回應 同核雙原子的鍵結

網友：您好。看了您的解釋後，我還是有些疑問。關於:硼B2的軌域能階是「π2p的能階位置比較低，σ2p的能階位置比較高」，不僅硼B2是如此，碳C2、氮N2也是「π2p的能階位置比較低，σ2p的能階位置比較高」；相反地，氧O2、氟F2、氖Ne2是「π2p的能階位置比較高，σ2p的能階位置比較低」。的原因，我在General Chemistry第七版第437頁裡卻說是因為p-s的混和所影響，這...讓我有點不知所措。

徐弘毅：那一本書如果只看那一頁，李遠哲也看不懂，必須從第一頁看到最後一頁，才有辦法看懂，因為每一個理論都是接著前一個理論而來的，它們是互相連貫的、分支發展的。此外，第五版的內容裡，有許多錯誤，不知最新版本有無更正。

關於同核雙原子的軌域能階問題，我們不能只看分子鍵結軌域理論，必須同時看波耳氫原子模型，才能夠整合出清楚的觀念，簡要說明如下：

在波耳氫原子模型裡，電子的能階愈低，電子會愈靠近原子核，這時電子與原子核之間的引力就愈強。所以，分子軌域的能階愈低，代表這兩個原子的鍵結電子(最外層電子)與兩原子核愈靠近，兩原子核與鍵結電子彼此的引力愈強。

不論哪一種同核雙原子，我們通常可以看到，鍵結軌域的能階比反鍵結軌域低，這是因為兩個原子能夠鍵結成分子，必然是因為彼此之間的引力，大於斥力。再補充解釋一下，鍵結的能量就是引力，反鍵結的能量就是斥力。

為什麼分子會有鍵結與反鍵結兩種力量？因為，原子是由正電原子核與負電子組成。正負相吸的力量，就是鍵結的力量；同性相斥的力量，就是反鍵結的力量。

兩原子可以互相鍵結，必定是因為鍵結的力量大於反鍵結的力量，所以，鍵結軌域的能階，低於反鍵結軌域。(鍵結的能階越低，代表引力越強)

接著，我們要討論原子的構造。原子核外包覆的電子，並不是靜止不動的，電子是不斷地圍繞原子核而旋轉、移動，並且，內層電子的移動速度遠比外層電子快，為什麼？

內層電子比較靠近原子核，為了避免被原子核吸引捲入，必須加速移動，用強大的動能(離心力)來抵抗原子核的引力。

我們也可以用伽利略的單擺原理去想這個問題，擺垂繩愈短，擺動速度愈快，因此，電子與原子核的半徑距離愈短，電子的移動速度愈快；電子與與原子核的半徑距離愈長，電子的移動速度愈慢，最外層的電子甚至有可能緩慢到靜止不動。

其次，在一個雙原子分子裡，兩原子之間的直線距離(鍵結區域)，引力非常強，這使得通過這個區域的電子，速度會放得比較慢，鍵結區域的時間和空間，與其他區域完全不同，這就是愛因斯坦所謂的空間扭曲。

內層電子，通常比較不會受到兩原子核的引力影響；原子的最外層電子，才容易受到兩原子核的影響，這種電子被稱為「鍵結電子」。但是有少數的例外情況，假如原子的最外層電子離開鍵結區域後，那個鍵結區域就會放空，沒有任何電子，那麼，碰巧也通過這個區域的次外層電子，就會受到兩原子核的引力影響，因此速度放慢。

接著，我們來解釋兩種分子軌域：π2p分子軌域和σ2p分子軌域。π2p分子軌域是兩個鍵結原子的p軌域平行、部分重疊；σ2p分子軌域是兩個鍵結原子的p軌域朝向對方、互相交疊。

分子軌域(電子的活動區域)，就像星系中行星的軌道一樣，會隨著中心原子(原子核)的轉動而旋轉；分子軌域並不是靜止不動的。基本上，因為π2p分子軌域是由兩個p軌域平行構成，這二個軌域不管怎麼旋轉，都不會進入到兩原子核之間的直線區域，所以，運行速度不會受到兩原子鍵結引力的影響。

然而，σ2p分子軌域是兩個鍵結原子的p軌域朝向對方、互相交疊，它們運轉到兩原子之間時，速度會變得很緩慢，脫離這個區域，又會加快速度；在σ2p分子軌域活動的電子，也會有同樣的行為。

硼B2、碳C2、氮N2雙原子分子，與氧O2、氟F2、氖Ne2雙原子分子相比，硼B2、碳C2、氮N2雙原子分子的原子量/分子量比較低；因此，最外層電子(鍵結電子)距離兩原子核比較近，當兩原子的σ2p軌域旋轉到彼此相對、重疊的位置時，最外層電子很容易受到兩原子核的引力控制，而緩慢移動，停留在這個區域的時間拉長。

這有什麼好處？依據正負相吸的原理，電子停滯在兩原子核之間，會強化兩原子的引力，換句話說，會讓σ2p軌域的能階降低，因此造成「π2p能階軌域比較高，σ2p能階軌域比較低」。

