杂化轨道理论
杂化轨道理论
杂化轨道理论价键理论简明地阐明了共价键的形成过程和本质，成功解释了共价键的方向性和饱和性，但在解释一些分子的空间结构方面却遇到了困难。
例如CH 4分子的形成，按照价键理论，C 原子只有两个未成对的电子，只能与两个H 原子形成两个共价键，而且键角应该大约为90°。
但这与实验事实不符，因为C 与H 可形成CH 4分子，其空间构型为正四面体，∠HCH = 109.5°。
为了更好地解释多原子分子的实际空间构型和性质，1931年鲍林提出了杂化轨道理论（hybrid orbital theory ），丰富和发展了现代价键理论。
1953年，我国化学家唐敖庆等统一处理了s-p-d-f 轨道杂化，提出了杂化轨道的一般方法，进一步丰富了杂化理论的内容。
1．杂化轨道理论的基本要点杂化轨道理论从电子具有波动性、波可以叠加的观点出发，认为一个原子和其他原子形成分子时，中心原子所用的原子轨道（即波函数）不是原来纯粹的s 轨道或p 轨道，而是若干不同类型、能量相近的原子轨道经叠加混杂、重新分配轨道的能量和调整空间伸展方向，组成了同等数目的能量完全相同的新的原子轨道——杂化轨道(hybrid orbital)，以满足化学结合的需要。
这一过程称为原子轨道的杂化（hybridization ）。
下面以CH 4分子的形成为例加以说明。
基态C 原子的外层电子构型为2s 22p x 12p y 1。
在与H 原子结合时，2s 上的一个电子被激发到2p z 轨道上，C 原子以激发态2s 12p x 12p y 12p z 1参与化学结合。
当然，电子从2s 激发到2p 上需要能量，但由于可多生成二个共价键，放出更多的能量而得到补偿。
在成键之前，激发态C 原子的四个单电子分占的轨道2s 、2p x 、2p y 、2p z 会互相“混杂”，线性组合成四个新的完全等价的杂化轨道。
此杂化轨道由一个s轨道和三个p 轨道杂化而成，故称为sp 3杂化轨道。
能带理论--杂化轨道理论
能带理论--杂化轨道理论是1931年由Pauling L等人在价键理论的基础上提出，它实质上仍属于现代价键理论，但它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。
1.在成键过程中，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，组成数目相等的新的原子轨道，这种轨道重新组合的过程称为，杂化后形成的新轨道称为（hybrid orbital）。
2.杂化轨道的角度波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。
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的夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。
按参加杂化的原子轨道种类，轨道的杂化有sp和spd两种主要类型。
按杂化后形成的几个杂化轨道的能量是否相同，轨道的杂化可分为等性杂化和不等性杂化。
sp型和spd型杂化能量相近的ns轨道和np轨道之间的杂化称为。
按参加杂化的s轨道、p轨道数目的不同，sp型杂化又可分为sp、23sp 、sp 三种杂化。
1sp由1个s轨道和1个p轨道组合成2个sp杂化轨道的过程称为，所形成的轨道称为sp杂化轨道。
每个sp杂化轨道均含0有的s轨道成分和的p轨道成分。
为使相互间的排斥能最小，轨道间的夹角为180 。
当2个sp杂化轨道与其他原子轨道重叠成键后就形成直线型分子。
图9-3 sp杂化过程及sp杂化轨道的形状22spsp2杂化轨道的空间取向示意图2(图9-4 BF的平面三角形构型和sp杂化轨道的空间取向) 322 由1个s轨道与2个p轨道组合成3个sp 杂化轨道的过程称为。
每个sp 杂化轨道含有的s轨道成分和的p202轨道成分，为使轨道间的排斥能最小，3个sp杂化轨道呈正三角形分布，夹角为120[图9-4]。
当3个sp杂化轨道分别与其他3个相同原子的轨道重叠成键后，就形成正三角形构型的分子。
杂化轨道理论完整ppt课件
•杂化轨道理论基本概念•s-p 杂化轨道•p-d 杂化轨道•d-f 杂化轨道•杂化轨道理论与分子构型关系•杂化轨道理论在化学领域应用•总结与展望目录01杂化轨道理论基本概念原子轨道与杂化轨道原子轨道杂化轨道sp 杂化sp2杂化sp3杂化030201杂化类型及特点杂化轨道形成过程激发原子中能量相近的不同类型原子轨道在成键过程中重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的原子轨道。
杂化重新组合后的原子轨道称为杂化原子轨道，简称杂化轨道。
成键杂化后的原子轨道能量相等、成分相同，仅空间方位不同。
杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理。
