氧氣之分子軌域及三重態的特性（上）

氧氣之分子軌域及三重態的特性（上）The properties of oxygen’s molecular orbitals and triplet state (I)
國立臺灣師範大學化學系兼任教授 邱智宏教授

教授高中化學課程，談到路易斯結構（Lewis structures，又稱路易斯電子點式）及原子鍵結時，總會有慧黠的學生提出，若利用路易斯電子點式畫出的氧分子鍵結，要如何解釋其具有順磁性(paramagnetic property)及三重態(triplet state)的特性呢？

事實上使用路易斯結構及原子軌域的概念是真的無法說明這些現象，必須用到分子軌域(molecular orbital)的理論方能克盡其功，這些內容對於一般高中生而言顯然有些生澀而困難，但是對於想要追根究底，加深加廣學習的學子未嘗不是一條值得探索的道路。

因此本文以深入淺出的方式介紹原子軌域線性組合 (linear combination of atomic orbitals, LCAO) 的分子軌域，並應用在第二週期中的各個同核雙原子分子(homonuclear diatomic molecular)上，以說明電子在分子軌域中的填法，並藉其電子組態解釋這些分子是否具有順、逆磁性(diamagnetism)及是否為多重態？

一、物質的順磁性

一般物質不具有磁性，但放在磁場中時會產生磁性。當物質被放入磁場時，若能被磁場吸引者，則稱為順磁性物質，反之若被被磁場排斥，則稱為逆磁性物質。

利用圖一的裝置可以測量物質的順、逆磁性，當没有外加磁場時如圖(a)，天平左邊的樣本物質和右邊的法碼等重，當外加磁時若為樣本為逆磁性，如圖(b)所示，則物質和磁場互斥，造成天平右傾，好像重量減輕一般。若為順磁性物質則如圖(c)，則物質和磁場互相吸引，造成天平左傾，好像重量增加。

圖一 順、逆磁性物質的測定裝置示意圖。(a)未加磁場時樣本和法碼等重。(b)若樣本為逆磁性物質，受到磁場排斥的結果，天平右傾。(c) 若樣本為順磁性物質，受到磁場吸引的影響，天平左傾。(來源:參考資料3)

據研究顯示，物質出現順磁性的原因是分子內有未成對的電子，物質出現逆磁性的原因是分子內的電子都已成對。

當分子內有未成對的電子時，其自旋角動量的總和不為 $$0$$，因此形成的磁矩即能和磁場互相吸引，其大小和 $$2S+1$$ 有關，其中 $$S$$ 為未成對電子自旋量的總和，例如有一個未成對電子時，其自旋量為 $$\frac{1}{2}$$，$$2S+1=2$$ 稱為雙重態(doublet state)，若有二個未成對電子 $$S=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}=1$$，所以 $$2S+1=3$$ 則稱為三重態，若電子均完全成對，則其 $$+\frac{1}{2}$$ 的自旋量完全和 $$-\frac{1}{2}$$ 的抵消，$$2S+1=1$$，稱為單重態(singlet state)。

以此觀之，氧分子究竟是單、雙或是三重態分子呢？

二、同核雙原子分子的分子軌域

氧氣分子為已知的順磁性物質，當低溫的液態氧倒入強力磁場時，將被磁鐵吸引住，直至氣化為止如圖二所示。若將屬於逆磁性的液態氮倒入磁場中則無此現象，液態氮將直接穿過磁場。

圖二 低溫的液態氧倒入強力磁場時，將被磁鐵吸引住，直至氣化為止。(參考資料4)

然而以路易斯電子點式顯示的氧分子結構，如圖三所示，雖能正確的顯示具有雙鍵結構，卻看不到有未成對的電子，足見其為單重態而非三重態，也不是順磁性的物質，然而此與事實不符，由此可知路易斯結構並不能精準地描述氧分子的性質，追本朔源必須經由分子軌域才是正確的方法。

圖三 氧分子的路易斯結構，下圖將鍵結電子對以棍棒方式表示。(作者繪製)

連結： 氧氣之分子軌域及三重態的特性（中）

參考文獻

1. Mortimer, R. G. (2008) Physical Chemistry (3rd ed.). p842~850, Elsevier Academic Press.
2. 葉名倉、劉如熹、邱智宏、周芳妃、陳建華、陳偉民（2013 年）高級中學基礎化學（二）。南一書局。第 20~30 頁。
3. 順磁性 Paramagnetism ｜李鈞震2015藝術文化讀書會。http://earthkart2011.blogspot.tw/2013/02/paramagnetism_11.html
4. http://images.flatworldknowledge.com/averillfwk/averillfwk-fig09_027.jpg
5. Chapter 3: Electrons in molecules: diatomics — Chem210. http://www.forgottenplanet.com/studyguide/chem210/chem210_ch3.html