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如何用最通俗的语言解释「轨道杂化理论」?

下学期开了一门有机化学,只要出现什么 sp 杂化轨道就懵了 在此求助
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我来尝试写个高中生就能理解的回答,锻炼自己说人话的能力…

首先,我想强调,杂化轨道是非常伟大的,但是有极大局限性的理论。我可能这么说不太合适,但是本质上,因为杂化轨道理论并不正确,实无必要深究,了解一下就可以了

这就好比卢瑟福通过散射实验,提出原子中心有一个原子核,电子是绕原子核运行的行星模型一样。

伟不伟大?简直惊为天人一样伟大!正不正确?会心一笑也就过去了。过了初中化学,基本没有人会再用行星理论分析了。

言归正传,回到杂化轨道上来。

局限性在哪?

比如氧气O2是怎么成键的?为什么是顺磁?杂化轨道根本解释不了。

CH4光电子能谱为什么是两个峰?不是四个键等同吗?那应该是一个峰才对啊!杂化轨道理论还是解释不了。

甲烷几何模型
甲烷光电子能谱

水也是一个道理,按杂化轨道,应该是两个峰,(一个OH,一个O上的孤对电子)。但是实际会观察到4个,为什么?

如果说一个理论连这么简单,这么基础的问题都不能很好的解释,我个人认为也实在没必要深究。

//教科书不敢讲,因为编写者有历史负担,不敢乱说话。我这里也就是一家之言,觉得知乎属于非学术场合,可以乱讲两句,换正式场合,打死我也不敢这么说,我绝对狂吹杂化轨道理论…

了解其伟大的历史背景,和背后蕴含的思考问题的方式方法,也就够了。这才是最宝贵的财富

理解杂化轨道,要看历史背景。当年薛定谔横空出世提出了薛定谔方程,玻尔通过解氢原子,提出了原子轨道的概念,简直强无敌!眼看化学就要被纳入到物理学的一个小分支了,没什么可以研究的了。甭管什么性质,一算便知。

但是很快,他们发现,在处理稍微复杂一点的分子时,就遇到了巨大的困难。

这个稍微复杂一点的分子就是甲烷。是不是很无语?这么简单的一个分子,居然就可以难到当时全世界最聪明的一群大脑。而比这复杂得多的体系,简直数不胜数。可见,化学离做完善,还早得很…

回到这个小问题。具体来讲,按照玻尔解出的原子轨道,碳原子的第二层,应该有4个轨道和4个电子,即1个s,3个p,同时,s和p是非常不一样的,2个电子在s,另外两个电子分别在两个p上。

甲烷,CH4,C和4个H分别成键,而且4个C-H键完全等同,这就很奇怪了。

因为C虽然可以提供4个轨道(1个s, 3个p)和4个电子参与形成四根键,但是s和p轨道不一样呀!应该形成两组C-H键,且两组比例为1:3才对呀!

杂化轨道理论就是为了解释这个问题,打的一个补丁。即认为1个s和3个p均匀混合了,形成了4个等同的sp3轨道,每个轨道上1个电子,总数正好也是4个电子,4个轨道,再参与成键。所以甲烷中,四根C-H键等同,玻尔的原子轨道理论没问题。

到这里,其实杂化轨道理论的核心就结束了。

伟大之处不再赘述,毕竟拿了诺贝尔奖,强无敌。具体可见其它回答和教科书。

局限性也一眼可见。

首先,只处理了sigma键。pi键,以及引入过渡金属后更复杂的成键体系怎么办?还有,比如简单的硼烷分子,B2H6,其中的B-H-B的三中心两电子键怎么用杂化轨道理论解释?没辙。

其次,完全违背了群论的思想。还是以甲烷为例,这是一个完全对称正四面体分子,所以是Td点群,那么根据群论知识,应该有T2和A1两组轨道,这才是符合光电子能谱两组吸收峰的解释。杂化轨道不可能推出两组轨道的。