02s-p杂化轨道s-p杂化原理及类型s-p杂化原理s-p杂化类型根据参与杂化的s和p轨道数目不同，可分为sp、sp²、sp³等类型。
s-p杂化实例分析乙烯分子中的C=C双键炔烃分子中的C≡C三键s-p杂化性质总结s-p杂化轨道具有方向性和饱和性01s-p杂化影响分子构型和性质02s-p杂化与化学键稳定性0303p-d杂化轨道p-d杂化原理及类型p-d杂化原理p-d杂化类型p-d杂化实例分析实例一PCl5分子。
磷原子中的3个p轨道和1个d轨道发生杂化，形成5个sp3d杂化轨道，分别与5个氯原子形成共价键。
这种杂化解释了PCl5分子的三角双锥构型。
实例二SF6分子。
硫原子中的3个p轨道和2个d轨道发生杂化，形成6个sp3d2杂化轨道，分别与6个氟原子形成共价键。
这种杂化解释了SF6分子的八面体构型。
化学键性质p-d 杂化轨道中的电子分布和键合情况决定了分子的化学键性质，如键长、键角、键能等。
这些性质与分子的稳定性和反应性密切相关。
几何构型p-d 杂化轨道形成的分子具有特定的几何构型，如三角双锥、八面体等，这些构型与参与杂化的轨道数目和类型密切相关。
光学性质p-d 杂化轨道对分子的光学性质也有影响，如吸收光谱、发射光谱等。
这些性质与分子中的电子跃迁和能级结构有关。
杂化轨道理论
杂化轨道理论杂化轨道理论基本介绍核外电子在一般状态下总是处于一种较为稳定的状态，即基态。
而在某些外加作用下，电子也是可以吸收能量变为一个较活跃的状态，即激发态。
在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，单个原子中，具有能量相近的两个电子亚层中，具有能量较低的电子亚层的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的电子亚层中去，即所谓的跃迁现象，从而新形成了一个或多个能量较高的电子亚层。
此时，这一个与多个原来处于较低能量的电子亚层的电子所具有的能量增加到与原来能量较高的电子亚层中的电子相同。
这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。
概述1931年,Linus Carl Pauling提出轨道杂化理论。
实验事实基础是许多分子的键角不等于原子轨道间夹角。
如氧原子与氢原子组成的水分子H－O－H的键角是104.5o，不等于氧的2py与2pz轨道间的夹角90o。
类似的，NH3分子中H－N－H的键角也不等于90o，实际测得107.3o。
实验测得甲烷分子CH4是四面体结构，H－C－H键角为109.5o。
要点⑴ 在形成分子（主要是化合物）时，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道 (一般为同一能级组的原子轨道)可以进行线性组合(杂化)，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的一组原子轨道。
⑵杂化轨道成键能力大于原来的原子轨道。
因为杂化轨道的形状变成一头大一头小了,用大的一头与其他原子的轨道重叠,重叠部分显然会增大。
⑶ 形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理（化学键间排斥力越小，体系越稳定），为满足最小排斥原理，杂化轨道之间的夹角应达到最大。
⑷ 分子的空间构型主要取决于分子中σ键形成的骨架，杂化轨道形成的键均为σ键，所以，杂化轨道的类型与分子的空间构型相关。
相关概念在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道线性组合成新的原子轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。
杂化轨道理论
杂化轨道理论电子配对法阐明了共价键的本质、特征和类型，但在解释多原子分子的几何形状（或空间构型）方面遇到了困难。
例如C原子只有两个成单电子，但能形成稳定的CH4分子，所以电子配对法不能说明甲烷分子为什么是正四面体构型的分子。
1931年鲍林提出杂化轨道理论，满意地解释了许多多原子分子的空间构型。
杂化轨道理论认为：①形成分子时，由于原子间的相互作用，使同一原子中能量相近的不同类型原子轨道，例如ns轨道与np轨道，发生混合，重新组合为一组新轨道．这些新轨道称为杂化轨道。
杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道数目。
如一个2s 轨道与三个2p轨道混合，可组合成四个sp3杂化轨道；一个2s轨道与二个2p 轨道混合，可得三个sp2杂化轨道；一个2s轨道与一个2p轨道混合，可得二个sp杂化轨道。
②杂化轨道的电子云一头大，一头小，成键时利用大的一头，可以使电子云重叠程度更大，从而形成稳定的化学键。
即杂化轨道增强了成键能力。
③杂化轨道可以分为等性杂化和不等性杂化。
等性杂化是所组合的一组杂化轨道的成分都相同的杂化。
