化学碎碎念（三）现代价键理论和杂化轨道理论

~ 对于共用电子对为何不排斥反而能被两个原子核牢牢吸引？我们不能按照宏观理念去理解。在原子结构中就已经提及，原子轨道其实是一个波函数，是薛定谔方程的一个有意义的解。它的平方称为概率密度，就是在原子核外某空间内电子出现的概率。

分子成键时要满足如下三个原理，这也是现代价键理论的要点：

原子为何要生成分子？无非是为了使能量最低化，那成键时哪种方式可以使能量最低？对于电子有何要求？量子化学研究发现，对成键的两个电子有一定要求，电子的自旋方向必须相反。只有这种情况才可能在两个原子核之间有一个电子云增大区域，同时受到两个原子核吸引，从而成为稳定的共价键。如果自旋方向相同，则在两个原子核之间存在一个节面（推斥态，空白区域），能量有所增大，无法形成稳定的共价键。

不同的原子轨道在空间有不同的伸展方向，电子云重叠时只有一个方向才能满足最大重叠，所以形成的共价键具有一定的方向性。而且对于波函数而言，具有一定的位相，只有同号重叠才能发生波叠加，有利于成键。否则异号重叠，形成节面，能量升高，不利于成键。基于这个原理，对于s轨道只有一种重叠方式，“头碰头”，形成σ键。对于p轨道而言，它有三个不同取向的轨道，一旦某一方向“头碰头”成σ键，另外两个方向只能是“肩并肩”成π键。由于重叠方式不同，键的稳定性和化学活性也不同。σ键比π键稳定很多，所以在有机化学中π键是反应的积极参与者。

每个原子核外电子排布中，总有一定数量的单电子。现代价键理论认为，每个原子成键的多少与本身原子内的单电子数目有关。如，O核外有两个单电子，所以它最多能形成两根键;N核外有三个单电子，所以N最多能形成三根键。如NH3。而稀有气体如He,Ne原子核外电子都成对，没有单电子，所以不会形成化合物。这就体现了共价键的饱和性，即每个原子能形成共价键的数目是有上限的，而不是无限的。

但是成也萧何，败也萧何。这里的共价键的饱和性听起来很有道理，但也会遇到跟多无法解释的共价分子的挑战。按照电子配对原理，碳（C）的最外层只有两个单电子，按理只能形成类似CH2或CCl2这样的分子，可在日常实验所用的化学试剂中，却出现甲烷（CH4），CCl4等物质。这是怎么回事？像这样的情况可不是个例，而是比比皆是。如B族元素，按照现代价键理论，应该只能形成一个共价键;Be核外电子都成对了，怎么会有BeCl2分子存在。还有P和氮一样，应该只有PCl3啊，可它为何还有PCl5存在呢？太奇怪了？！

为了解释这些情况，Pauling就提出了杂化轨道的假设。它认为一个原子内能量相近的轨道有可能发生混杂，不再是纯粹的s轨道或p轨道，而是出现sp，sp2……等各种形式的杂化轨道。而且杂化前后的轨道数目不变;只有能量相近的才能杂化;杂化后原子轨道电子云更加集中，形成一头大一头小的角向分布。这样的形式更有利于发生头碰头的成键方式，也就是说杂化轨道形成的键只能是σ键，而不再有肩并肩的成键模式。而形成分子的分子构型也发生变化，有各种各样的空间构型，这些构型的形成与杂化类型有关。

不同的杂化类型提供的杂化轨道数目不同，它的分子几何构型也不同。巧合的是，这里杂化后提供的轨道数目，与VSEPR计算的价层电子对正好吻合。由此根据价层电子对数目，可以推测分子杂化轨道类型。

而且这两个理论正好互相补充。价层电子对互斥理论可以预测主族单个分子的空间几何构型，利用杂化轨道理论可以解释其形成过程。真是珠联璧合，相得益彰。

根据现代价键理论，氨和水的键角应该是90°，可实际上远远偏离90°，而是接近于sp3杂化的109.5°。由此可以推测它们分子的形成也应该是由杂化轨道成键。由于O、N杂化时其杂化轨道中电子组成不同（有单电子和成对电子），所以它们属于不等性杂化。正是这些成对电子（孤电子对）的存在，使它们的键角发生偏离等性的sp3杂化所形成的正四面体的键角。

所以对于常用的杂化类型，主要有sp系列三种，sp、sp2、sp3；还有两种有d轨道参加的sp3d和sp3d2杂化。对于这两种杂化类型，只有第三周期（含第三周期）以后的元素才有可能发生。对于第二周期主族元素，只有sp系列杂化。所以在有机化学中，碳的杂化类型，就是sp系列杂化。

杂化和价层电子对互斥理论很好解释了分子的空间几何构型。利用现代价键理论解释了共价键的形成过程。但是对于氧气应该都成键的分子中检测出有磁性，这些理论都无法解释。因为按照这些理论而言，氧气中不再有单电子，怎么会有磁性！所以势必要有新理论产生，去解释氧气有磁性问题。

这个理论就是分子轨道理论。

2020.11.17晨

既然写了，就有始有终吧

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榕江县13839542917： 现代价键理论,杂化轨道理论和分子轨道理论有什么关系 - ？
师易重组：[答案] 现代价键理论不能解释一些事实,如CH4是正四面体,而碳只有两个未成对电子,就有了杂化轨道理论 杂化轨道理论不能解释一些事实,如氧分子为什么有顺磁性,就有了分子轨道理论 或者说:分子轨道理论的简化就是杂化轨道理论,而杂化轨道...