至于更被广泛使用的前线轨道HOMO,LUMO这些,杂化轨道更是完全没有涉及。

总之,杂化轨道的伟大让人赞叹,但是,毕竟是一个快100年前提出的理论了。有更好的现代化学工具,也要学会使用,不要纠结于一个有着历史局限性的理论死磕不放。


编辑于 2018-06-25 06:46

通俗归通俗,基本的科学性不能少。这种打基础的问题我不建议拿一些看起来生动形象却离题万里的例子来说明,不然后面再掰回来会很难受。不知道题主是大学生还是高中生,我尽量写的易懂一些吧……


拿甲烷CH4举个例子:初中化学就说了,C原子外层有4个电子,为了形成稳定性的8电子结构,还需要跟4个H原子形成共价键,共享4对电子,生成了稳定的CH4结构。

那么问题来了,这4个H原子要怎么成键呢?

这就是杂化轨道理论想要解决的问题。


如果每一层的电子都在原子外部球对称的分布,那自然皆大欢喜,四个H原子都放在球面上,然后根据斥力形成最稳定的四面体结构即可【假装有图】。

然而高中化学告诉我们,每一层电子内部,同样是要分不同轨道的(注1)。

同样是第二层电子,里面也是要分2s和2p的。并且这些不同的轨道形状各异,能量也不同【假装有图】。


内层的2s2轨道能量低,球对称,但是很遗憾已经填满,无法成键。

稍微靠外一点的2p有三条轨道2px2py2pz,有两条当中各有一个电子,另外一条为空。三条轨道相互正交,能量相等,且高于2s轨道的能量。

在不发生杂化的情况下,我们能够用来拿出一个电子成共价键的只有两条含有单电子的2p轨道(注2),这样生成的CH2自然是不稳定。



那怎么办呢?

唯一的办法就是从2s轨道中激发出一个电子放在2p的空轨道中(注3)。

原本2s2 2px1 2py1 2pz0的轨道就变成了2s1 2px1 2py1 2pz1。

这样一来,就有了四条含有孤电子的轨道用来成键——

且慢,这还没完。


量子力学会告诉你,这样形成的CH4非常不稳定。毕竟内层的2s轨道参与了成键,需要将其中的一个H原子塞的离这个C的原子核非常近。



而稳定的情况,当且仅当这四条C-H键等同的情况下。

也就是通过电子云的叠加,2s与2p轨道发生杂化,形成四条等价的sp3轨道的情况下。



而与此同时,通过杂化,能量平均化,本来能量较高的2p轨道能量也得到降低,更有利于成键。


这样一来,四条能量较低的,含有孤电子的轨道产生了。

这便是轨道杂化理论。


才疏学浅,有问题欢迎指出,有需要再配图。


注1:主量子数角量子数电子云什么的高中是不是还没学到?那我就先不说了。

注2:暂且不考虑孤对电子配位的情况下。

注3:电子激发需要能量,但是这个能量远小于成键所释放的能量,因此已然可以发生。

编辑于 2017-10-12 18:45

说在前面:

1.很多专业名词我尽量翻译成中文

但是由于我在美国念的书 我真的不知道很多单词的中文翻译 真的不是故意装逼啊或者怎么的 大家见谅…

2.题主说要用通俗的解释 所以我的回答专业性或者深度可能没那么高 更多是科普性质的 我觉得题主也没有想指望特别特别深的理解 其实讲深我是可以讲深的 大牛们不要喷我就好~

一句话来说

杂化理论就是一种描述原子成键方式的理论

你问我这个理论是真的嘛?

答:不存在的!科学家YY出来的!