如甲烷中的C原子所生成的四个sp3杂化轨道，每个杂化轨道各含1/4的s轨道成分，3/4的p轨道成分。
不等性杂化是所组合的一组杂化轨道的成分不全相同的杂化，如氨分子中的N原子所生成的四个sp3杂化轨道中，一个杂化轨道含0.3274的s轨道成分，0.6726的p轨道成分；其余三个杂化轨道各含0.2242的s轨道成分，0.7758的p轨道成分。
杂化有多种方式，视参加杂化的原子以及形成的分子不同而不同。
①sp3杂化——这是原子最外层的1个s轨道和3个p轨道发生的杂化。
杂化以后形成四个等价的sp3杂化轨道。
碳原子在与氢原子形成甲烷分子时就发生了sp3杂化。
发生杂化时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道发生混杂，形成4个能量相等的杂化轨道，碳原子最外层的4个电子分别占据1个杂化轨道。
每一个sp3杂化轨道的能量高于2s轨道能量而低于2p轨道能量；杂化轨道的形状也可以说介于s轨道和p轨道之间。
杂化轨道理论
杂化轨道理论在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。
1基本介绍杂化轨道理论（hybrid orbital theory)是1931年由鲍林(Pauling L)等人在价键理论的基础上提出，它实质上仍属于现代价键理论，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。
核外电子在一般状态下总是处于一种较为稳定的状态，即基态。
而在某些外加作用下，电子也是可以吸收能量变为一个较活跃的状态，即激发态。
在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，单个原子中，具有能量相近的两个能级中，具有能量较低的能级的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的能级中去，即所谓的跃迁现象，从而新形成了一个或多个能量较高的能级。
此时，这一个或多个原来处于较低能量的能级的电子所具有的能量增加到与原来能量较高的能级中的电子相同。
这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。
用化学语言讲，杂化轨道理论从电子具有波动性、波可以叠加的观点出发，认为一个原子和其他原子形成分子时，中心电子所用的电子轨道不是原来纯粹的s轨道或p轨道，而是若干不同类型、能量相近的电子轨道经叠加混杂、重新分配轨道的能量和调整空间伸展方向，组成了同等数目的能量完全相同的新的电子轨道——杂化轨道，以满足化学结合的需要。
这一过程称为电子轨道的杂化。
2基本要点只有最外电子层中不同能级中的电子可以进行轨道杂化，且在第一层的两个电子不参与反应。
不同能级中的电子在进行轨道杂化时，电子会从能量低的层跃迁到能量高的层，并且杂化以后的各电子轨道能量相等又高于原来的能量较低的能级的能量而低于原来能量较高的能级的能量。
当然的，有几个原子轨道参加杂化，杂化后就生成几个杂化轨道。
杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理。
杂化后的电子轨道与原来相比在角度分布上更加集中，从而使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更加牢固。
分子的立体结构(杂化轨道理论)
01
02
03
04
sp杂化
一个s轨道和一个p轨道杂化 ，形成两个sp杂化轨道，形
状为直线型。
sp2杂化
一个s轨道和两个p轨道杂化 ，形成三个sp2杂化轨道，形
状为平面三角形。
sp3杂化
一个s轨道和三个p轨道杂化 ，形成四个sp3杂化轨道，形
状为正四面体型。
其他杂化类型
如dsp2、d2sp3等，涉及d轨 道的参与，形成更复杂的分子
指导新材料的设计和合成
通过研究杂化轨道理论，可以深入了解 分子中原子间的相互作用和电子排布规 律，从而揭示分子立体结构的本质。
通过调控分子的立体结构，可以设计 和合成具有特定功能的新材料，如催 化剂、药物、光电材料等。
预测和解释分子的性质
基于杂化轨道理论，可以预测和解释 分子的几何构型、键长、键角以及分 子的物理和化学性质。
预测反应活性
通过了解分子的电子云分布和键能，可以预测分子在化学反应中的 活性和选择性。
指导新材料设计
杂化轨道理论为设计具有特定功能和性质的新材料提供了理论指导。
研究成果与不足
成果
杂化轨道理论在解释和预测分子 的立体结构方面取得了显著成果 ，成功应用于多种有机和无机化 合物的结构和性质研究。
不足
对于某些复杂体系，如过渡金属 化合物和生物大分子，杂化轨道 理论的解释力有限，需要进一步 完善和发展。
分子的立体结构杂化轨道理论
contents
目录
• 引言 • 杂化轨道理论基础 • 分子的立体构型与杂化轨道 • 杂化轨道理论与化学键性质 • 杂化轨道理论与化学反应性 • 总结与展望
