2017年度十大游戏佳作:关于乙烯中的杂化轨道

不考虑电子如何排布，应该先讨论乙烯的轨道。乙烯含有两个碳原子和四个氢原子，就碳原子而言，涉及其最外层的2S，2Px，2Py，2Pz四条轨道，其中S轨道和两条P轨道SP2杂化后形成在同一平面内的三条SP2轨道，剩下的那条P轨道垂直于此平面；而氢原子就只有一条S轨道。下面开始成键，碳原子和碳原子通过各自的一条SP2轨道，形成σ键，根据分子轨道理论，因为两个碳原子各贡献一条轨道，因此成键后仍然要存在两条轨道，一条成键轨道（能量低），一条反键轨道；而氢原子的S轨道与碳原子的其它SP2轨道分别形成σ键，同样道理也存在一条成键轨道和一条反键轨道；两个碳原子还各自有一条彼此平行的P轨道，形成π键，当然也有一条成键轨道，一条反键轨道，整个乙烯分子的轨道就是这样构成的，共有5个σ键和1个π键，12条分子轨道，其中成键轨道6条，每条轨道可容纳两个电子。下面分析电子的排布，碳原子最外层4电子，氢原子1个电子，一共12个电子，它们都应该在能量尽量低的轨道中，恰好排满成键轨道，其中氢原子的电子和碳原子的一个电子排在C－Hσ键的成键轨道里，这样氢原子的电子用完了，每个碳原子还剩下两个电子，接着每个碳原子各出一个电子占据C－Cσ键的成键轨道，还有各自一个电子占据C－Cπ键的成键轨道。
以上是我对价键理论和分子轨道理论的理解，仅供参考。

第二节 杂化轨道理论

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，由于原子间的相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函数），可以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的原子轨道，这种轨道重新组合的过程称为杂化（hybridization），杂化后形成的新轨道称为 杂化轨道（hybrid orbital）。
2.杂化轨道的角度波函数在某个方向的值比杂化前的大得多，更有利于原子轨道间最大程度地重叠，因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强。
3.杂化轨道之间力图在空间取最大夹角分布，使相互间的排斥能最小，故形成的键较稳定。不同类型的杂化轨道之间的夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。

轨道杂化类型及实例

按参加杂化的原子轨道种类，轨道的杂化有sp和spd两种主要类型。按杂化后形成的几个杂化轨道的能量是否相同，轨道的杂化可分为等性杂化和不等性杂化。
sp型和spd型杂化
1.sp型杂化
能量相近的ns轨道和np轨道之间的杂化称为sp型杂化。按参加杂化的s轨道、p轨道数目的不同，sp型杂化又可分为sp、sp2 、sp3 三种杂化。
（1）sp杂化
由1个s轨道和1个p轨道组合成2个sp杂化轨道的过程称为sp杂化，所形成的轨道称为sp杂化轨道。每个sp杂化轨道均含有 的s轨道成分和 的p轨道成分。为使相互间的排斥能最小，轨道间的夹角为1800 。当2个sp杂化轨道与其他原子轨道重叠成键后就形成直线型分子。

图9-3 sp杂化过程及sp杂化轨道的形状
（2）sp2杂化

sp2杂化轨道的空间取向示意图

(图9-4 BF3的平面三角形构型和sp2杂化轨道的空间取向)

由1个s轨道与2个p轨道组合成3个sp2 杂化轨道的过程称为sp2 杂化。每个sp2 杂化轨道含有 的s轨道成分和 的p轨道成分，为使轨道间的排斥能最小，3个sp2杂化轨道呈正三角形分布，夹角为1200[图9-4]。当3个sp2杂化轨道分别与其他3个相同原子的轨道重叠成键后，就形成正三角形构型的分子。

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