补充:其实很多情况下我们量子化学的一些理论 都是创造出来去解释一些现象 当然都有道理 都有弊端

比如Crystal Field Theory (CFT)就是为了填补Lewis Bond Theory在金属配合物这方面失效的空缺

但是它把一切都给看成了离子键 所以也不能说完全的准确吧 只能是说一个填补了另一个的弊端 看你解决问题的时候怎么顺手就用哪一个理论 大概是这样的…

首先在学习杂化理论之前

我们需要简单了解几个别的理论 其实题主在大一第一或第二学期化学课肯定学过 那么我们来做一个小复习

1. Lewis Structures 刘易斯结构式

简单来说 画刘易斯结构式时

就是把原子间所有的成键都看成有好大家分的共价键的理论 可以说是非常共产主义了!

把你们所有的电子交出来

目标是让所有原子都开心的拥有8个电子

如果不行 就让电负性最强的原子先拥有8个电子

其他的电负性不高的原子呢 再用双键三键想想办法

当然 就像对于一个蛋糕 分给八个人 肯定有不同的切法 但是最平均的切法自然是最好的 大家都不会打架

所以最后就是通过画出共振结构

使整个分子所带的形式电荷(FC)最低

这样 刘易斯电线式就画好啦~

你可能会说 哎?这不是挺好的嘛 解释得不错呀

真的这样嘛?让我举几个例子:

首先是我们的水分子:

先看看最外层电子 把电子都交出来

然后再把八个电子放在电负性最强的O旁边

最后掏出两对电子和氢原子成键

让氢原子也开心的拥有两个电子(最外层满)

这么一二三步走下来 emmm没什么大毛病啊?

等一下!水怎么是平的呀?

键角呢?说好的极性分子呢?

这个疑问1.先放在这里

我们看看另一个例子 更复杂一点的:

一样的 先把电子都拿出来

一人八个分给电负性最高的O

N的电子不够 双键来凑

最后算算形式电荷 看看咱们的结构对不对

到了第三步最起码咱们看起来都还是好的吧 没毛病

但是这个时候二号氧和三号氧不服气了

我们和一号氧比起来是缺胳膊还是少腿儿了?

为啥让他成双键不让我们成啊?

因为这三个氧原子间没有本质的区别

所以科学家们YY了一套共振结构 如第四步

(N的FC后两个结构忘记写上了 抱歉)

让三个氧原子轮流成双键

但是你是不是会觉得还挺扯的?三个结构用哪个?哪个对?而且旋转一下其实没有什么区别吧?

怎么解决这个问题 这算是疑问2. 我们放在这里

(补充:这个算是一类共振了之后区别不大的 形式电荷没有任何变化 但是有很大一部分分子 存在好几种结构 共振了之后形式电荷分布会发生变化 这个时候单个原子上形式电荷少的我们认为是主要结构)

2. Early Valence Bond Theory 早期价键理论

这个就得回到我们最基础的波动函数上了

就一条:电子的配对可以使分子整体能量降低

所以你也可以把它理解成电子的配对法~

咱们来看看H2氢气的VBT 应该怎么分析

点点和叉叉分别代表Ha和Hb的电子

因为俩电子本身没啥区别

所以换一下位置都要多写一个波动方程

最后的一个波动方程(NC都是常数)

是综合了右上角四种情况分析了这整个化学键的根本

看起来特别的严谨 一目了然 靠谱 讲道理

非常中规中矩的一个分析方法

我也不用再多做什么解释了

但你们也看到了 麻烦 氢气分子尚且如此

那更大的分子咱们怎么办啊?

所以VBT一般适用于双原子分子或者三原子分子

更别提大pi键啊delta键什么的 我可能能算到明天

(虽然换一个别的电子多的我都不想算了)

然鹅除此之外 针对这个理论还有一个更大的问题

这个理论把电子们都想的太老实了

VBT打造的模型是一个定域轨道

强行让电子们自旋反平行 配对形成化学键

可是你考虑过电子的感受吗!电子他太累了!

他不想反平行了!毕竟我们都是带负电的啊!

把我们放到一条轨道上还是有斥力的呀!

你想过这些吗!你没有!你的心里只有你自己!