01 引言
分子的立体结构概述
分子立体结构的定义
杂化轨道理论(图解)
杂化轨道理论(图解）一、原子轨道角度分布图S Px Py Pzdz 2dx 2-y 2dxy dxz dyz二、共价键理论和分子结构 ㈠、共价键理论简介１、经典的化学键电子理论：1916年德国化学家柯塞尔(Kossel)和1919年美国化学家路易斯(Lewis)等提出了化学键的电子理论。
他们根据稀有气体原子的电子层结构特别稳定这一事实，提出各元素原子总是力图（通过得失电子或共用电子对）使其最外层具有８电子的稳定结构。
柯塞尔用电子的得失解释正负离子的结合。
路易斯提出，原子通过共用电子对而形成的化学键称为共价键(covalent [k ǝu`veilent]bond[b כnd])。
用黑点代表价电子（即最外层s ，p 轨道上的电子），可以表示原子形成分子时共用一对或若干对电子以满足稀有气体原子的电子结构。
为了方便，常用短线代替黑点，用“－”表示共用１对电子形成的共价单键，用“＝”表示２对电子形成的共价双键，“≡”表示３对电子形成的共价叁键。
原子单独拥有的未成键的电子对叫做孤对电子(lone[l ǝun ]pair[p εǝ]electron[i`lektr כn])。
Lewis 结构式的书写规则又称八隅规则（即８电子结构）。
评价 贡献：Lewis 共价概念初步解释了一些简单非金属原子间形成共价分子的过程及其与离子键的区别。
局限性：①、未能阐明共价键的本质和特性；②、八隅规则的例外很多。
PCl 5 SF 6 BeCl 2 BF 3 NO ，NO 2 …中心原子周围价电子数 10 12 4 6 含奇数价电子的分子 … ③、不能解释某些分子的性质。
含有未成对电子的分子通常是顺磁性的（即它们在磁场中表现出磁性）例如O 2。
２、1927年德国的海特勒Heitler 和美籍德国人的伦敦London 两位化学家建立了现代价键理论，简称VB 理论（电子配对法）。
1931年，鲍林在电子配对的基础上提出了杂化轨道理论的概念，获1954年诺贝尔化学奖。
轨道杂化理论
轨道杂化理论
杂化轨道理论是一种科学理论。
在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。
1、某原子在成键时，在键合原子的作用下,同一原子中不同类型能量相近的原子轨道可能改变原有的状态,混杂起来并重新组合成一组有利于成键的新轨道（即杂化轨道）。
这一过程称为原子轨道的杂化，简称杂化。
2 、同一原子中能量相近的n 个原子轨道，组合后只能得到n 个杂化轨道。
例如，同一原子的一个ns 轨道和一个npx轨道，只能杂化成两个sp杂化轨道。
这两个sp杂化轨道的形状一样，但其角度分布最大值在x轴上的取向相反。
3 、杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力强，形成的化学键键能大，使生成的分子更稳定。
由于成键原子轨道杂化后，轨道角度分布图的形状发生了变化，形成的杂化轨道一头大一头小。
大的一头与别的原子成键时电子云可以得到更大程度的重叠，所以形成的化学键比较牢固。
杂化轨道理论
6-3-2 杂化轨道理论1. 杂化轨道理论的简要内容⑴在形成分子（主要是化合物）时，同一原子中若干能量相近的原子轨道(一般为同一能级组的原子轨道) 相互叠加（杂化）形成一组同样数目的新的原子轨道。
有关概念：杂化── 轨道的相互叠加过程叫原子轨道的杂化。
杂化轨道──原子轨道叠加后产生的新的原子轨道叫杂化轨道。
⑵杂化轨道比原来的轨道成键能力强，形成的化学键键能大，使生成的分子更稳定。
由于成键原子轨道杂化后，轨道角度分布图的形状发生了变化（形状是一头大，一头小），杂化轨道在某些方向上的角度分布，比未杂化的p轨道和s轨道的角度分布大得多，它的大头在成键时与原来的轨道相比能够形成更大的重叠，因此杂化轨道比原有的原子轨道成键能力更强。
⑶形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理（化学键间排斥力越小，体系越稳定），为满足最小排斥原理, 杂化轨道之间的夹角应达到最大。
sp, sp2, sp3杂化轨道的形状如图所示。
⑷ 分子的空间构型主要取决于分子中σ键形成的骨架，杂化轨道形成的键为σ键，所以，杂化轨道的类型与分子的空间构型相关。
2．杂化类型与分子几何类型（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：Cl－Be－Cl基态Be原子的价层电子构型为2s2，表面看来似乎是不能形成共价键的。
但杂化理论认为，成键时Be原子中的一个2s电子可以被激发到2p空轨道上去，使基态Be原子转变为激发态Be原子（2s12p1）：与此同时，Be原子的2s轨道和一个刚跃进的电子的2p轨道发生sp杂化，形成两个能量等同的sp杂化轨道：其中每一个sp杂化轨道都含有轨道和轨道的成分。
如图6-11所示，每个sp轨道的形状都是一头大，一头小。
