s-p 軌域混合
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如果你為第二週期雙原子分子畫最簡單的分子軌域圖,會預測正面重疊的 sigma2p 應當低於側向的 pi2p。對氧和氟,這個預測是對的。但對硼、碳、氮則錯了——那裡 pi2p 實際上更低。修正之道是一種微妙的效應,叫 s-p 混合;忽略它會讓你把 B2 和 C2 是否有磁性預言錯。
事情是這樣的:源自 2s 的 sigma 軌域與源自 2p 的 sigma 軌域,沿鍵軸具有相同的對稱性,於是規則允許它們彼此作用,而不只與各自的原子搭檔作用。它們一作用,就在能量上相斥,像擁擠電梯裡被迫分開的兩人:較低的 sigma(以 2s 為主)下降得更多,較高的 sigma(以 2p 為主)被往上推。如果這一推足夠強,就把 sigma2p 推到 pi2p 之上,翻轉了次序。而 pi 軌域因對稱性不同,不受這種混合影響。
翻不翻轉,取決於 2s-2p 的能量差。週期前段(B、C、N)的 2s 與 2p 能量相近,混合強,次序翻轉,pi2p 低於 sigma2p。後段(O、F)核電荷更大,把 2s 拉到遠低於 2p,能隙變寬,混合弱,於是保持簡單的 sigma2p 低於 pi2p。s-p 混合正是單一一張圖無法套用全部第二週期雙原子分子的原因,也是把 B2、C2 是順磁還是抗磁判對的關鍵。
實測硼的 B2 是順磁性的。這只有在 pi2p 低於 sigma2p 時才說得通:它最後的兩個電子各佔兩條簡併的 pi2p(依洪德規則不配對)。若沒有 s-p 混合,圖會錯誤地把它們配對在 sigma2p 裡,預言 B2 抗磁。
輕雙原子分子中強的 s-p 混合把 sigma2p 抬到 pi2p 之上,這正是解釋 B2 磁性所必需的。
s-p 混合只改變 sigma2p 與 pi2p 能階的次序,不改變鍵級;兩種次序下成鍵與反鍵電子的總數相同,所以無論如何 N2 的鍵級都是三。