活動軌域，集中在原子之間的強引力區域；在分子系統內，原子的價電子原本的活動慣性，加上原子之間的引力造成的扭曲變形，造就了價電子的混成軌域。（完）
6. 從混成軌域的觀點來解釋甲烷的結構，甲烷應該有4個相等的原子軌域，排列成四面體。這四個相等的原子軌域是由2s和2p軌域結合而成的：
7. 單獨一顆原子各軌域，在分子中被混合成特殊的鍵結軌域，稱為混成hybridization。
8. 在甲烷分子中，碳的4個新混成軌域稱為sp3軌域，s右上角省略的數字1與p右上角的數字3顯示，sp3軌域是1個2s軌域和3個2p軌域混合而成的。
9. 甲烷分子的碳的4個sp3軌域的外型一樣，每一個軌域都由一個大軌域瓣和小軌域瓣組成，朝向四面體的不同角落伸展。
10. 甲烷分子的碳的4個sp3混成軌域，分別按照不同比例結合2s和2p軌域，列舉如下：
φ1＝1/2[(s)＋(px)＋(py)＋(pz)]
φ2＝1/2[(s)＋(px)－(py)－(pz)]
φ3＝1/2[(s)－(px)＋(py)－(pz)]
φ4＝1/2[(s)－(px)－(py)＋(pz)]
注：(s)和(p)代表2s和2p原子軌域的波函數，係數1/2所做的調整，是為了讓軌域範圍內電子出現的總機率為1。每個波函數φ1、φ2、φ3、φ4代表一個獨立的sp3混成軌域。
11. 在甲烷分子中的碳的混成軌域能階如下圖：
注：sp3混成軌域能階介於2s和2p軌域的能階之間。
12. 甲烷分子結構可用LE模型來解釋，不過前提是，固定的鍵結電子所在的位置，是碳原子朝四面體不同角落伸展的sp3混成軌域。
13. 當一個分子是四面體結構，它的價電軌域模型將設定組成這個分子的原子，其電子軌域為sp3軌域，這些原子的電子軌域稱為sp3混成的軌域。
14. 雖然混成軌域讓我們可以瞭解分子的結構，用它來預測分子內電子的能量經常是錯的。舉例來說，甲烷的sp3模型設定4個混成軌域的能量是相等的；然而，實驗顯示，其中有2對電子的能量低於其他6對電子。
15. 所以我們必須要警覺我們所用模型存在哪些界線。模型一定是過度簡化事實的，如果使用模型的方式錯誤，就會產生錯誤的預測。（模型抓住某些重點，刪除枝節，因此必須弄清楚哪些情況適合應用哪些模型）
16. 定域化電子模型LE擅長解釋分子構造，但是無法精確地描述分子的價電子的能量。
17. 【例題】用定域化電子模型LE描述氨分子的鍵結。
【解題】要完整地描述分子的鍵結情形，必須做到以下的三個步驟：
1.寫下分子的路易斯結構。
2.用VSEPR模型畫出分子的電子對排列方式。
3.判斷分子的鍵結情形是用哪一種原子混成軌域。
氨NH3的路易斯結構是：
氨的氮原子的4對電子將構成四面體。四面體結構的分子，其原子為sp3混成軌域，sp3混成軌域是由2s軌域與2p軌域混合而成。
氨NH3分子中，氮的其中3個sp3混成軌域用來與氫鍵結，另一個sp3混成軌域用來填入未鍵結電子對/孤對電子。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Roymech、Chemistry.tutorvista、Chemicalforums、Meritnation、Openstudy、Quantum-immortal、Ibchem、Cartage
參考資料：
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