化學原理啟迪371
1. 大部分的物質平常沒有磁性，這些物質必須放在磁場中才會產生磁性。然而，當物質被放入磁場，可能出現二種磁性：順磁性paramagnetism造成物質被磁場吸引；逆磁性diamagnetism使物質被磁場排斥。
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2. 下圖是測量物質磁性的裝置：
3. 測量方式為，先關掉磁場測量樣品的重量，然後再開啟磁場測量樣品的重量。如果磁場開啟會使得樣品的重量增加，代表樣品物質是順磁性的paramagnetic。
4. 研究顯示，物質出現順磁性的原因是分子的原子上有未成對的價電子，物質出現逆磁性的原因是分子的原子都是成對的價電子。
5. 如果物質的原子群，有成對的電子，也有未成對的電子，其性質淨表現應該是順磁性，因為順磁性的強度強於逆磁性。因此順磁性成為測試物質是否有未成對電子的指標。
6. 前一節的硼的分子軌域能階圖預測，硼分子B2應該是逆磁性的，因為分子模型顯示硼分子只有成對的電子。但是將硼分子B2放進磁場卻發現它是順磁性的，表示硼分子B2應該有未成對的價電子。為什麼分子模型預測錯誤？
7. 我們試著用最簡單的模型去解釋重大實驗觀察結果。雖然分子軌域模型相當成功地描述雙原子分子，但是它顯然無法正確地描述硼分子B2。
8. 前一節提出的硼分子軌域能階圖假設，構成分子軌域的s和p軌域是各自獨立、沒有混合的。可是實際上硼分子的s軌域和p軌域是會混合的，當s軌域和p軌域混合成分子軌域，它們的能階會與前一節的硼分子軌域圖不同。
9. 雖然硼分子B2的分子軌域MOs是由s軌域和p軌域混合而成的，但是在說明能階的時候，我們還是將s軌域和p軌域分開來說明能階。只有構成σ鍵的分子軌域會發生s和p軌域混合，這些會混合的軌域是σ2s、σ2s*、σ2p、σ2p*。
10. 因為p和s軌域混合的關係，σ2p的能量改變，造成π2p和σ2p的能階高低順序上下顛倒；此外，p和s軌域混合也改變了σ2s和σ2s*的能量，使σ2s和σ2s*的能量與獨立原子的s軌域能量不同（這二個軌域的能量差距變小）。 p和s軌域混合造成能階改變的原因是電子之間的斥力。
11. 下面的分子軌域能階圖顯示，不論是σ2s還是σ2p軌域，電子出現機率最高的區域就是鍵結原子之間的區域。這代表σ2s軌域內的電子會排斥σ2p軌域的電子，造成σ2p軌域比較不吸引電子（能量較高）。
12. 因此σ2p軌域被推到高於π2p的能階，因為π2p軌域的位置不在2原子核之間，不會受到σ2s軌域的影響。硼分子B2、碳分子C2和氮分子N2都有這樣的現象。
氮分子N2能階圖
氧分子O2能階圖
13. 硼分子B2、碳分子C2、氮分子N2、氧分子O2、氟分子F2，這些同一個週期的元素，由左而右，隨著原子核的核電荷逐漸增加，σ2s軌域的電子也被拉得更靠近原子核，這使得σ2s軌域愈來愈小，減輕σ2s軌域和σ2p軌域電子彼此的斥力。
（因此硼分子B2、碳分子C2、氮分子N2的σ2p軌域能階高於π2p，而氧分子O2、氟分子F2的σ2p軌域能階低於π2p）
14. 我們將硼分子的6個價電子放到修正過的能階圖上（s軌域和p軌域混合），最後2個電子各自放到2個相同的π2p軌域。這2個π2p軌域各填入1個電子，電子不成對，因此硼分子是順磁性的，這符合實驗的結果。
15. 由此可見，當硼分子的分子軌域模型允許p-s軌域混合，就能準確預測出它的順磁性。特別留意，硼分子的鍵級是(4－2)/2＝1，鍵級與未修正前一樣。
16. 雙原子分子C2和N2可用與B2同樣的分子軌域模型，只要再輸入正確的價電子數。對氧分子和氟分子來說，比較沒有p軌域和s軌域混不混合的問題，因為他們的s軌域很小，沒有與p軌域重疊，因此σ2p軌域的能階比π2p低。
17. 第二週期元素硼分子B2、碳分子C2、氮分子N2、氧分子O2、氟分子F2的雙原子分子軌域能量模型，顯示出以下重點：
1.分子的鍵級、鍵能和鍵長之間有一定的關連。隨著分子模型預測的鍵級增加，鍵能也跟著增加，而鍵長則下降。分子模型預測的鍵級精準地反應鍵能強度，這點支持分子模型的合理性。
2.比較硼分子B2與氟分子F2的鍵能發現，鍵級不能自動轉化為特定的鍵能。雖然B2與F2這二種分子的鍵級都是1，但是B2的鍵能強度是F2的2倍。F2的鍵能比較弱因為氟原子共享的電子彼此的斥力異常地大。
3.特別留意在五個分子中，N2分子的鍵能特別強，分子軌域模型預測N2分的鍵級是3，是三鍵。N2分子的鍵能特別強是許多含氮化合物被用於製作炸藥的主要原因。含氮化合物的爆炸反應產生非常穩定的氮氣分子N2產物，並且釋放大量的能量。
4.氧分子O2是順磁性。有一個說明氧分子是順磁性的實驗方法是，將液態氧倒在強磁鐵的二極之間。因為氧有順磁性，所以氧被磁鐵吸引滯留在磁間隙，直到液態氧全部蒸發掉為止。顯然分子模型正確地預測氧的順磁性。
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