在開始課程之前 同學們可以先思考一下 何謂混成？ 在英文字面裡「Hybrid」混成 有著將兩種不同東西合成為一個的意思 在過去所學的知識中 有什麼混合的實例呢？ 在生物的世界中 馬與驢子交配產生的下一代稱為騾 騾體型比馬小 但比驢大 耳比馬長 但比驢短 雖然性狀上類似 然而混合後成為一個新的物種 在化學的世界 軌域與軌域之間也有著彼此混合的時刻 原子間可以透過這些軌域相互重疊 形成元素或化合物 我們將兩個軌域混合後所形成的新軌域稱為混成軌域 在上一單元我們認識了軌域的形狀 像是s軌域是球狀 p軌域則是啞鈴形狀 並且知道了當主量子數n相同時 p軌域的能量高於s軌域 接著我們談論到了σ鍵及π鍵的形成 當軌域以頭對頭 的形式重疊時會產生σ鍵 而π鍵則是軌域以肩並肩的形式重疊 我們觀察甲烷的結構式 可以看出中心的碳原子與周邊的四個氫原子以四根σ鍵連結 中心的碳原子是如何與周圍的氫原子結合呢？ 讓我們先看看碳原子的電子組態 碳有六個電子 因此電子是由最內層之1s填到最外層之2p軌域記為1s²2s²2p² 在最外層的價電子2s²及2p²會與其他的原子鍵結 當碳原子與周邊的四個氫原子結合時 每根碳氫鍵都是相等的 這是因為在結合前碳原子會先將位於2s軌域的價電子提升到較高能量的2p軌域 接著再將2s及2p軌域混成為四個具有相同能量的軌域 我們將這四個軌域稱之為sp³軌域 s取自於2s軌域中的s p取自於2p軌域中的p 而3則表示用了3個p軌域來進行混成 因為sp³軌域是由2s及2p軌域混合而成 因此sp³軌域的能量會介於2s與2p軌域之間 談到sp³的形狀之前 我們先回憶2s軌域的形狀 當它與三個啞鈴形的2pₓ、2py、2pz混成 混成後的sp³軌域呈現出與原本s及p軌域不同的形狀 並且每個混成軌域大小以及能量均相等 碳原子的四個價電子分別位於四個混成軌域 因為電子間會相互排斥 使得每個sp³軌域間的夾角為109.5° 若將四端連起則會呈現一個正四面體的形狀 混成軌域解釋了VSEPR理論中 當碳原子以4根σ鍵鍵結時的幾何形狀 為了達到穩定的狀態 四個氫原子會將含有未配對電子的s軌域 與碳原子的混成軌域進行頭對頭重疊 達到共用電子的目的 進而得到四個完全相同的 C－H σ鍵 除了甲烷之外 自然界還有著許多化學分子也是擁有sp³的混成軌域 例如在氨中 氮有五個價電子 同樣也是將 2s 軌域和三個 2p 軌域混成後得到四個sp³混成軌域 並將其中三個sp³軌域與氫的1s軌域重疊 這三個sp³混成軌域 分別與氫的1s軌域形成三個 N－H 鍵 而氮上的孤對電子 則位於剩下的一個sp³混成軌域 依VSEPR理論 電子間具有斥力 因此孤對電子會擠壓三個 N－H 鍵 造成H－N－H 鍵的鍵角為107° 略小於標準的四面體鍵角109.5° 接著我們舉一個sp²混成的例子－三氟化硼 硼的電子組態為1s²2s²2p¹ 在混成前硼會先將一個2s軌域電子提升到2p軌域 再混成而得到三個sp²混成軌域 其中sp²的s取自於2s軌域的s p取自於2p軌域的p 而2代表著有兩個2p軌域參與混成 此時硼上還剩餘一個空的p軌域 球形的s軌域與2個啞鈴形的p軌域混成後 會得到一個平面三角形 軌域每一端都有著一個未配對的電子 再分別與氟原子三個2p軌域的電子結合成平面三角形的結構 鍵角如圖所示為120° 除了sp³與sp²外 一個s軌域也可僅與一個p軌域混成而得到兩個sp混成軌域 在氯化鈹的分子中 鈹原子即是先混成出兩個sp軌域 此時鈹上則有兩個空的p軌域沒參與混成 接著鈹會藉由兩個sp混成軌域分別與兩個氯原子的3p軌域結合 由於兩對鍵結電子會相互排斥 使得氯化鈹分子形成直線形結構 因此 Cl－Be－Cl 鍵的鍵角為 180° 請問下列分子的鍵角 由大至小的順序為何 由前面學到的觀念可知 未參與鍵結的孤對電子會藉由電子斥力擠壓σ鍵中的鍵結電子對 水分子的中心氧原子為sp³混成 其中氧上具有兩對孤對電子 與氨只有一對孤對電子相比 水分子中孤對電子的壓迫效果更強 使得 H－O－H 鍵的鍵角104.5° 會比氨來的更小一些 而兩者因為孤對電子的緣故 鍵角均小於標準的四面體鍵角109.5° 下列何者分子的混成軌域可用下圖表示？ 由圖可知 中心原子是以sp³混成軌域與周圍原子的p軌域鍵結 因此要找中心為sp³混成軌域的碳 以及周圍原子之p軌域有未成對電子的氯 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 軌域與軌域混合後所形成的新軌域 稱為混成軌域 在軌域間頭對頭重疊時會產生σ鍵 而π鍵則是肩並肩重疊 混成軌域的種類至少有sp、sp²和sp³軌域三種 影片的最後 同學們可以再試著舉例出其他sp³、sp²及sp混成之化學分子 歡迎在影片下方留言區告訴我們 我們下次見