(好了好了戏精模式off)

通俗易懂的来说 这个理论有时没有考虑到如何让能量最低化(我不知道自己这么解释对不对 可以来指正我~)一味的迎合电子的配对 而忘了洪特规则关于能量最低化的一些规定

那我们怎么解决这个问题呢 疑问3. 放在这里

3.VSEPR Theory 价层电子对互斥理论

这个理论的英文全称也是非常迷醉

Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory

放在大一如果老师考我这个理论的全名我可能会崩

这个理论解释了刚刚我们的疑问1.

为啥水分子的lewis structure应该是弯曲的

这个理论只对于前两主族的p-block 元素有用

但考虑到题主现在在学有机大概 所以不用考虑配合物那些劳什子了真幸福 这个理论还是管用的!

这个理论阐述了在空间中一个分子的3D构型

每个原子 和孤电子对 都想离对方尽可能的远

毕竟浑身负电子 谁都看谁不爽想打一架

把他们安排的好了 才能达到一个很稳的低能量态

就是所谓的键角比如我们耳熟能详的甲烷109.28度的键角 水分子108.5度的键角 二氧化碳180度的键角

知道了coordination number(中心原子上连了几个东西)和孤对电子数 我们就能马上画出这个分子的大致形状了~

补充:具体的键角角度可以通过量子力学的方法算出来 当初刚学量子力学的时候我算过甲烷的 还是挺麻烦的 VSEPR可没有这么大能耐 只能大概告诉你分子的形状~

4. Hybridization Theory 杂化理论

放到最后说是因为经过了前面的铺垫 你大概应该可以知道咱们要用杂化理论解决什么问题了

1. 可以让VSEPR打辅助 画出一个比较形象的分子的3D结构

2. 解决了sigma键(pi键跟杂化没有什么关系)在中心原子连接同样的原子的时候 本质上这个键和那个键没有什么区别

3. 解决了能量上的问题 两个轨道py交易出来一个能量在两个轨道中间的杂化轨道 岂不美哉

具体的操作 咱们还是通过例子来说吧

BeCl2,sp杂化,直线分子

顾名思义就是一个s和一个p轨道的杂化

打破了之前的固有想法 也就是VBT里的定域轨道理论

s的电子就得在s上老老实实的待着

而是形成了两个sp这种神奇的轨道

两个电子不成对的放在上面 满足了洪特规则对能量最低化的要求 使体系能量更稳定

也增加了成键的可能性

空手多出了两个能成键的轨道 岂不美哉?

(王司徒摊手.jpg)

注解我直接写在上面了 主要是懒

但是本人字儿不好看 所以看不懂的都来问我…

更多的杂化模型 我想高票回答已经讲的很清楚了

题主感兴趣的话可以去看看 也可以根据我这个方法 自己画一画其他简单的杂化轨道

比如BH3的sp2 水分子的sp3

当然 杂化理论也解决了除了上面提到的三个疑问

也还有很多别的好处

记得之前咱们说不管是VSEPR还是VBT Lewis Structure都加了一句 只对前两行主族元素管用

那是因为进入了金属 特别是过渡金属 有了d 甚至f轨道了之后 电子越来越多 valence electron越来越多 electron shielding越来越弱 更不要提6s 轨道能量的骤减 镧系收缩这些不按常理出牌的东西了

然而杂化理论对于金属配合物依然很好使!

而且是判断分子构型的利器~

对于群论来说 使用杂化理论对分子进行分析也是必不可少的第一步!