榕江县13839542917： 价键理论,杂化轨道理论有什么联系 - ？
师易重组：[答案] 这两个理论共同构建了现代共价键理论,两者联系紧密,比如价键理论中的一个分支价层电子对互斥理论就可以辅助判断杂化的类型.同时这两个理论有互补有的价键理论无法完全解释的杂化轨道可以解释.教材上有举例.希望对你有帮助.望采纳

榕江县13839542917： 价键理论和杂化轨道理论有什么区别,什么时候如何考虑 - ？
师易重组： 楼主不要过分拘泥于书上的话语,事实上这些东西都是假说,而且都是很不成熟的假说,当初林纳斯鲍林发展价键理论的时候写了一本书,叫做化学键的本质,当时的认识就是价键就是原子轨道波函数的叠加形成的轨道,这个理论相当于一种定...

榕江县13839542917： 化学杂化轨道理论是什么 - ？
师易重组： 杂化轨道理论(hybrid orbital theory)是1931年由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. 杂化轨道理论的要点: 1.在成键过程中,由于原...

榕江县13839542917： 什么叫轨道杂化?(化学的) - ？
师易重组： 杂化是同种原子,在能量相近的情况下,平均混合而形成的新的原子轨道其他的不太了解,只学过SP3的情况SP3轨道杂化有正四面体,三角锥型和V型比如CH4就是一种SP3的正四面体轨道,因为电子的迁移,形成了西格玛键.

榕江县13839542917： 杂化方式怎么判断? - ？
师易重组： 判断杂化方式的方法如下: 判断杂化类型:根据价电子对互斥理论(VSEPR理论),判断中心原子的价层电子对数,根据价层电子对数确定杂化类型.查看杂化后的分子形状:根据杂化方式,判断分子的形状.如sp杂化是直线形,sp2杂化是平面三角形,sp3杂化是正四面体形.查看共价键的种类:根据共价键的种类,可以判断是何种杂化方式.例如,如果分子中只有sigma键,则中心原子是sp杂化;如果分子中有pi键,则中心原子是sp2或sp3杂化.查看杂化轨道的方向:根据杂化轨道的方向,可以判断是何种杂化方式.例如,如果杂化轨道是沿某一直线方向的,则中心原子是sp杂化.希望以上信息能帮助您判断杂化方式.如果还有其他问题,请随时告诉我.

榕江县13839542917： 杂化轨道S P D那些解释 详细一些 - ？
师易重组： 杂化轨道理论是为了解释分子结构而提出的,原子轨道通过杂化之后,成键能力增强, sp 杂化轨道,一个S轨道与1个P轨道杂化而成,杂化后的轨道180°,以杂化轨道成键的分子也就是直线,如 BeCl2, sp2杂化,1个S和2个P轨道,形成3个杂化轨道,轨道的轴之间呈120°, 分子呈 三角形,如BF3,SO3 sp3 杂化,1个S,3个P轨道,形成4个杂化轨道,角度109°28',分子呈正四面体.如CH4

榕江县13839542917： 什么是＂杂化＂,可不可以举例详解？
师易重组： 杂化理论是一种解释原子形成分子的微观理论,进而还可以解释分子的构型,分子的极性等 比如 CH4,如果按照经典的价键理论,C原子最外层只有2个单电子,那么只能与2个H原子形成C-H,分子式就应该是CH2,C不满足8电子结构.而实际上,最稳定的结构是CH4,并且4个C-H排列成正四面体的.运用杂化轨道理论,C的最外层4个轨道 (2s和2p),采取sP3杂化,形成4个等同的轨道,相互之间夹角为109°28'. 4个H原子再与4个杂化轨道形成4个C-H,因此 CH4是正四面体构型,非极性分子比如 水分子中O,NH3中的N 是不等性sp3杂化,具有未共用电子对 BF3中的B, SO2中的S 都采取 sp2 ,因此分子是 正三角形

榕江县13839542917： 杂化轨道是什么意思? - ？
师易重组： 简介 杂化轨道理论(hybrid orbital theory) 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、...

榕江县13839542917： 谁能清楚地说说杂化轨道理论啊..实在不知道怎么判断 - ？
师易重组： 双建就是sp2杂化