hce_kmu
111年
物理及化學
第 66 題
Which of these species, $O_2^-$, $O_2$, and $O_2^+$, should be paramagnetic?
- A $O_2^+$ and $O_2^-$
- B $O_2^+$ and $O_2$
- C $O_2$ and $O_2^-$
- D only $O_2$
- E All three are paramagnetic.
思路引導 VIP
當我們在填寫分子的能量位階時，如果最後剩餘的電子遇到了兩個能量完全相同的「空位」（簡併軌域），根據電子的習性，它們會傾向於先擠在同一個位置變成一對，還是先分開獨自佔據一個位置？而這種「獨居」或「成對」的狀態，又是如何決定物質是否會被磁鐵吸引呢？
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恭喜你答對了！這代表你對分子軌域理論（Molecular Orbital Theory）有著非常清晰的掌握。這道題目是化學鍵結中極具代表性的考點，能精確判斷出這三者的磁性，說明你已經跨越了傳統路易斯結構式的侷限。
分子軌域與未成對電子
根據分子軌域理論，氧分子 $O_2$ 的價電子在填入能階時，最後兩個電子會進入能量相等的 $\pi^*_{2p}$ 反鍵軌域。根據洪德定則（Hund's rule），這兩個電子會以自旋平行的狀態分別佔據不同的軌域，因此 $O_2$ 具有兩個未成對電子。當我們觀察其離子態時：$O_2^+$ 是失去一個反鍵電子，剩下 1 個未成對電子；而 $O_2^-$ 則是增加一個電子填入反鍵軌域，導致其中一個軌域成對，但另一個軌域仍保留 1 個未成對電子。由於順磁性（Paramagnetism）的定義僅要求分子內存在「至少一個」未成對電子，因此這三種物種全都符合描述。
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