在前面的單元中

我們理解了原子的混成軌域是如何形成

也同時認識了它們的幾何形狀

生活中各式各樣的化學分子在它們最舒適的化學環境

誕生出各種不同的美麗結構

同學們是否覺得這些化學分子挺有個性的呢

我們觀察甲烷

氨或五氯化磷、六氟化硫等分子

可以發現這些分子在幾何結構上都是以單一原子為中心進行軌域混成的

除了這些單中心分子以外

自然界也存在著許多雙中心或多中心的分子

在這個單元我們會以乙烯和乙炔來進行說明

我們觀察乙烯的結構式

可以看到中間的碳-碳雙鍵及兩側共四根的碳-氫單鍵

這是如何形成的呢

碳原子在鍵結時會先提升2s軌域之電子

接著與兩個2p軌域混成

形成三個sp²混成軌域

並剩餘一個半滿且未參與混成的p軌域

碳原子與碳原子藉由sp²軌域以頭對頭的形式重疊

形成一根σ鍵

半滿的p軌域則以肩並肩的方式

平行重疊形成了π鍵

因此碳-碳雙鍵是由一根σ鍵及一根π鍵所構成

不同於單鍵可旋轉

碳-碳雙鍵是無法自由旋轉的

若同學們覺得太抽象

可以準備兩顆保麗龍球代表著碳原子

中間插入一根牙籤連結

試著轉轉看球體

會發現此時球體可以轉動

但若中間插入兩根牙籤連結

球體的旋轉就被限制住了

如果你硬是要轉動它

那保麗龍球就會被你破壞囉

此外

共價鍵的鍵能強弱與軌域的重疊程度有關

與σ鍵相比

由於π鍵形成時

軌域重疊的比例較少

因此鍵能較σ鍵弱

許多化學反應會從斷開能量較弱的π鍵開始

例如

在有機物中常見的加成反應

就與π鍵的斷鍵有關

接著我們繼續來探討乙烯中的碳-氫鍵

乙烯具有四根碳-氫σ鍵

另外

由於乙烯中的兩個碳原子均是sp²混成

所以乙烯分子中H－C－C鍵的鍵角約為120°

整個乙烯分子可以平放在一個水平面上

因此乙烯的幾何結構為平面分子

接著

我們來談談乙炔

乙炔俗稱電石氣

是電石與水作用的產物

乙炔分子在形成時

碳原子會將2s軌域之電子提升

接著與一個2p軌域混成

形成兩個sp混成軌域

並剩餘兩個半滿且未參與混成的p軌域

與乙烯類似

碳原子與碳原子分別利由sp混成軌域

以頭對頭的方式重疊形成σ鍵

剩下的兩個半滿的p軌域

則以肩並肩平行重疊的方式

形成兩根π鍵

因此碳-碳之間稱為參鍵

前面我們知道雙鍵不可旋轉

那參鍵的話當然也不能夠旋轉

其中乙炔分子中 H－C－C鍵的鍵角為180°

是一個直線型分子

前面介紹完了乙烯和乙炔的混成軌域與結構後

請同學們試著將乙烯和乙炔的結構畫出

然後試著數一下分別各有幾根σ鍵和π鍵

自然界還有著許多以碳為中心的結構

例如金剛石

也就是美麗的鑽石

每個碳原子間以sp³混成軌域重疊形成σ鍵綿延不斷

在石墨中

碳原子則是以sp²混成軌域重疊形成σ鍵

並以未參與混成的p軌域形成π鍵

所以金剛石呈現立體的結構

而石墨則為平面結構

除了碳是常見的中心原子外

還有著其他的原子可做為中心

例如二氟化二氮

四氧化二氮

聯胺

利用前面所學之觀念

同學們先將分子的結構畫出來

再進行判斷

就可知道二氟化二氮中心的氮原子是sp²混成

四氧化二氮也是sp²混成

而聯胺則為sp³混成

除此之外

還有分子形狀奇特的硫

看起來就像是個皇冠

每個端點都有一顆硫原子

由結構式可知

任何一個硫原子除了與周圍的兩個硫原子鍵結外

另外有兩對未鍵結的孤對電子各佔據了一個軌域

所以可以知道硫原子具有四個混成軌域

為sp³混成

因為電子間的斥力達到平衡

因此呈現獨特的皇冠形狀

學習完多重鍵形成的觀念後

讓我們做重點整理吧

自然界存在許多雙中心或多中心的分子結構

例如

乙烯

乙炔

乙烯分子中

碳碳雙鍵的形成是兩個碳原子分別藉由sp²軌域

以頭對頭的方式重疊形成一根σ鍵

而半滿的p軌域則以肩並肩平行重疊的方式形成一根π鍵

乙炔分子中

碳碳參鍵的形成是兩個碳原子分別以sp軌域

以頭對頭的方式重疊形成一根σ鍵

而兩個半滿的p軌域則以肩並肩平行重疊的方式形成兩根π鍵

分子結構中

單鍵可以自由旋轉

而雙鍵、多重鍵則無法旋轉

共價鍵的強弱與軌域的重疊程度有關

π鍵由於重疊比例較少

因此鍵能較弱

而許多化學反應會從能量較弱的π鍵開始

中心原子除了碳之外

還有其他的原子也可做為中心

例如

在氨分子中

氮原子就是中心原子

最後

同學們可以再試著舉例出其他多中心的化學分子嗎

歡迎在影片下方留言區告訴我們

我們下次見