什么是“原子杂化轨道”?为什么要杂化?

2023-03-16 16:21:18   文档大全网     [ 字体: ] [ 阅读: ]

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什么是“原子杂化轨道”?为什么要杂化?

在形成分子的过程中,由于原子间的相互影响,若干类型不同而能量相近的原子轨道相互混杂,重新组合成一组能量相等,成分相同的新轨道,这一过程称为杂化。经过杂化而形成的新轨道叫做杂化轨道,杂化轨道与其他原子轨道重叠时形成σ共价键。原子在形成分子的过程中,为了使所成化学键强度更大,更有利于体系能量的降低,总趋向于将原来的原子轨道进一步线性组合,以形成新的原子轨道。

价键理论对共价键的本质和特点做了有力的论证,但它把讨论的基础放在共用一对电子形成一个共价键上,在解释许多分子、原子的价键数目及分子空间结构时却遇到了困难。例如C原子的价电子2s22p2,按电子排布规律,2s电子是已配对的,只有2p电子未成对,而许多含碳化合物中C都呈4价而不是2价,可以设想有1s电子激发到p轨道去了。那么1s轨道和3p轨道都有不成对电子可以形成4个共价键,sp的成键方向和能量应该是不同的。而实验证明:CH4分子中,4C-H共价键是完全等同的,键长为114pm,键角为109°28'BCl3BeCl2PCl3等许多分子也都有类似的情况。为了解释这些矛盾,1928年鲍林(Pauling)提出了杂化轨道概念,丰富和发展了的价键理论他根据量子力学的观点提出:在同一个原子中,能量相近的不同类型的几个原子轨道在成键时,可以互相叠加重组,成为相同数目、能量相等的新轨道,这种新轨道叫杂化轨道。C原子中12s电子激发到2p后,12s轨道和32p轨道重新组合成4sp3杂化轨道,它们再和4H原子形4个相同的C-H键,C位于正四面体中心,4H位于四个顶角。 杂化轨道种类很多,如三氯化硼(BCl3)分子中Bsp2杂化轨道,即由1


s轨道和2p轨道组合成3sp2杂化轨道,在氯化铍(BeCl2)中有sp杂化轨道,在过渡金属化合物中还有d轨道参与的sp3dsp3d2杂化轨道等。以上几例都是阐明了共价单键的性质,至于乙烯和乙炔分子中的双键和三键的形成,提出了σ键和π键的概念。如把两个成键原子核间联线叫键轴,把原子轨道沿键轴方向“头碰头”的方式重叠成键,称为σ键。把原子轨道沿键轴方向“肩并肩”的方式重叠,称为π键。例如在乙烯(CH2= CH2)分子中有碳碳双键(C=C),碳原子的激发态中2px2py2s形成sp2杂化轨道,这3个轨道能量相等,位于同一平面并互成120℃夹角,另外一个pz轨道未参与杂化,位于与平面垂直的方向上。碳碳双键中的sp2杂化如下所示。

3sp2杂化轨道中有2个轨道分别与2H原子形成σ单键,还有1sp2轨道则与另一个Csp2轨道形成头对头的σ键,同时位于垂直方向的pz轨道则以肩并肩的方式形成了π键。也就是说碳碳双键是由一个σ键和一个π键组成,即双键中两个键是不等同的。π键原子轨道的重叠程度小于σ键,π键不稳定,容易断裂,所以含有双键的烯烃很容易发生加成反应,如乙烯(H2C=CH2)和氯(Cl2)反应生成氯乙烯(ClCH2CH2Cl)

乙炔分子(C2H2)中有碳碳叁键(HCCH)激发态的C原子中2s2px轨道形成sp杂化轨道。这两个能量相等的sp杂化轨道在同一直线上,其中之一与H原子形成σ单键,另外一个sp杂化轨道形成C原子之间的σ键,而未参与杂化的pypz则垂直于x轴并互相垂直,它们以肩并肩的方式与另一个Cpypz形成π键。即碳碳叁键是由一个σ键和两个π键组成。这两个π键不同于σ键,轨道重叠也较少并不稳定,因而容易断开,所以含叁键的炔烃也容易发生加成反应。 杂化轨道限于最外层电子而在第一层的两个电子不参与反应,而在其他层


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