杂化轨道理论
04
常见杂化类型及其性质
sp杂化及其性质
01 杂化方式
原子轨道以一个s轨道和一 个p轨道组合形成两个sp 杂化轨道。
03 轨道形状
sp杂化轨道呈直线形，两
端各有一个未成对电子。
02 化学键
形成直线型共价键，如乙
炔分子中的碳碳三键。
04 分子空间构型
sp^3杂化及其性质
杂化方式
原子轨道以一个s轨道和 三个p轨道组合形成四个 sp^3杂化轨道。
轨道形状
sp^3杂化轨道呈四面体形 ，中心原子无未成对电子 。
化学键
形成四面体型共价键，如 甲烷分子中的碳氢键。
分子空间构型
正四面体型分子，键角为 109.5°。
其他杂化类型介绍
dsp杂化
涉及一个d轨道、一个s轨道和一个p轨道的杂化，形成三 角双锥型分子构型。
X射线衍射法
X射线衍射原理
01
利用X射线与物质相互作用产生衍射现象，通过分析衍射图谱获
得物质结构信息。
晶体结构测定
02
通过X射线衍射法可以测定晶体的晶格常数、原子间距等参数，
进而推断出杂化轨道的存在。
非晶态物质研究
03
利用X射线衍射法研究非晶态物质的短程有序结构，了解杂化轨
道对物质性质的影响。
红外光谱法
dsp^2杂化
涉及一个d轨道、一个s轨道和两个p轨道的杂化，形成八 面体型分子构型。
sp^3d杂化
涉及一个s轨道、三个p轨道和一个d轨道的杂化，形成三 角双锥或四方锥型分子构型。
sp^3d^2杂化
涉及一个s轨道、三个p轨道和两个d轨道的杂化，形成八 面体或四方反棱柱型分子构型。这些杂化类型在配合物化 学和金属有机化学中较为常见。
杂化轨道理论
ψ2 ψ3
y ψ1
x
z
= c1ψpx + c2ψpy + c3 ψpz 由正交归一性 得 ∫ψp2dτ = ∫ (c1ψpx + c2ψpy + c3ψpz)2 dτ = 1
c12 + c22 + c32 = 3c12 = 1, c1 = c2 = c3 = ±(1/3)1/2 即 ψp = c1(ψpx + ψpy + ψpz) ψ1 = 1/2ψs + c1(ψpx + ψpy + ψpz) = 1/2ψs + (31/2/2)(1/31/2)(ψpx + ψpy + ψpz) =(ψs + ψpx + ψpy + ψpz)/2 另外三条杂化轨道,系数与ψ1相同,只是方向不同, z 根据右图判断方向得到另外三条杂化轨道
b. 从sp2杂化轨道的图形出发计算可以简化计算 sp2等性杂化轨道是平面正三角形，其中一条 我们把它放在x轴上，另外两条与第一条成120 度夹角。利用杂化轨道夹角公式计算。 cos120 = −α/(1−α) =−1/2 得 α = 1/3， β = 2/3 所以 ψ1 = (1/3)1/2 ψs + (2/3)1/2ψpx 对ψ2和 ψ3有: 原子轨道px和py 的贡献为: ψ2 = (2/3)1/2(-cos60 ψpx + sin60 ψpy) + (1/3)1/2 ψs = (2/3)1/2(-1/2 ψpx + 31/2/2 ψpy) + (1/3)1/2 ψs = (1/3)1/2 ψs – (1/6)1/2 ψpx + (1/2)1/2 ψpy ψ3 = (2/3)1/2(-cos60 ψpx - sin60 ψpy) + (1/3)1/2 ψs = (2/3)1/2(-1/2 ψpx - 31/2/2 ψpy) + (1/3)1/2 ψs = (1/3)1/2 ψs – (1/6)1/2 ψpx - (1/2)1/2 ψpy (3) sp3等性杂化 一条s原子轨道和3条p轨 道杂化而成. 一般形式为 ψsp^3 = (1/4)1/2ψs + (3/4)1/2ψp 从图可见,四个杂化轨道方向是指向四个定点 x 而且对坐标轴具有相同对称性,组合系数是相同
分子的空间构型杂化轨道理论
难以给出精确的预测。
杂化轨道理论的发展方向
扩展到非共价分子
发展能够适用于非共价分 子的杂化轨道理论，以更 好地解释金属、离子等分 子的性质。
引入量子力学
将量子力学原理与杂化轨 道理论相结合，以更精确 地描述电子行为和分子性 质。
复杂分子结构研究
深入研究复杂分子结构， 发展更精确的模型和方法， 以解释和预测复杂分子的 性质和行为。
杂化后的轨道称为杂化轨道，它们具有与原始原子轨道不同的形状和取向，可以与其他原子 轨道相互作用形成更稳定的化学键。
杂化轨道理论可以用来预测分子的空间构型和化学键的性质，是现代化学键理论的重要组成 部分。
杂化轨道理论的发展历程
01
1930年代
德国化学家鲍林和美国化学家斯莱特提出了杂化轨道理论的基本概念，
杂化轨道理论在化学反应机理、物质结构和性质预测等方 面具有广泛的应用。通过了解分子的杂化方式，可以预测 分子的性质和反应活性，从而指导化学反应的设计和合成 。
在药物设计和材料科学中，了解分子的杂化方式对于预测 分子的生物活性、稳定性、导电性等性质至关重要。通过 合理设计分子的杂化方式，可以开发出具有特定功能的新 型药物或材料。
3
分子所处的环境
