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。

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年鲍林和斯莱脱(Slater)在电子配对理论的基础上，提出了杂化轨道理论(hybrid orbital theory)，丰富和发展了现代价键理论。

1、杂化轨道理论的基本要点原子在形成分子时，为了增强成键能力，同一原子中能量相近的不同类型（s、p、d…）的几个原子轨道可以相互叠加进行重新组合，形成能量、形状和方向与原轨道不同的新的原子轨道。

这种原子轨道重新组合的过程称为原子轨道的杂化，所形成的新的原子轨道称为杂化轨道。

注意：①、只有在形成分子的过程中，中心原子能量相近的原子轨道才能进行杂化，孤立的原子不可能发生杂化。

②、只有能量相近的轨道才能互相杂化。

常见的有：ns、np 、nd；(n-1)d 、ns、np；③、杂化前后，总能量不变。

但杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠，即杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道的成键能力增强，形成的化学键的键能大。

这是由于杂化后轨道的形状发生了变化，电子云分布集中在某一方向上，成键时轨道重叠程度增大，成键能力增强。

④、杂化所形成的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目，亦即杂化前后，原子轨道的总数不变。

⑤、杂化轨道的空间构型取决于中心原子的杂化类型。

不同类型的杂化，杂化轨道的空间取向不同，即一定数目和一定类型的原子轨道间杂化所得到的杂化轨道具有确定的空间几何构型，由此形成的共价键和共价分子相应地具有确定的几何构型。

☆什么叫杂化？同一原子的能量相近的原有的原子轨道“混杂”起来，重新组合形成新轨道的过程，叫做杂化。

☆什么叫杂化轨道？新组合的原子轨道叫做杂化轨道。

☆为什么要杂化？杂化轨道形成的化学键的强度更大，体系的能量更低。

☆杂化的动力：受周围原子的影响。

☆为什么杂化后成键，体系的能量降低？杂化轨道在一个方向上更集中，便于轨道最大重叠。

☆杂化轨道的构型决定了分子的几何构型：杂化轨道有利于形成σ键，但不能形成π键。

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。

分子结构(Sp杂化类型,化学键,共价键理论,价键理论,概念)【知识引入】杂化轨道理论（hybrid orbital theory）杂化轨道理论（hybrid orbitaltheory)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。

按参加杂化的原子轨道种类，轨道杂化有sp和spd两种主要类型，分为sp,sp2,sp3,dsp2,sp3d,sp3d2,d2sp3,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和不等性杂化。

【正文】（一）杂化轨道理论的基本要点1．在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中参加成键的几个能量相近的原子轨道可以进行混合，重新分配能量和空间方向,组成数目相等的新原子轨道。

这种轨道重新组合的过程称为轨道杂化，简称杂化。

所组成的新原子轨道叫做杂化轨道。

2．杂化轨道之间互相排斥，力图在空间取得最大的键角，使体系能量降低。

原子轨道杂化以后所形成的杂化轨道更有利于成键。

因为杂化后原子轨道的开头发生了变化，如s轨道和p轨道杂化形成的杂化轨道，使本来平分在对称两个方向上的p轨道比较集中在一个方向上，变成一头大一头小，成键时在较大一头重叠，有利于最大重叠。

因此杂化轨道的成键能力比单纯轨道的成键能力强。

（二）杂化轨道类型根据原子轨道的种类和数目不同，可以组成不同类型的杂化轨道。

这里我们只介绍s轨道和p轨道之间的杂化。

1．Sp杂化一个s轨道和一个p轨道杂化可组成两个sp杂化轨道。

每个sp杂化轨道各含有1/2s和1/2p成分。

两个杂化轨道夹角为180°。

两个sp杂化轨道的对称轴在同一条直线上，只是方向相反（图4-12）。

因此sp杂化轨道又叫直线形杂化轨道。

图4-12 sp杂化轨道的形成图4-13BeCL2分子型2．sp2杂化一个s轨道和两个p轨道杂化可组成三个sp2杂化轨道。

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。