化學原理啟迪364
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1. 乙烯C2H4是工業生產的重要原料。乙烯C2H4分子有12個價電子，它的路易斯結構如下：
2. 再複習一次，在VSEPR模型，雙鍵代表1對有效的價電子對，而不是2對。因此，乙烯分子的每個碳原子周圍是3對有效電子（價電子），要使有效電子對之間的斥力降到最低的結構是三角平面，並且鍵角的角度是120°。
3. 那麼乙烯分子裡的碳原子的軌域是什麼樣子？乙烯分子的碳原子軌域必須保持在一個平面上，並且碳的每一個電子軌域彼此的夾角為120°。我們不需要考慮碳的2s和2p價電軌域，因為在分子系統中，這二種軌域已經混合成一組混成軌域hybrid orbitals了。
4. 乙烯分子的碳原子不可能是sp3軌域，因為sp3混成軌域形成的分子結構是四面體，每一對價電子彼此之間的鍵角是109.5°，而不是120°；因此乙烯的碳原子的軌域混合方式一定不同。
5. 下圖是由s軌域與p軌域混合成的軌域，這些軌域彼此夾角為120°，並且位於同一個平面上：
6. 這些軌域的能階圖如下：
7. 乙烯的碳原子軌域是由1個2s軌域和2個2p軌域構成的混成軌域，稱為sp2混成軌域。
8. 特別留意，sp2混成軌域的平面構造主因是它由2個p軌域混合而成（2條直線構成1個平面）。在這裡，我們使用px和py軌域，px和py軌域混合而成的軌域是一個xy平面。
9. 乙烯的碳用px和py軌域與s軌域混合成sp2混成軌域後，還有一個2p軌域沒有使用；碳沒用來混成的p軌域（pz軌域）與sp2混成軌域的平面垂直。
10. 到這一步，我們學會如何用原子的混成軌域來解釋乙烯的路易斯結構，接著我們要討論原子的混成軌域與獨立的軌域所形成的化學鍵。
11. 乙烯分子中，碳與氫的共價電子在碳的3個sp2混成軌域裡面活動；共價電子對就位於二個原子距離的中間區域，這種共價化學鍵稱為σ鍵 sigma bond。乙烯分子就是用碳原子的sp2混成軌域和氫原子的1s軌域形成σ鍵。
12. 我們如何解釋烯分子的的2個碳原子之間的雙鍵？在σ鍵，電子對位於二個原子之間的空間。因此第二個化學鍵必定是在σ鍵的上方或下方區域共享的電子對，這個區域就是垂直於sp2混成軌域的2p軌域。
13. 烯分子的二個碳原子的2p軌域互相平行，這二組平行的2p軌域可填入1對電子形成π鍵 pi bond。
14. 特別留意，構成σ鍵的sp2混成軌域是指向彼此的，但是構成π鍵的p軌域卻是彼此平行。雙鍵包含一個σ鍵和一個π鍵，σ鍵的電子對位於二原子之間，π鍵的電子對在σ鍵的上方與下方區域。
15. 乙烯分子的2個碳原子彼此以及碳原子與氫原子之間，是用sp2混成軌域形成σ鍵，2個碳原子之間用平行的p軌域形成π鍵。現在我們已經完全瞭解如何用軌域理論來解釋乙烯的碳＝碳雙鍵與碳－氫單鍵。
16. 乙烯的例子說明一個重要法則：在一個分子中的原子，只要環繞它的有效電子對是3對，這個原子的價電子軌域就是sp2混成軌域。
參考資料：
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