温度、压力、溶剂等环境因素对分子构型有一定 影响。
分子构型与化学反应的关系
01
02
03
反应活性
某些特定的分子构型有利 于化学反应的进行，如碳 正离子的平面构型更易发 生亲电取代反应。
选择性
在某些化学反应中，特定 的分子构型可能导致产物 具有更高的选择性。
反应机理
分子构型影响化学反应的 机理，如环己烯的椅式构 型有利于顺式加成反应的 进行。
分子的空间构型杂化轨道理论
分子的空间构型_杂化轨道理论
3
AB3 三角锥形
等电子体原理
具有相同的通式——ABm，而且价电子总数和原子数目 相等的分子或离子具有相同的结构特征,这个原理称为“等电 子体原理”。这里的“结构特征”的概念既包括分子的立体 结构，又包括化学键的类型，但键角并不一定相等，除非键 角为180或90等特定的角度。
（1）CO2、CNS–、NO2+、N3–具有相同的通式—AX2， 价电子总数16，具有相同的结构—直线型分子，中心原子上 没有孤对电子而取sp杂化轨道，形成直线形s-骨架，键角为 180。
（4）SO42–、PO43–等离子具有AX4的通式,总价电子数 32，中心原子有4个s-键，故取sp3杂化形式，呈正四面体立 体结构；
（5）PO33–、SO32–、ClO3–等离子具有AX3的通式，总 价电子数26，中心原子有4个s-轨道(3个s-键和1对占据s-轨 道的孤对电子)，VSEPR理想模型为四面体，(不计孤对电 子的)分子立体结构为三角锥体，中心原子取sp3杂化形式， 没有p-pp键或p-p大键，它们的路易斯结构式里的重键是 d-p大键。
n=1/2[A的价电子数+X提供的价电子数×m
原则：
±离子电荷数
②配体X：H和卤素每个原子各提供一个价电 子, 规定氧与硫不提供价电子；
③正离子应减去电荷数,负离子应加上电荷数。
•确定电子对的空间构型： n=2 直线形 n=3 平面三角形 n=4 正四面体
•确定中心原子的孤对电子对数，推断分子 的空间构型。
平面 三角形
109.5º 正四面体
杂化轨道 数目
2
3
4
思考
BF3分子形成过程
2s
2p
激发 2s
2p
正三角形
2024版史上最易理解杂化轨道理论(图解)
史上最易理解杂化轨道理论(图解)•杂化轨道理论基本概念•s-p杂化轨道•p-p杂化轨道•d-p杂化轨道目•杂化轨道理论与分子构型关系•总结与展望录01杂化轨道理论基本概念原子轨道与杂化轨道原子轨道描述电子在原子核外空间出现概率的分布函数，即电子云形状。
常见的原子轨道有s、p、d、f等。
杂化轨道由同一原子中能量相近的不同类型原子轨道混合起来形成的一组新轨道。
杂化后的轨道具有与原轨道不同的形状、能量和对称性。
sp2杂化由1个ns 和2个np 轨道杂化形成3个sp2杂化轨道，呈平面三角形，如BF3、SO3等分子。
sp 杂化由1个ns 和1个np 轨道杂化形成2个sp 杂化轨道，呈直线型，如CO2、BeCl2等分子。
sp3杂化由1个ns 和3个np 轨道杂化形成4个sp3杂化轨道，呈正四面体型，如CH4、NH3等分子。
d2sp3杂化由1个nd2、1个ns 和3个np 轨道杂化形成6个d2sp3杂化轨道，呈正八面体型，如SF6等分子。
dsp2杂化由1个nd 、1个ns 和2个np 轨道杂化形成4个dsp2杂化轨道，呈平面正方形，如PtCl42-等分子。
杂化类型及特点参与杂化的原子轨道能量应相近，这样有利于电子在杂化后的新轨道中的重新分布和稳定。
能量相近原则最大重叠原则对称性匹配原则原子轨道在杂化过程中应尽可能重叠，以增强成键能力和降低体系能量。
原子轨道在杂化时，其对称性应与分子的对称性相匹配，以确保整个分子的稳定性。
030201杂化轨道形成原因02s-p杂化轨道原子在成键过程中，为了降低能量和增加稳定性，会将能量相近的s轨道和p轨道进行混合。
s-p杂化轨道是由s轨道和p轨道线性组合而成的新轨道，具有特定的形状、方向和能量。
在s-p杂化过程中，原子会重新分配电子云密度，使得杂化轨道更适应于成键。
s-p杂化原理及过程以甲烷(CH4)为例，碳原子的2s和2px, 2py, 2pz轨道进行sp3杂化，形成四个等价的sp3杂化轨道。
杂化轨道理论
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三、杂化轨道理论 从结果看，杂化=混合+均分
杂化后的轨道，简称杂化轨道，依然用形状、能量、数量、空间分布四参数描述。 一般来讲，杂化轨道的数量等于参与杂化的轨道数量之和。其他三参数都要改变。 四、sp3 sp2 sp三种杂化轨道的形状、能量和空间分布。 五、背景知识：量子数n、l严格定义）：电子运动所经过的点的集合。“轨道能量"与”电子能量 “这两个概念不做严格区分。 s和p，描述轨道的四参数： 形状（大概），能量（相对高低），数量， 空间分布（同种轨道间的相互位置关系，主要体现为大体形状和相互夹角） s：球形、低能量。每层一个。 p：“哑铃”形、较高能量。从第2层起，每层三个。两两垂直。 d和f轨道能量更高，每层的数量更多，空间分布更复杂。 二、核外电子排布三原则（仅供参考） 1、不相容原理：一个轨道最多排2个电子 2、能量最低原则：先排满低能量轨道，再排高能量轨道。（一般外层电子能量（轨 道能量）高于内层，但不绝对，例如，3d轨道能量高于4s轨道） 3、洪特规则：电子应占据尽可能多的轨道。全空、全满、半满状态较稳定，优先。
