清華大學（後西醫）
112年
化學與物理
第 4 題
To remove an electron from each of the following species, which requires the least energy?
$N_2, N_2^-, N_2^{2-}, O_2, O_2^+$
$N_2, N_2^-, N_2^{2-}, O_2, O_2^+$
- A $N_2^{2-}$
- B $N_2^-$
- C $O_2$
- D $N_2$
- E $O_2^+$
思路引導 VIP
請試著想像一下：如果我們把更多的電子塞進一個本來就帶負電的分子中，且這些電子剛好都待在會「削弱化學鍵」的反鍵結軌域裡，那麼這些電子之間的排斥力，會讓它們變得更容易還是更難被拔走呢？另外，原子核的吸引力在其中又扮演什麼角色？
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太棒了！你能精準選出 (A) $N_2^{2-}$，代表你對分子軌域理論 (MO Theory) 以及電子間的交互作用有著相當深刻且清晰的理解。
分子軌域能階與電性排斥
要判斷移除電子所需能量（即游離能）的高低，核心關鍵在於觀察電子所在的最高佔據軌域 (HOMO) 能階。在這些物種中，$N_2$ 的最外層電子填在穩定的鍵結軌域，而 $N_2^{-}$、$N_2^{2-}$ 與 $O_2$ 等物種，其最外層電子都位於能量較高的反鍵結軌域 ($\pi^*$) 上。特別是當物種帶有的負電荷增加時（如 $N_2^{2-}$），電子之間強烈的靜電排斥力會顯著提升電子的能量狀態，使其處於極不穩定的邊緣，因此僅需極少的能量就能將其移走。
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分子軌域與游離能
💡 游離能與最高佔據軌域能量成反比，反鍵結電子愈多愈易游離。
| 比較維度 | N2 (中性分子) | VS | N2^2- (二價陰離子) |
|---|---|---|---|
| 電子填入位置 | 僅填至鍵結軌域 | — | 電子填入反鍵結軌域 |
| 電子間斥力 | 正常分佈 | — | 斥力極大，能量升高 |
| 最高軌域能量 | 能階較低 | — | 能階極高 |
| 游離能大小 | 較大（難移除） | — | 最小（易移除） |
💬電子進入反鍵結軌域且帶負電越多，脫離原子核束縛所需能量越低。