以上~

编辑于 2017-10-15 12:52

本来我一个原子当单身狗好好的,但是在社会压力下(其他原子),我被迫无奈地改变了自己(杂化纯粹是外界环境造成的)。

我一个碳原子,本来外层有一个s轨道,三个p轨道,层次分明,一个人好开心!有一天,我身边出现了四个氢原子,她们非常活泼,在我身边转来转去,各种暗送秋波。好吧,我也很想跟她们一起愉快地玩耍。但是有一个事情,我不可能用一个s轨道跟一个氢原子结合,然后用三个p轨道跟另外三个氢原子结合,因为她们长的一模一样,我实在没法区别对待她们(因为能级,对称性都不匹配)。我要和她们在一起,就必须要改变自己。自力更生,亲自动手,将自己的一个s轨道和三个p轨道共四个轨道混合,形成了新的四个轨道,这四个轨道我都叫他sp3轨道,这四个轨道一模一样,然后,我又在四个轨道上各放了一枚电子,完美!这下好了,四个氢原子觉得公平了,满意了,她们纷纷拿出她们的电子,跟我杂化轨道上的电子自旋相反纠缠在一起,完成生命的大和谐,别人叫我们这个family是CH4。

编辑于 2018-02-21 22:58

题主可能不知道,杂化轨道理论本身就是一种很通俗的语言了。

原子轨道本来就是人类在探索原子结构由于当时认知有限提出的不完整概念。电子在轨道中运动在现在看来不是非常正确。但是原子轨道理论在解释化学键的形成上有着非常直观的好处。


杂化轨道理论:本质上是为了解释成键理论和分子构型所提出的。

sp杂化:为了形成化学键,s-p轨道之间相互影响,变成数量相等的杂化轨道。其意义在于,通过杂化、改变轨道取向以及电子在杂化轨道上的重新排布,使得某些轨道上能量降低,更有利于成键。


其物理基础在哪?波函数的叠加性。


本质上是一种形象的解释理论,如果要深究,薛定谔方程走起,那样就不通俗,过于抽象了。


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编辑于 2017-10-11 11:10

如果上過普通化學或者化學原理,你應當是知道,電子是可以用波函數描述的吧。

原子中電子的波函數是通過Schrödinger方程解出來的

我們只考慮定態Schrödinger方程(時間項到最後乘上去就可以了,其實不乘也無所謂)

\left[ \frac{-\hbar^2}{2m_\mu}\nabla^2 + V(\mathbf{r}) \right] \Psi(\mathbf{r}) = E \Psi(\mathbf{r})

對於類氫原子,寫法及初步解法如下圖所示

得到球諧函數的解為

{Y_{l,m}} ({\theta} ,{\phi}) = {N_{l,m }}{ P_l }{ ^\mid }{^m} {^\mid} {(cos {\theta} ) }e{^ i} {^m }{^\phi}

徑向函數的解為

之後將對應的相乘就可以得到某一特定n(能量), l(軌道角動量), m(l在z軸的投影即角度取向)下的一個特解。

為什麼前面有個係數,因為波函數要歸一化,也就是在全空間上出現的總概率要等於1

\int_{}^{} \psi^* \psi\ d\tau=1

我們知道,特解的波函數可以描述電子的運動狀態,同樣,將它們任意線性組合之後得出的通解也可以描述其運動狀態,這就是雜化軌道理論的來源

以sp雜化為例


(經 @zarathustra 提醒,是 |det(c)|=1

下面的那一堆東西是正交歸一化的條件


如果是等性雜化,那麼可以得出

\psi_1 = (\psi_s+{\psi_{p_0}})/\sqrt {2}

\psi_2 = (\psi_s-{\psi_{p_0}})/\sqrt {2}

然後你就可以代入上面的波函數計算了,你會發現差不多就是你看到的那個“軌道”

不知這樣回答題主清楚了沒有。

编辑于 2019-12-01 21:33

首先,你要知道原子核外的电子是什么样的,以量子力学即大学化学的观点看,电子不再仅仅是像绿豆那样的实物粒子,它同时也是波,是电子云。电子像苍蝇那样绕着原子核运动,速度非常快,没有确定的位置,没有固定的轨道,电子在一段时间内运动轨迹就是电子云,电子云有不同的形状,有球形,哑铃型,蝴蝶型,分别对应s,p,d原子轨道;但是电子在原子核附近出现的概率是不同的,离核越近,概率越大,电子云颜色越深。两原子相互靠近,电子云就会出现重叠,电子在重叠区域出现概率更大,重叠的电子云使两原子的核连接的更加紧密,这就是化学键形成的量子力学解释。

