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杂化轨道

杂化轨道(英语:Hybridizedorbital)是指原子轨道经杂化(hybridization)后所形成的能量简并的新轨道,用以定量描述原子间的键结性质。与价层电子对互斥理论可共同用来解释分子轨道的形状。杂化概念是莱纳斯鲍林于1931年提出

1.在成键的过程中,由于原子间的相互影响,同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道(即波函数),可以进行线性组合,重新分配能量和确定空间方向,组成数目相等的新原子轨道,这种轨道重新组合的方式称为杂化(Hybridization),杂化后形成的新轨道称为杂化轨道(Hybrid Orbital)。

2.杂化轨道的角度函数在某个方向的值比杂化前的大得多,更有利于原子轨道间最大程度地重叠,因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强(轨道是在杂化之后再成键)。

3.杂化轨道之间力图在空间取最大夹角分布,使相互间的排斥能最小,故形成的键较稳定。不同类型的杂化轨道之间夹角不同,成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。

(1)sp杂化

同一原子内由一个ns轨道和一个np轨道发生的杂化,称为sp杂化。杂化后组成的轨道称为sp杂化轨道。sp杂化可以而且只能得到两个sp杂化轨道。实验测知,气态BeCl2中的铍原子就是发生sp杂化,它是一个直线型的共价分子。Be原子位于两个Cl原子的中间,键角180°,两个Be-Cl键的键长和键能都相等。

(2)sp2杂化

同一原子内由一个ns轨道和二个np轨道发生的杂化,称为sp2杂化。杂化后组成的轨道称为sp2杂化轨道。气态氟化硼(BF3)中的硼原子就是sp2杂化,具有平面三角形的结构。B原子位于三角形的中心,三个B-F键是等同的,键角为120°。

(3)sp3杂化

同一原子内由一个ns轨道和三个np轨道发生的杂化,称为sp3杂化,杂化后组成的轨道称为sp3杂化轨道。sp3杂化可以而且只能得到四个sp3杂化轨道。CH4分子中的碳原子就是发生sp3杂化,它的结构经实验测知为正四面体结构,四个C-H键均等同,键角为109°28′。这样的实验结果,是电子配对法所难以解释的,但杂化轨道理论认为,激发态C原子(2s12p3)的2s轨道与三个2p轨道可以发生sp3杂化,从而形成四个能量等同的sp3杂化轨道。

(4)sp3d杂化

等性杂化为三角双锥结构,如PCl5

(5)sp3d2杂化

等性杂化为正八面体结构,如SF6

说明:以上只是常见的杂化轨道类型,在配位化合物中还有更多的杂化类型。

"头碰头"的方式重叠成σ键,"肩并肩"的方式重叠为π键

例如在乙烯(CH2= CH2)分子中有碳碳双键(C=C),碳原子的激发态中2px,2py和2s形成sp2杂化轨道,这3个轨道能量相等,位于同一平面并互成120℃夹角,另外一个pz轨道未参与杂化,位于与平面垂直的方向上。碳碳双键中的sp2杂化如下所示。

乙炔分子(C2H2)中有碳碳叁键(HC≡CH),激发态的C原子中2s和2px轨道形成sp杂化轨道。这两个能量相等的sp杂化轨道在同一直线上,其中之一与H原子形成σ单键,另外一个sp杂化轨道形成C原子之间的σ键,而未参与杂化的py与pz则垂直于x轴并互相垂直,它们以肩并肩的方式与另一个C的py,pz形成π键。即碳碳三键是由一个σ键和两个π键组成。这两个π键不同于σ键,轨道重叠也较少并不稳定,因而容易断开,所以含三键的炔烃也容易发生加成反应。

杂化轨道限于最外层电子,而在第一层的两个电子不参与反应,而在其他层上有许多的轨道,电子会从能量低的层"跃迁"到能量高的层,而原来能量低的层是因为电子的运动方向相反,而跃迁以后电子就只向一种方向运动,所以能量会高。并且反应以后组成的能量介于原来的S轨道和P轨道能量之间。

几种杂化轨道之后的分子空间形态

sp杂化:直线型

sp2杂化:平面三角形(等性杂化为平面正三角形)

sp3杂化:空间四面体(等性杂化为正四面体)

1、判断中心原子的孤电子对的数量

2.找出与中心原子相连的原子数(即形成的σ键的数量)

3.若二者相加等于2,那么中心原子采用SP杂化;若等于3,那么中心原子采用SP2杂化;若等于4,那么中心原子采用SP3杂化。

如乙烯,碳原子为中心原子,与其连接的原子数为3,同时碳的4个价电子均成键(3个σ键加1个π键),故孤对电子对数为零,所以0+3=3,采取SP2杂化;如氧化氢,氧原子为中心原子,与氧原子相连的原子数为2,同时氧剩余两对孤对电子,所以2+2=4,采用sp3杂化。

说白了,最初原子轨道的杂化概念完全是人造的。是为了解释 CH4--四面体这类的现象。后来分子轨道理论出现,原子轨道的杂化就自然而然的被解释了---只不过是一种同原子的原子轨道的重新线性组合。同时,分子轨道理论也表明了这种组合(杂化)没有实际上的意义,而且有时会引起混乱。譬如:在杂化理论中,CH4中的八个成键电子是在同一种sp3轨道能级上. 但其实,它们是分在两个不同的能级上的(试验和分子轨道理论都表明了这一点)。但是由于杂化概念的方便,特别是在有机化学中被用来表示一个原子在分子中的几何环境。时至今日,杂化轨道仅被用来描述几何形状或环境。

除此之外,过分地强调杂化的其他"重要性"可能会对未来学习化学造成不必要的"弯路"。

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