杂化轨道详细解说

高中化学7：杂化轨道

1、概念理解

原子在形成分子时，原子轨道不可能只重叠而本身不变，实际上个原子的价电子运动状态必然改变，而使成键能力尽可能增加，体系能量尽可能降低。能量相近的不同原子轨道重新合成相同数目的新原子轨道。通常有sp型、dsp型、spd型等。

杂化并非一个实际过程，而是一个数学概念。为了得到波动方程有关价层电子的解，及波函数而采取的一个步骤。

和原有的s、p轨道相比，杂化轨道分布图具有一个肥大的正瓣，这一区域大大有利于成键轨道之间的重叠。而且杂化轨道空间分布合理，降低了成键电子的排斥。2个方面都有利于体系能量的下降。

2、价层电子对互斥理论（VSEPR理论）对轨道形状的推测2.1、价层电子对互斥理论（VSEPR理论）：

对于一个ABm型分子（或离子），围绕中心A原子的价层对子对（包括成键电子对和未成键的孤电子对）的空间分布是受静电相互作用所支配。电子对之间尽可能互相远离，这样斥力小，体系趋于稳定。

2.2、A原子价层电子对数的确定：

[A原子价层电子数 + B原子提供的用于形成共价单键的电子数（双剑、三键均按生成一个单键考虑）]/2

若是阴离子，电子数要加阴离子电荷数，阳离子则要减去。

B是H或卤素元素，每个原子提供一个共用电子。

B若是是氧族元素，规定不提供共用电子。

四氯化碲TeCl4分子：Te有6个价层电子，加上4个Cl提供的共用电子，中心Te原子价层电子数等于10，对数为5。

SO42-离子：S有6个价层电子，规定O原子不提供共用电子，加上离子电荷数2，中心S原子价层电子数等于8，对数为4。

2.3、VSEPR理论推测分子形状：

判断非过渡元素化合物的分子（或离子）的几何构型是相当成功的。价层电子对数在4以内，未发现例外；价层电子对数为5、6时，发现个别例外；价层电子对数为7以上时，中心不单一，出入较大；步骤：1、确定中心原子的价层电子对数

2、确定价层电子对对应的最佳分布构型：2直线、3平面三角、4正四面体、5三角双锥体、6正八面体。

3、依据价层电子对相互作用斥力大小选出最稳定布局。依此布局将配位原子排列在中心原子周围。

电子对之间斥力大小：孤-孤＞孤-成＞成-成

按照力学分析，很好理解。

2个同等力作用1个点，稳定结构是直线，夹角180度。

3个同等力作用1个点，稳定结构是平面，夹角120度。

4个同等力作用1个点，稳定结构是（正四面体、平面正方体等），正四面体夹角109.5度。

5个同等力作用1个点，稳定结构是三角双锥体

6个同等力作用1个点，稳定结构是正八面体

3、常见的sp杂化轨道

3.1、sp1杂化轨道：

同层2个sp原子轨道（部分sp轨道）重新整合成2个等价轨道（2个轨道最合理的结构是组成一个平面，夹角180度，只能是直线型）。同层2个电子，进行化合时，2个电子重新分布，

典型化合物氯化铍BeCl2

3.2、sp2杂化轨道：

同层3个sp原子轨道（部分sp轨道）重新整合成3个等价轨道（3个轨道最合理的结构是组成一个平面，夹角120度）。

同层2个电子，进行化合时，2个电子重新分布，

典型化合物氯化铍BeCl2

3.3、sp3杂化轨道：

同层4个sp原子轨道（全部sp轨道）重新整合成4个等价轨道（立体上，4个轨道最合理的结构是组成正四面体，夹角109.5度，当有孤对电子时，由于作用力改变，夹角有稍小）。

同层4个电子，C元素，等性杂化。典型化合物甲烷CH4，进行化合时，4个电子重新分布。

同层5个电子，N元素，不等性杂化。典型化合物甲烷NH3，进行化合时，5个电子重新分布。其中2个电子已经占有1个轨道，能量稍低，称孤对电子。另外3个轨道形成3个N-H键。孤对电子对其他3个轨道斥力较强，使3个键的夹角为107.3度。

同层6个电子，O元素，不等性杂化。典型化合物甲烷H2O，进行

化合时，6个电子重新分布。其中4个电子已经占有2个轨道，能量稍低，称孤对电子。另外2个轨道形成2个O-H键。孤对电子对其他2个轨道斥力较强，使2个键的夹角为105度左右。

杂化轨道判断公式如下：（括号内为举例，以下均以CO2为例）

k=m+n

当k=2 sp杂化

k=3 sp2杂化

k=4 sp3杂化

其中n值为ABn中的n，与中心原子结合的原子数（此时n是CO2中的2）(中心原子：按字面意思理解，就是分子形成是被当做中心的原子，CO2的中心原子为C)

m=(e-nd)/2

m：孤电子对数(指未成键电子）

e：中心原子价电子数（价电子数就是最外层电子数，C碳的e=4）

n：和上面的n是同一个值

d：与中心原子结合的原子最多能接收的电子数（与中心原子结合的原子指O氧原子，最外层差2 个电子排满，此处d=2）

于是，CO2的k=2+(4-2*2)/2=2

故CO2是sp杂化

必须是ABx型才弄用此判断方法，金刚石Sp3 正四面体石墨sp2 平面六边形需要记住

SO32-，中心原子S提供6个电子，氧不提供，两个负电荷等于两个电子，所以电子数为8，即为4对，sp3杂化

硫酸根，分析步骤同上，也是sp3

碳酸根，C提供4个，氧不提供，加两个负电荷，6电子，3对，sp2杂化

硝酸根，N提供5个，氧不提供，加一个负电荷，6电子，3对，sp2杂化

中心原子杂化轨道类型

一、根据分子的空间构型判断

根据杂化轨道理论，中心原子轨道采取一定的杂化方式后，其空间构型和键角如下：

杂化轨道类型杂化轨道空间构型键角

sp 直线形180°

sp2 平面三角形120°

sp3 正四面体109．5°

由此，可以根据分子的空间构型或键角来判断中心原子轨道的杂化方式。

例如一些常见的简单分子的结构都是熟

悉的，C2H2、CO2为直线型分子，键角为180°，推断其C 原子的杂化轨道类型为sp；C2H4 、C6H6为平面型分子，键角为120°，推断其C 原子的杂化轨道类型为sp2；CH4、CCl4为正四面体，键角109．5°，推断其C 原子的杂化轨道类型为sp3。

还可以扩展到以共价键形成的晶体，如：已知金刚石中的碳原子、晶体硅和石英中的硅原子，