分子杂化轨道

卢忠灿

（贵州理工学院，贵州贵阳 550003）

分子杂化轨道

卢忠灿

（贵州理工学院，贵州贵阳 550003）

鲍林等在1931年从理论上对多原子或者离子的立体结构提出了分子杂化轨道理论。主要就分子杂化轨道理论进行深入的探讨，以期能更好地了解不同物质的不同构型所产生的原因，为进一步观测、研究与改造元素提供支持。

分子杂化轨道；鲍林；元素

1 理论背景

在当时的理论下，诸如甲烷这类化合物的结构，c的外层有两个单电子，按道理甲烷的四个碳氢键应该是不等性的，另外两个键应该是用其他方式和碳原子结合成键的。但是大量的性质表明，这四个键是完全相同的，如若考虑其中2s轨道上一个电子激发到2pz轨道上，它的组成变为2s12px12py12pz1，倒是也可以形成四个C—H键，可是其中三个是由怕轨道电子成键，另一个是由s轨道成键，显然能量不会相等。于是鲍林开始假设，在该情况下碳原子的原轨道并不会维持原有的状态，而是发生一定改变，就此引进杂化的概念，并通过不断的检验的到证实。

2 具体步骤

2.1 激发

激发是指原子由基态变为激发态的过程，依然以甲烷为例子来说，激发主要发生在碳原子这里。2s轨道上的一个电子跃迁到空的2pz轨道上，导致它可以形成四个化学键，这个过程就叫激发。这个过程是需要吸收能量的。

2.2 杂化

在形成分子时，由于原子的相互影响，同一原子内若干不同类型能量相近的原子轨道重新组合成一组新的轨道。这种轨道重新组合的过程叫做杂化。对于甲烷来说，就是激发后的四个轨道能量进行重新分布，使得2s轨道与其他三个2p轨道具有相同的能量，从而形成新的四个完全相同的轨道，即杂化轨道。

2.3 轨道重叠

这里的重叠原则与原子轨道重叠的原则相同，采取最大重叠原则。杂化轨道相较于一般轨道电子分布云更为集中，所以更需要满足原子轨道最大重叠原则。杂化轨道所形成的化学键也比普通化学键要稳定，且不同的重叠原则便决定了分子的不同形状，就如甲烷，它是要四个氢原子分别位于它的四个对称顶点，才是最大重叠，所以甲烷是正四面体结构。

3 杂化轨道类型

3.1 s-p杂化

（1）s-p杂化指的是一个ns轨道和与它能量相近的一个np轨道完成杂化，之后形成化学键。这样的杂化叫s-p杂化。每条轨道含有1/2的s轨道和1/2的p轨道，两条轨道在空间的伸展方向为直线型，键角为180°，具体如Becl2等。

（2）s-p2杂化同上理，指的是一条ns轨道和两条np轨道发生杂化，形成的新的轨道，每条新轨道含有1/3的s轨道和2/3的p轨道，杂化轨道间夹角为120°。空间构型为平面三角形。具体如BF3等。

（3）s-p3杂化是指一条ns轨道和三条np轨道杂化形成的新轨道，每条轨道含有1/4的s轨道和3/4的p轨道，构型为正四面体，轨道间夹角为109°28'，具体例子如CH4等。

3.2 s-p-d杂化

s-p-d杂化是指当s轨道和p轨道的轨道总数不足以提供足够的轨道数用于杂化时，电子会进一步跃迁到能量更高的d轨道，根据d轨道数的不同又可以分为下面几类；

（1）s-p3-d杂化

s-p3-d杂化指的是一条d轨道加入到s-p3的杂化中，形成含有五个等价轨道的新轨道层，空间呈三角双锥形，平面内三个轨道夹角为120°，另外另个和该底面垂直，分位于上下两侧。如PCL5等。

（2）s-p3-d2杂化

s-p3-d2杂化是指的有两个d轨道加入到s-p3杂化中，形成含有六个等价轨道的轨道层，空间呈正八面体形，轨道间夹角为180°，将空间分为相等的八个部分，具体如SF6。

（3）s-p3-d3杂化

s-p3-d3杂化是指有三个d轨道加入到s-p3杂化中，形成含有七个等价轨道的等价轨道层，呈五角双锥形，该类型并不常见，只是从理论上是存在的。

3.3 其他轨道

其实还有一些内部的d轨道个s轨道、p轨道形成的杂化轨道，（n-1）d与ns、np轨道杂化，一般在过渡金属配合物中比较常见。

4 等性杂化与不等性杂化

4.1 等性杂化

等性杂化是指在一组杂化轨道中各轨道的组成相等，能量相等，这样的杂化叫等性杂化，完全重组之前的构造，改变每一个轨道的能量，形成的物质空间构型为正多面体。如BeCL2、BF3、SF6等。

4.2 不等性杂化

如果在杂化过程中，有的轨道上的成对电子并没有分开就直接参加了重组，那么必然和其他只含有一个电子的轨道能量不同，以至于各轨道不相同，这样的杂化轨道叫不等性杂化轨道。形成的物质一般都是变形多面体，非正多面体。如H2O就是最典型的例子。

5 结束语

解释了不同物质的不同构型产生的根本原因，使得人们进一步认识到组成决定结构，结构决定性质这一说法，更是了解到微观世界的奥妙，为进一步观测、研究、改造元素奠定了科学基础，同时也丰富了化学的世界，使得数学的空间构型在化学里得到了运用。

[1] 廖荣宝，朱云，师瑞娟，等.过渡金属和主族元素杂化轨道机制差

异的研究[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2016，（5）：148-151.

[2] 吴海霞，马光路.浅谈杂化轨道理论教学的有效性——基于高职

院校有机化学教学的需要[J].化工管理，2016，（14）：52+54.

Molecular Hybrid Orbital

Lu Zhong-can

Pauling et al.Proposed a molecular hybrid orbital theory in theory for the three-dimensional structure of polyatoms or ions in theory in 1931.In this paper，the molecular hybrid orbital theory is discussed in order to better understand the causes of the different conf i gurations of different substances and provide support for further observation，research and transformation.

molecular hybrid orbital；Pauling；element

O641.1

B

1003–6490（2017）03–0118–02

2017–03–06

卢忠灿（1993—），男，贵州遵义，本科在读，主要研究方向为化学工程与工艺。