如何判断杂化轨道怎么判断 深入解析杂化轨道怎么判断的特点和识别方法？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-09-16 01:37 标签： 杂化轨道怎么判断
杂化轨道（hybridization of atomic orbitals）的实质是一个基于量子力学的理论模型，目的是提供和价层电子对互斥模型（Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory, VSEPR theory）相符的结构。所以在理解杂化轨道之前，首先需要理解价层电子对互斥模型（VSEPR theory）。价层电子对互斥模型的基本理论是由于电子之间互相产生的电子斥力，不论是对于成键电子还是孤对电子，它们之间的距离都要尽量最大化，以保证电子斥力最小化。电子域（electron domain）是以一个中心原子为参考，被和其键合的原子或孤对电子占领的区域，因此电子域数量 = 键合原子数量 + 孤对电子数量。此处不指“成键电子数量”而是“键合原子数量”的原因是，当计算电子域数量时，单键，双键或三键都被算成一个电子域。例如CO2，C和两个O形成了两个双键，但由于C只与两个O成键， 或者说由于一个双键只被看做一个电子域，且C不包含任何孤对电子，因此电子域数量为2。电子域几何（electron domain geometry）是基于围绕某一个原子的电子域的位置。例如CH4以中心原子C为参考，有4个成键电子，0个孤对电子，因此电子域的数量为4。NH3以中心原子N为参考，有3个成键电子，1个孤对电子，因此电子域的数量同样为4。它们的分子几何结构如下。注：[1] [2]发现共同点了吗？虽然CH4和NH3的成键电子数和孤对电子数并不相同，当电子域数量都为4时，电子域几何（electron domain geometry）相同，为四面体（tetrahedral）。和电子域几何相似的还有一个定义叫做分子几何（molecular geometry），这一定义只关注中心原子（central atom）和与之成键的原子（bonded atom）之间相对的几何关系，也就是只考虑成键电子而忽略孤对电子。例如CH4的molecular geometry依旧为四面体（tetrahedral），然而对于NH3来说，由于上图中的孤对电子被忽略，molecular geometry就成了三角锥体（trigonal pyramidal）。电子域（electron domain）和电子域几何（electron domain geometry）的关系如下表所示。分子几何（molecular geometry）在判断杂化轨道时不需要考虑，杂化轨道只和电子域几何有直接联系，因此若仅为理解杂化轨道，可以直接忽略分子几何（molecular geometry）那一列。注：[3]上表中的几何结构图都是基于价层电子对互斥模型，因此当所有成键电子或孤对电子之间的距离最大化时，得到的分子几何结构如上所示。说完价层电子对互斥模型，现在终于要回到杂化轨道。那么杂化轨道是如何提供和价层电子对互斥模型相符的分子几何结构的呢？这里再拿CH4为例子，根据价层电子对互斥模型，CH4为四面体结构（见上面第一图），且此结构已被实验验证。基于量子力学（quantum mechanics），C的电子构型（electron configuration）为1s2 2s2 2p2，因此最外层能量级（energy level）包含的轨道（orbital）有2s，2px，2py和2pz。但是当我们把这四个轨道放在一起，问题出现了……注：[4]CH4的键角（bond angle）约为109.5°，然而上图三个p轨道的指向均为垂直方向。这四个轨道的形状和所指方向和CH4的分子结构并不吻合，因此我们需要把未经杂化的与价层电子对互斥模型相斥的轨道杂化。具体杂化过程涉及波函数（wave function）运算，这里不详述数学运算的经过，感兴趣的话可见 @任浩 老师的回答，怎样理解碳原子sp、sp2、sp3杂化轨道的电子云图？ - 知乎。sp杂化（sp-hybridization）sp杂化涉及一个s轨道和一个p轨道来产生两个sp杂化轨道（刚开始有几个轨道，杂化后就有几个杂化轨道），两个轨道所指的方向互为180°。上图以碳原子的杂化为例，杂化后的sp轨道的能量级处于2s和2p之间。sp杂化轨道的指向根据杂化前的p轨道的指向而定，若是px被杂化，则指向为x方向，同理，若py被杂化，则指向为y方向。另外两个没有被杂化的p轨道的指向垂直于杂化后的sp杂化轨道（例如px被杂化后，没有被杂化的py和pz垂直于sp杂化轨道）。sp杂化后的结构结果和价层电子对互斥模型得到的两个电子域的分子几何结构图相符。sp2杂化（sp2-hybridization）sp2杂化涉及一个s轨道和两个p轨道来产生三个sp2杂化轨道，两个轨道所指的方向互为120°。上图以碳原子的杂化为例，杂化后的sp2轨道的能量级处于2s和2p之间，更加接近2p。sp2杂化轨道的指向同样根据杂化前的p轨道的指向而定，若是px和py被杂化，则指向为x和y方向，同理，若py和pz被杂化，则指向为y和z方向。另外一个没有被杂化的p轨道的指向垂直于杂化后的sp2杂化轨道（例如px和py被杂化后，没有被杂化的py垂直于sp2杂化轨道）。sp2杂化后的结构结果和价层电子对互斥模型得到的三个电子域的分子几何结构图相符。sp3杂化（sp3-hybridization）sp3杂化涉及一个s轨道和三个p轨道来产生四个sp3杂化轨道，两个轨道所指的方向互约为109.5°。上图以碳原子的杂化为例，杂化后的sp3轨道的能量级处于2s和2p之间，比sp2杂化轨道还要更加接近2p。sp3杂化后的结构结果和价层电子对互斥模型得到的四个电子域的分子几何结构图相符。总结：电子域数量（number of electron domains）-- 2 键角（bond angle）-- 180° 杂化轨道（hybridization of orbitals）-- sp 杂化轨道数量（number of hybrid-orbitals）-- 2电子域数量（number of electron domains）-- 3 键角（bond angle）-- 120° 杂化轨道（hybridization of orbitals）-- sp2 杂化轨道数量（number of hybrid-orbitals）-- 3电子域数量（number of electron domains）-- 4 键角（bond angle）-- 109.5° 杂化轨道（hybridization of orbitals）-- sp3 杂化轨道数量（number of hybrid-orbitals）-- 4那么如何判断杂化轨道呢？理解杂化轨道后再判断就非常容易了。由于杂化轨道提供和价层电子对互斥模型相符的结构，只要把分子的路易斯结构（Lewis structrue）画出来，数电子域（以中心原子为参考，与其键合的原子数量 + 孤对电子数量）就好了。非中心原子的孤对原子数不需要考虑。sp包含两个轨道，因此电子域为2时即为sp杂化；sp2包含三个轨道，因此电子域为3时即为sp2杂化；sp3包含4个轨道，因此电子域为4时即为sp3杂化。例：CO2，2个电子域，sp杂化；CH4，4个电子域，sp3杂化；NH3，4个电子域，sp3杂化。希望有帮助。[1]: Methane, CH4 Lewis and Three-Dimensional Structures. Digital image. N.p., n.d. Web. 21 May 2017. <http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/plCH4.htm>.[2]: NH3 Three-Dimensional Structures. Digital image. N.p., n.d. Web. 21 May 2017. <http://www.peoi.net/Courses/Coursesen/chemorg/Resources/ballgob-fig04_x024.jpg>.[3]: Beazley, Peter. "Lewis Structures & VSEPR Theory." Chemistry Course Materials (IB). Halifax Grammar School, n.d. Web. 21 May. 2017.[4]: Ibid.

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