化學鍵與分子軌域

價鍵理論(valence bond theory)

想象每個原子都伸出一隻裝著部分電子的手,當兩個原子各自握住對方匹配的一隻手時,鍵就形成了。價鍵理論讓電子仍歸屬於各自的原子,並在兩個半滿的原子軌域相互重疊、電子配對的地方形成一根鍵。它是我們熟悉的「共享電子對」圖景背後的量子力學支柱。

準確地說,價鍵理論把共價鍵描述為兩個原子軌域的重疊:每個軌域各貢獻一個電子,這兩個電子隨後在重疊區域以相反的自旋配成一對。軌域重疊得越多,鍵就越強。為了解釋真實的分子形狀,該理論把一個原子的若干軌域混合成新的雜化軌域,使它們指向恰當的方向——這正是 sp³ 雜化等概念的來源。

價鍵理論直觀,又能與路易斯結構和鍵的畫法乾淨地對應,因此在入門化學裡佔主導地位。它誠實的侷限在於:由於讓電子定域在特定的原子對之間,它處理瀰散(離域)電子時頗為彆扭,需要額外引入共振這一手段;遇到這類情形,分子軌域理論往往更俐落。

價鍵理論這樣解釋甲烷(CH₄):把碳的一個 2s 和三個 2p 軌域混合成四個完全相同的 sp³ 雜化軌域。每個雜化軌域與一個氫的 1s 軌域重疊,給出四根相等的鍵,分別指向一個四面體的四個角——與實測的形狀分毫不差。

雜化讓價鍵理論能夠重現真實的分子形狀。

價鍵理論和分子軌域理論並不是在爭奪誰才是「真理」——它們是對同一個量子實在的兩種近似。價鍵理論更直觀、更局域;分子軌域理論更擅長處理離域電子、磁性和光譜。化學家會挑選讓眼前問題更省事的那一種。

又稱
价键理论價鍵理論VB theory