杂化轨道理论概述

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。

中文名

杂化轨道理论

基本介绍

实质上仍属于现代价键理论

基本要点

要满足原子轨道最大重叠原理

理论说明

s－p－d型杂化..

空间形态

几种杂化轨道之后的分子空间形态

相关种类

简称为sp型杂化

举例说明

CH4

目录

1. 1 基本介绍

2. 2 基本要点

1. 3 理论说明

2. 4 空间形态

1. 5 相关种类

2. 6 举例说明

杂化轨道理论基本介绍

杂化轨道理论（hybrid orbital theory)是1931年由莱纳斯·鲍林(Pauling L)等人在价键理论的基础上提出的。虽然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

杂化。

sp杂化轨道角度分布及其空间伸展方向示意图

（3）等性杂化和不等性杂化

杂化过程中形成杂化轨道可能是一组能量的并轨道，也可能是一组能量彼此不相等的轨道。因此，轨道的杂化方式可分为等性杂化和不等性杂化。

杂化轨道理论空间形态

几种杂化轨道之后的分子空间形态

sp杂化：直线形如：CO2、CS2

sp2杂化：平面三角形（等性杂化为平面正三角形）如：BCl3、

sp3杂化：空间四面体（等性杂化为正四面体）如：CH4、CCl4

sp3d杂化：三角双锥如：PCl5

sp3d2杂化：八面体（等性杂化为正八面体）

sp3d3杂化：五角双锥如：IF7

dsp2杂化：平面四方形（等性杂化为正方形）如：Pt(NH3)2Cl2(顺铂）

注：中心原子有孤对电子的还要视孤对电子对数而定具体的空间结构如：H2O V形（角形）

杂化轨道理论相关种类

轨道杂化一般发生在s轨道与p轨道之间，简称为sp型杂化。这类杂化轨道种类很多。可分为sp1;、sp2;、sp3;三种。

如三氯化硼(BCl3)分子中B有sp2杂化轨道，即由1个s轨道和2个p轨道组合成3个sp2杂化轨道，在氯化铍(BeCl2)中有sp杂化轨道，在过渡金属化合物中还有d轨道参与的sp3d和sp3d2杂化轨道等。以上几例都是阐明了共价单键的性质，至于乙烯和乙炔分子中的双键和三键的形成，又提出了σ键和π键的概念。如把两个成键原子核间联线叫键轴，把原子轨道沿键轴方向“头碰头”的方式重叠成键，称为σ键。把原子轨道沿键轴方向“肩并肩”的方式重叠，称为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。

这3个sp2杂化轨道中有2个轨道分别与2个H原子形成σ单键，还有1个sp2轨道则与另一个C的sp2轨道形成头对头的σ键，同时位于垂直方向的pz轨道则以肩并肩的方式形成了π键。也就是说碳碳双键是由一个σ键和一个π键组成，即双键中两个键是不等同的。π键原子轨道的重叠程度小于σ键，π键不稳定，容易断裂，所以含有双键的烯烃很容易发生加成反应，如乙烯(H2C=CH2)和氯(Cl2)反应生成氯乙烷(Cl—CH2—CH2—Cl)。

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。

杂化轨道理论举例说明

以CH4分子的形成为例。

基态C原子的外层电子构型为2s22px12py1。在与H原子结合时，2s上的一个电子被激发到2pz轨道上，C原子以激发态2s12px12py12pz1参与化学结合。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、2px、2py、2pz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sp3杂化轨道。经杂化后的轨道一头大，一头小，其方向指向正四面体的四个顶角，能量不同于原来的原子轨道。

形成的四个sp3杂化轨道与四个H原子的1s原子轨道重叠，形成（sp3-s）σ键，生成CH4分子。

由于杂化轨道的电子云分布更为集中，杂化轨道的成键能力比未杂化的各原子轨道的成键能力强，故形成CH4分子后体系能量降低，分子的稳定性增强。