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10.7:

原子轨道的杂化方式 II

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Chemistry
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Hybridization of Atomic Orbitals II

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三角双锥、正八面体 和其他分子形状可以 通过假设 3d 轨道 参与杂化过程来解释。五氯化磷分子 呈三角双锥状,含有 5 个价电子。磷利用 3s 轨道、三个 3p 轨道 和一个 3d 轨道形成五个 参与磷-氯键的 sp3d 杂化轨道。六氟化硫具有正八面体结构,含有 6 个价电子。硫的 3s 轨道、三个 3p 轨道 和两个 3d 轨道 构成了六个等价的 sp3d2 杂化轨道。这六个 sp3d2 轨道在硫周围形成正八面体结构,并参与硫-氟键的 形成。杂化的概念 也为多重键的形成提供了解释。两个 p 轨道的肩并肩重叠 产生 pi(π)键。然而,pi(π)键只有在 两个原子之间已经存在 sigma(σ)键的情况下 才能在双键和三键中形成。由于 pi(π)键位于核间轴的 相对两侧,因此 pi(π)键 无法围绕该轴旋转。在乙烯分子中,两个碳原子 都呈 sp2 杂化。碳原子的一个 s 轨道和两个 p 轨道的混合 产生三个相同的 sp2 杂化轨道,一个 p 轨道保持未杂化。碳-碳 sigma(σ)键是由两个 sp2 杂化轨道(每个碳原子各提供一个)的重叠形成的。每个碳上的两个碳氢 sigma(σ)键是 由两个 sp2 杂化轨道与氢原子的 1s 轨道 重叠形成的。因此,乙烯分子中形成了五个 sigma(σ)键。碳上未杂化的 2p 轨道 彼此肩并肩重叠,产生 pi(π)键。所有六个原子都位于同一平面上,因此 2p 轨道可以有效重叠。因此,乙烯中的双键由 一个 sigma(σ)和一个 pi(π)键组成。乙炔的三键和线性几何结构 可以利用 sp 杂化进行解释。两个碳原子的 2s 和 2p 轨道 进行杂化,分别产生两个 sp 轨道,而两个 p 轨道保持未杂化。一个 sp 轨道与另一个碳原子 形成一个 sigma(σ)键,而其余的 sp 轨道 与氢原子形成 sigma(σ)键。这两个未杂化的 2p 轨道是垂直的,且在 sp 杂化轨道的主轴上相交。这些 2p 轨道与另一个 碳原子的 2p 轨道肩并肩重叠,导致形成两个 pi(π)键。因此,乙炔中的三键 由两个碳原子之间的一个 sigma(σ)键和两个 pi(π)键 组成。

10.7:

原子轨道的杂化方式 II

sp3dsp3d 2杂化方式

要描述三相双斜向排列中的五个键轨道,我们必须使用五个价壳层原子轨道 (s 轨道, 三p轨道和其中一个d 轨道) ,其中提供五个sp3d杂化轨道。以六个杂化轨道的八面体排列,我们必须使用六个价壳层原子轨道 (s 轨道, 三 p 轨道和其价壳层中的两个d轨道) ,它提供六个 sp3d 2杂化轨道。 这些杂化方式只能用于价子壳中有d轨道的原子 (即,不能是第一个或第二个周期中的原子)。

在五氯化磷分子 PCL5中,有五个 P-CL 键 (因此磷原子周围有五对价电子) 指向三相双斜面角。 我们使用 3 s 轨道,三个 3 p 轨道和其中一个 3d 轨道来形成 P– CL 键中涉及的五个 sp3d杂化轨道集。 其他表现出 sp3d 杂化方式的原子包括SF4中的硫原子以及ClF3和ClF4+

中的氯原子。  

六氟化硫中的硫原子, SF6 ,显示 sp3d 2 杂化方式。六氟化硫分子有六对键电子,将六个氟原子连接到一个硫原子。 中央原子上没有电子的孤对。 对于键六氟原子, 3 s 轨道,三个 3 p 轨道和两个 3d 轨道形成六个等效的sp3d  2 杂化轨道,每个原子都指向八面体的不同角落。其它原子杂化方式包括: PCl6的磷原子,卤素IF6+, IF5, ICl4, IF4中的碘原子和XeF4中的氙原子。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第8.2节:杂化的原子轨道。