高中化学选修三杂化轨道理论简介
杂化轨道理论简介思考：写出碳原子的核外电子排布图，思考为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？一.杂化轨道理论1.概念：在形成分子时，在外界条件影响下若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道的过程叫做原子轨道的杂化，所形成的新轨道就称为杂化轨道。
2.杂化条件：（1）参与参加杂化的各原子轨道能量要相近（同一能级组或相近能级组的轨道）；（2）只有在形成分子的过程中才能会发生杂化。
3、杂化轨道特点（1）杂化轨道前后轨道总数不变，形状发生改变，一头大，一头小，杂化后各轨道能量相同。
（2）杂化轨道成键时同样遵循互斥理论，满足化学键间排斥力最小，故杂化轨道之间在空间内尽可能远离，呈立体对称结构。
（3）杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
未参与杂化的P轨道可用于形成π键。
（4）一个轨道不管有没有电子，只要符合杂化的条件就可能参与杂化。
4、杂化轨道形成过程（1）sp3杂化sp3杂化：1个s 轨道与3个p 轨道进行的杂化,形成4个sp3 杂化轨道。
每个sp3杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有1/4 s 轨道和3/4 p 轨道的成分每两个轨道间的夹角为109 °28，。
空间构型为正四面体型。
价层电子对数为4的中心原子采用sp3杂化方式（2）sp2杂化sp2杂化：1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化,形成3个sp2 杂化轨道。
每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有1/3 s 轨道和2/3 p 轨道的成分，每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。
例：用杂化轨道理论分析乙烯的杂化类型及分子空间构型？杂化轨道只能形成σ键或容纳未参与成键的孤电子对，不能形成π键；未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
例：苯环的结构1.苯环中的碳均是以sp2杂化成夹角为1200三个sp2杂化轨道.2.苯环中六个碳之间形成6个σ键,每个碳与氢形成1个σ键.3.苯环中六个碳中未杂化的P轨道彼此形成一个大π键.4.形成大π键比一般的π键更稳定,因此苯环体现特殊的稳定性（3）sp杂化sp杂化：1个s 轨道与1个p 轨道进行的杂化,形成2个sp杂化轨道。
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6. 杂化轨道要点
(1 ) 轨道杂化是指同一个原子中相关轨道的混合,由 此产生的杂化轨道也是原子轨道。
(2)参与杂化的轨道中电子所处的能级略有不同， 而杂化轨道中的电子则处于相同能级。杂化后 能级相当于杂化前有关电子能级的中间值。
(3) 杂化只能发生在能级接近的轨道之间，如主量 子数相同的s、p、d轨道之间，或(n-1)d与ns、np 之间，能量也是相近的。亚层符号按能级升高的 顺序排列，例如d2sp3和sp3d2代表不同杂化轨道。
杂化轨道理论
主讲人：蒋毅民 教授
知识回顾：价键理论的基本要点。
问题：在H2S分子中两个S-H键的夹角为什么 是90º而不是180º？
H
Sห้องสมุดไป่ตู้
H
H
109.5º
H C
H
H
CH4的分子结构 C 原子的基态为 1s22s22px12py12pz0
O
H
H
104.5º
H2O的分子结构 O 原子的基态为 1s22s22px12py12pz2
杂化轨道的类型与空间结构的关系
杂化类型 用于杂化的 原子轨道数 杂化轨道数
空间构型
实例
sp 2 2 直线型 BeCl2 CO2
sp2 3 3 平面三角形 BF3 BCl3
sp3 4 4 四面体 CH4 CCl4
sp3d2 6 6
八面体 SF6 SiF62-
本节课结束！ 谢谢！
H
H C
H
H
✓ 问题：
在CH4分子形成过程中，C原子的轨 道为什么要激发，杂化？激发过程所 需的能量从哪里来？
尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量 但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形 成两个C-H键放出的能量要大得多，这些能量足 以补偿电子激发所 需的能量而有余，因此，C与 H形成化合物时生成CH4而不是CH2
