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10.6: 原子轨道的杂化方式 I
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Hybridization of Atomic Orbitals I
 
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10.6: 原子轨道的杂化方式 I

称为波形函数ψ的数学表达包含有关隔离原子中电子的每个轨道和波样性质的信息。 当原子在分子中绑定在一起时,波形函数将组合在一起,生成具有不同形状的新数学描述。 这一组合原子轨道波形函数的过程称为杂化方式,由原子轨道的线性组合以数学方式完成。 结果产生的新轨道称为杂化轨道。

了解原子轨道杂化方式

以下想法对了解杂化方式非常重要:

  1. 杂化轨道不存在于孤立的原子中。 它们仅在共价结合的原子中形成。
  2. 杂化轨道的形状和方向与原子轨道在孤立原子中的形状和方向截然不同。
  3. 通过组合原子轨道生成一组杂化轨道。 集合中的杂化轨道数等于为生成集合而组合的原子轨道数。
  4. 一组杂化轨道中的所有轨道在形状和能量方面都是等价的。
  5. 键合原子中形成的杂化轨道类型取决于几何结构预测的电子对 价层电子对互斥理论(VSEPR)。
  6. 杂化轨道重叠形成 σ 键。 未杂化轨道重叠形成 π μ L 键。

在以下各节中,我们将讨论杂化动力轨道的常见类型。

SP 杂化方式

气态BeCl 2 分子中的铍原子是中心原子的一个示例,该中心原子没有线性排列的三个原子的孤对电子。 BeCl 2 分子中有两个价电子密度区域,分别对应于两个共价的Be–Cl键。为了容纳这两个电子域,Be原子的四个价态轨道中的两个将混合以产生两个杂化轨道。此杂交过程涉及将价 s 轨道与价 p 轨道之一混合,以产生两个等价的 sp 杂化轨道线性几何。 sp 轨道的集合看起来与原始 p 轨道的形状相似,但是有一个重要的区别。组合的原子轨道的数量始终等于所形成的混合轨道的数量。 p 轨道是一个可以容纳两个电子的轨道。 sp 集是指向180°的两个等效轨道。彼此。现在,原来在 s 轨道中的两个电子分布到两个 sp 轨道中,这两个电子是半填充的。在气态BeCl 2 中,这些半填充的杂化轨道将与氯原子的轨道重叠,形成两个相同σ的键。

当原子轨道杂化时,价电子占用新创建的轨道。 原子有两个价电子,所以每个 sp 轨道都有一个电子。 当杂化轨道和氯轨道在生成 Be–Cl 键时重叠时,这些电子中的每一个电子与氯原子上的未配对电子对。

任何一个分子中仅被两个价电子密度区域包围的中心原子都会出现 sp 杂化方式。 其他示例包括线性 HgCl2 分子中的汞原子, Zn(CH3)2中的锌原子 (包含线性 C – Zn – C 排列) 以及 HCCH 和 CO2 中的碳原子。

SP2 杂化方式

围绕着三个电子密度区域的中心原子的价轨道由一组三个sp2 杂化轨道和一个未杂化p 轨道组成。 这种排列是由 sp2 杂化方式产生的,它杂化了一个s 轨道和两个 p 轨道,以在三平面几何结构中生成三个相同的杂化轨道。

观察到的硼烷分子 BH3 的结构表明,该化合物中的硼为 sp2 杂化方式。 该分子是三角平面,硼原子涉及三个键到氢原子。 三个SP2杂化轨道中硼原子的三个价电子将被重新分配,当 B-H 键形成时,每个硼电子对都使用氢电子。

任何围绕着三个电子密度区域的中心原子都会出现sp2杂化方式。 这包括在中心原子上有孤对的分子,如 ClNO ,或连接到中心原子的两个单键和一个双键的分子,如甲醛, CH2O 和乙烯 H2CCH2

sp3杂化方式

被键对和孤对的四面排列所包围的原子的价轨道由四个sp3杂化轨道组成。 杂化的是由一个s轨道和所有三个p 轨道杂化而产生的,它们产生四个相同的sp3杂化轨道。 每个杂化轨道指向四面体的不同角落。

甲烷分子 CH4 由一个碳原子组成,围绕在四面体角落的四个氢原子。 甲烷中的碳原子表现为SP3 杂化方式。 碳原子的四个价电子在杂化轨道中均匀分布,当 C – H 键形成时,每个碳电子对与氢电子对。

在甲烷分子中,四个氢原子中每一个的 1s 轨道与四个碳原子的 sp3轨道中的一个相重叠,形成一个西格玛 (σ) 键。 这导致碳原子和每个氢原子之间形成四个强效的共价键,以产生甲烷分子 CH4

sp3杂化轨道还可以容纳电子的孤对。 例如,氨中的氮原子被三对键和一对指向四面体四角的孤对电子包围。 氮原子经过sp3杂化,由孤对占用一个杂化轨道。

水的分子结构与由两个孤对和两个键对电子组成的四面排列一致。 因此,我们认为氧原子是sp3 杂化的,其中两个杂化轨道由孤对占用,两个由键对占用。 由于孤对占用的空间比键对多,因此包含孤对的结构的键角度与理想的角度稍有偏差。 完美的四面体结构的角度为 109.5° ,但观察到的氨 (107.3°) 和水 (104.5°) 的角度稍小。 sp3杂化方式的其他示例包括 CCl4 ,PCL3 和 NCl3

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第8.2节: 杂化的原子轨道

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