分子轨道理论

s-p 轨道混合

/ ess-pee OR-bih-tal MIX-ing /

如果你为第二周期双原子分子画最简单的分子轨道图,会预测正面重叠的 sigma2p 应当低于侧向的 pi2p。对氧和氟,这个预测是对的。但对硼、碳、氮则错了——那里 pi2p 实际上更低。修正之道是一种微妙的效应,叫 s-p 混合;忽略它会让你把 B2 和 C2 是否有磁性预言错。

事情是这样的:源自 2s 的 sigma 轨道与源自 2p 的 sigma 轨道,沿键轴具有相同的对称性,于是规则允许它们彼此作用,而不只与各自的原子搭档作用。它们一作用,就在能量上相斥,像拥挤电梯里被迫分开的两人:较低的 sigma(以 2s 为主)下降得更多,较高的 sigma(以 2p 为主)被往上推。如果这一推足够强,就把 sigma2p 推到 pi2p 之上,翻转了次序。而 pi 轨道因对称性不同,不受这种混合影响。

翻不翻转,取决于 2s-2p 的能量差。周期前段(B、C、N)的 2s 与 2p 能量相近,混合强,次序翻转,pi2p 低于 sigma2p。后段(O、F)核电荷更大,把 2s 拉到远低于 2p,能隙变宽,混合弱,于是保持简单的 sigma2p 低于 pi2p。s-p 混合正是单一一张图无法套用全部第二周期双原子分子的原因,也是把 B2、C2 是顺磁还是抗磁判对的关键。

实测硼的 B2 是顺磁性的。这只有在 pi2p 低于 sigma2p 时才说得通:它最后的两个电子各占两条简并的 pi2p(依洪德规则不配对)。若没有 s-p 混合,图会错误地把它们配对在 sigma2p 里,预言 B2 抗磁。

轻双原子分子中强的 s-p 混合把 sigma2p 抬到 pi2p 之上,这正是解释 B2 磁性所必需的。

s-p 混合只改变 sigma2p 与 pi2p 能级的次序,不改变键级;两种次序下成键与反键电子的总数相同,所以无论如何 N2 的键级都是三。

又称
s-p mixingsp interactions-p 混杂