❖ 杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。
❖ 注意两点： (1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生； (2)能量相近通常是指：ns与np、ns,np与nd或（n-1)d。
2.sp2杂化
激发
Sp2杂化
重叠
形成3个(sp2-p) σ键
BF3分子形成过程
一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三个等同 的sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120º， 呈平面三角形。
Cl
Be
Cl
BeCl2分子结构示意图
4.sp3d2杂化
sp3d2杂化轨道是由一个s轨道、三个p轨道 和两个d轨道组合而成，其特点是6个sp3d 杂化轨道指向正八面体的六个顶点，相 邻的夹角为90º。
激发
杂化
重叠
sp3d2杂化轨道示意图
F
F
F
S
F
F
SF6分子的空间结构
F
5. 等性杂化与不等性杂化
以H2O为例： 价键理论：两个2p轨道分别与两个氢原子形成两
个 P-S σ键 键角为 90º 杂化理论：O原子的2s和2p采取sp3杂化，O原子最外层 有6个电子，四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据， 其余两个轨道被两个单电子占据，与两个H形成两个sp3s共价键。
O氧子基态
杂化
sp3杂化态
H2O分子
轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键。因 为杂化后电子云分布更为集中，可使成键的原子 轨道间的重叠部分增大，成键能力增强，因此C 与H原子能结合成稳定的CH4
S轨道
p轨道
Sp杂化轨道
CH4分子的空间结构
以上是用杂化轨道理论来解释CH4的结构， 得到了满意的结论。从这里我们也可以看出：
❖ 杂化：在形成分子时，由于原子的相互影响，若干 不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成 一组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。
课堂思考题：推断、解释NH3的结构？
杂化
N氧子基态
sp3杂化态
NH3分子
H
109.5
H C
H
H H
N H
H H
O H
CH4
NH3
H2O
孤电子对数： 0
夹
角：109.5º
空间结构： 正四面体
1 107.3º 三角锥
2 104.5º
V形
结论：在CH4、NH3和H2O分子中，中心原子都 取sp3杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。
杂化
激发态
杂化态
✓ 杂化轨道还认为：在成键过程中，这4个不同的轨 道重新组合成4个能量相等的新轨道，由于是由1个 s与3个p轨道组合而成，因而新轨道称作sp3杂化轨 道。每一个sp3杂化轨道含1/4s成分和3/4p成分.
杂化态
✓ 这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键， 形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。
二、杂化轨道理论 1、SP3杂化（以甲烷的分子结构为例）
基态
激发态
✓ 杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，C原子 上的一个2s电子可被激发到2p空轨道上，形成 四个单键，这时虽然解决了4个共价键的问题， 但是如果这4个轨道，即1个s轨道和3个p轨道， 分别与4个氢原子结合，形成4个键能量是不同的， 这与事实不符。
(4) 各种杂化轨道的“形状”均为葫芦形，由分 布在原子核两侧的大小叶瓣组成，轨道的伸 展方向是指大叶瓣的伸展方向，为简明起见 往往不给出小叶瓣。
(5) 杂化轨道的数目等于参与杂化的轨道的总数
(6) 杂化轨道可分为等性杂化轨道与不等性杂化 轨道两种。
(7) 杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原 理，键角越大，排斥力越小。杂化轨道类型不 同，成键时键角不同，分子的空间结构也不同。
➢sp2杂化轨道示意图
F
F
B
F
➢BF3分子的结构示意图
3.sp杂化
激发
sp杂化
重叠
形成2个(sp-s) σ键
BeCl2分子形成过程 进行sp杂化时，每个杂化轨道由 ½ S 轨道和 ½ P 轨道组合 而成，两个杂化轨道之间的夹角为180°。因此由sp杂化轨 道构成的分子具有直线形的构型。
sp杂化轨道示意图