氧O2、氟F2、氖Ne2雙原子分子，原子量/分子量比較高，外層多3到6個電子，不要以為這只是區區多幾顆電子，以太陽系來說，太陽系三顆行星的距離，太空梭就要飛上十幾年，所以，原子的外層多3顆電子不是小事，那麼遠的距離，使得最外層電子無法完全的受到原子核的掌控。

所以，氧、氟和氖的最外層電子，會像彗星那樣亂飛。縱使氧O2、氟F2、氖Ne2雙原子分子的σ2p軌域，準確地位於兩原子核之間，電子也不會停滯在這裡，而是有時出現，有時遠離；沒有電子居中協調，兩原子核的正電引力直接暴露出來、彼此互斥，這造成σ2p軌域的鍵結力量下降，能階軌域變高，這就是氧O2、氟F2、氖Ne2雙原子分子「π2p能階軌域比較低，σ2p能階軌域比較高」的原因。

雖然說，全本看完會比較容易貫通，但是，全本要看完，又看得懂，實在很困難，因為這本書有很多地方解釋不清楚，例如，在熱力學、薛丁格方程式、海森堡不確定原理等方面，作者只有列舉公式，沒有用白話文說清楚，讓人如入五里迷霧，只會產生挫折感，這是教科書(第五版)本身的缺陷。

台灣有名的李家同教授曾經說，台灣的大學生基礎的科學訓練不夠，對基礎的物理學或化學的知識沒有辦法融會貫通。他講的是對的，但是為什麼沒辦法貫通？

第一、教科書不好，好的教科書會讓學生輕鬆地自習，就可以很清楚明白裡面的定理、規則、公式的意義；不好的教科書讓人愈看愈頭大，無法深入理解。

通常台灣的教授寫的教科書，很像國中的參考書，一直不停地列舉題型與計算，根本搞不清楚物理學基本公式的哲學意義，也沒有辦法清楚地解釋那些公式實務上的應用與價值；

外國的原文教科書，講解得比較詳細，有邏輯思考。但是，因為知識領域太廣大，一個教授通常無法完全了解所有的科學知識，因此，許多內容也是東抄抄西抄抄，他自己也搞不大清楚，所以，讀者讀了以後，當然也就不清楚。這導致大多數的學生讀不懂原文教科書，除了語言上的障礙以外，主要的原因並不是學生的智商不夠，而是那本書的作者語言表達能力有困難，或者裡面有些領域是他不專長的，他確實搞不大清楚。

台灣的大學教授能不能自己寫一本轟動國際的教科書，讓全世界的學生一看就非常容易理解那些複雜的化學定理或知識？

完全沒辦法，因為台灣的大學教授，絕大多數都不是國際頂尖知名的，本身就缺乏國際競爭力，對於很多的定理，不是自己專門研究的，完全不懂，再加上絕大多數的大學教授，口語表達有困難，還有一個問題，台灣沒有一個大學教授懂得如何編輯書本，因為「編輯書本、插圖、美術編輯」是一門很大的學問。

陳建仁是有名的學者，那麼，經過這次選舉的洗禮，大家都清楚一件事情，雖然他笑容可愛、蠻有魅力，但是口才實在是不好，口語表達能力有障礙，說話經常打結，語意不清，對很多事情考核也不夠實在，所以發生口誤。

中研院最頂尖優秀的那些院士，誰會編寫國際通用的教科書？誰口語表達能力非常強？誰同時又懂書本的編輯，以及美術編輯？

在國外有很多大學，他們有網站可以讓學生提問，有很多是即問即答。台灣的大學教授有沒有這種功力？可以讓全世界的學生來提問題？如果不行，就是缺乏國際競爭力。沒有國際競爭力的教授，當然一定會導致那所大學缺乏國際競爭力，因此，國際學術排名就不大好。

台灣的政治大學裡面的教授，絕大部分都是國際庸才，所以導致政治大學在國際上沒有任何的排名或知名度，那麼，這種水準的教授，可以培養出多少有水準的學生？他們連學術論文都不會寫，當然就更不可能編寫國際通用的教科書，也因此可以確認，他們的口語表達能力與專業素養都非常地不足，所以，學生上課的時候，一定是有聽沒有懂，或者，自以為懂實際上不懂。當然，有更多的教授，上課不認真，一直都在講屁話。

一個國家的大學學術水準如果不高，研究水準當然就不高，學生也不可能被培養出具有國際競爭的能力，最後一定會導致整體國家的國際競爭力衰退。台灣最近十年，經濟表現不好，最根本的原因就是，台灣國立大學的國際學術排名，都遠不如南韓、新家坡、香港，甚至中國大陸，這就是客觀真實，也是中研院的院士應該面對的現實，因為他們沒有辦法以身作則，(很多大學的校長，就是這些院士來擔任的)。

教育，最重要的重點就是，教授必須以身作則；台灣的中研院院士為什麼沒有辦法得諾貝爾獎？不是經費不夠，也不是智商不夠，而是無法以身作則，成為國際社會的典範。當然，教育部裡面的權貴官員，那水準就更低級了。

絕大多數敢批評權貴階級的學生，腦袋比較靈活，比較有學術前途。

參考資料：化學原理啟迪370 同核雙原子的鍵結