同學們 如果想要清楚理解共價鍵是如何形成 我們常會使用「價鍵理論」來說明 其中「價」代表的是最外層的價電子軌域 「價鍵理論」就是描述當價電子軌域重疊後 形成化學「鍵」結的理論 以氫氣為例 氫氣在形成鍵結的過程中 利用兩個氫原子的價電子軌域相互重疊 也就是用到了1s軌域 試想有兩個氫原子 若以「氫原子之間的距離」做為X軸 如畫面所示 橫軸越往左 代表氫原子之間的距離越近 越往右則代表氫原子之間的距離越遠 當整個系統能量達到最低點的時候 此時是最穩定的狀態 若以「系統能量」做為Y軸 當兩個氫原子距離很遠時 由於彼此的軌域之間沒有重疊 因此系統能量為零 隨著兩個氫原子彼此靠近 軌域開始重疊 原子核對另一個氫原子之電子的吸引力也越來越大 僅管兩個氫原子的電子間會相互排斥 兩個氫原子的原子核也會相互排斥 不過此時的吸引力是大於排斥力的 當靠近到一定距離後 排斥力會快速增加 當排斥力大於吸引力時 系統能量會開始上升 這時就能看出系統能量的最低點 當氫氣處在最穩定的狀態時 兩個氫原子的距離為74 pm 這就是氫分子的「鍵長」 系統能量為-436千焦/莫耳 這表示如果要把兩個氫原子拉開所需的能量為436千焦/莫耳 這就是氫分子的「鍵能」 如果將兩個原子核連線起來 該連線可以稱為兩個原子的「核間軸」 在形成共價鍵的過程中 兩原子就會沿核間軸靠近 sigma鍵有幾種形成方式 一種是由兩個原子的s軌域 沿著核間軸靠近後重疊而成 另一種形式則是由一個s軌域與一個平行核間軸的p軌域重疊而成 我們可以想像p軌域躺在核間軸上 當兩個軌域沿著核間軸靠近 就會以頭對頭的方式重疊形成sigma鍵 sigma鍵的第三種形成方式 則是兩個平行於核間軸的p軌域 沿著核間軸逐漸靠近 以頭對頭的方式相互重疊後形成的鍵結 由上述三種sigma鍵的形成方式 我們可以看出sigma鍵是以頭對頭的方式重疊 這使得sigma鍵有較大的重疊程度 因此sigma鍵為「較穩定」 且「鍵能較大」的鍵結形式 另外 因為sigma鍵形成時 重疊的軌域沿核間軸對稱 所以兩端的原子可以沿核間軸自由旋轉 不會影響鍵的強度 接著我們來看看另一種鍵結方式：pi鍵 當兩原子互相靠近時 兩個垂直核間軸的p軌域 以肩並肩的方式重疊後可以形成pi鍵 pi鍵中 軌域重疊的區域位在核間軸的兩側 也就是核間軸上有個節面 在此平面上 電子出現的機率為零 此外 因為肩並肩的p軌域重疊程度較小 所以若與sigma鍵相比 pi鍵的「鍵能較小」 另外 由於pi鍵是p軌域相互平行重疊 所以如果其中一個原子沿著核間軸旋轉 pi鍵就會被破壞 軌域不再發生重疊 這也限制了原子無法自由轉動 在共價鍵中 單鍵都是sigma鍵 多重鍵中則有1個sigma鍵 其餘的都是pi鍵 例如參鍵是由1個sigma鍵及2個pi鍵所組成 介紹完sigma鍵與pi鍵以及單鍵和多重鍵的差異後 幫大家整理幾個常見分子的共價鍵與其原子之電子組態 例如氫氣是單鍵 而氧氣中兩個氧原子之間 是由1個sigma鍵及1個pi鍵所組成的雙鍵 氮分子則是參鍵 原子電子組態則如畫面所示 試試看，你學會了嗎？ 請試寫出畫面中兩個分子的鍵結方式 氯化氫與氯氣中 各原子的電子組態如畫面所示 其中氯化氫是以s軌域和p軌域結合的sigma鍵 而氯氣則為p軌域與p軌域結合的sigma鍵 這兩個分子的鍵結皆為單鍵 我們也可以從路易士結構判斷分子是單鍵 雙鍵還是參鍵 最後我們來複習一下今天學到的內容 sigma鍵是軌域以頭對頭的方式重疊 較為穩定 鍵能較大 而兩端的原子可以自由旋轉 pi鍵則是p軌域以肩並肩的方式重疊 鍵能較低 且兩端的原子不能自由旋轉 共價鍵如果是單鍵則必為sigma鍵 雙鍵及參鍵則有1個sigma鍵 剩餘的則為pi鍵 同學們 對於sigma鍵與pi鍵 是不是有更深的認識了？ 歡迎在留言區與我們分享你的學習心得 我們下次見