上面是铺垫,下面解释杂化轨道

以C原子为例,价电子层有一个s轨道,三个p轨道(内层满电子,又可看做原子实,不用考虑),s轨道为球形电子云,p轨道是三个相互垂直的哑铃型电子云,这四个原子轨道都有一个中心,就是碳原子核;这四个原子轨道是同时存在的;根据量子力学的假设四,如果s,px,py,pz均是微观体系的可能状态,那么这四个原子轨道的线性组合也是体系的可能状态;这四个原子轨道线性组成四个相同的等性杂化轨道(即s,px,py,pz前面的系数是相等的。)。简单的的说,就是原来的四个原子轨道,变成四个新的杂化轨道,目的是能分别与四个氢成键,成空间正四面体结构,正四面体是空间各向同性的(二氯甲烷只有一种);同理,sp2杂化,一个s轨道2个p轨道,杂化成三个sp2杂化轨道,sp2是平面各向同性的,三个轨道在一个平面内,分别成120度角;sp杂化,则是直线型的两个轨道。

编辑于 2016-04-20 07:30

周末写Proposal好烦忧,刚好回答一下这个问题。

首先我们要清楚一点,s轨道也好,p轨道也好,都是人为定义的。我们通过解原子的薛定谔方程,解出一系列本征态,然后通过对简并轨道进行线性组合,构造出对称性高的本征态,也就是spdf轨道。本来如果没有其他原子的干扰,电子开心地在某个轨道上玩耍,比如H原子的电子处于s轨道上。但是由于有了其他原子或者外力场的作用,电子被挤兑地不能在原来的s轨道上了,而是要既在s轨道上,又在p轨道上,那么我们就不能用原来的一套模式(s,p)来描述电子的轨道了,而是要用s和p的线性组合(如sp3,sp2)来描述电子的状态。

什么?不够通俗?那你只要记住:没有外界干扰的时候和有外界干扰的时候电子所处的态(称之为轨道)会不一样,目的是保证电子一直处于能量最低的状态。

编辑于 2017-10-09 08:24

这个东西吧,你有好的物理基础,很容讲明白。没有的话,通俗地讲了也只能半知半解。

如果有原子物理、线代、数理方法的基础,就去学习量子力学啊,不过不是很轻松。


有了量子力学之后,我们是用电子云来描述电子在不同位置出现的几率,用波函数描述电子的状态。单原子的‘轨道’对应于单原子的波函数,当原子形成分子或晶体时,电子的状态必然受到近邻原子的作用而产生微扰,这时我们要用新的波函数来描述分子或晶体中的电子状态,这个新的波函数就是之前波函数的线性叠加,“杂化轨道”就对应于新的叠加后的波函数。所谓的轨道杂化就是电子云的交叠。


先复习下基础知识

我们先看看S轨道和P轨道长啥样

晶体由原子组合而成
* 原子互相靠近会形成化学键
成键主要是由原子外层电子间的相互作用 轨道物理学解释
* 晶体的几何构型(主要指局域结构) 由组成晶体原子的电子波函数的相互作用(交迭)决定
  • s电子杂化为sigma轨道
  • p电子杂化为pi轨道(*号代表反键态)
  • 一号栗子——sp杂化(线性)

s轨道各占1/2

• 线性:两个轨道夹角180度

  • 2号栗子——sp2杂化(平面)
  • 3号栗子——sp3杂化(四面体)

反正就是这个样子啦,简单。其它的spd杂化都一样。

先写这些


——————————————更新一下

有人觉得不通俗啊,这不很简单的嘛,一看就明白。非得搞得和那个高赞和棒子面和白面一样,你和个成键态的馒头还凑活,你怎么给我和个反键态的出来。

编辑于 2017-10-12 18:30

原子为什么要轨道杂化?因为他懒啊!

1.什么是轨道杂化?

简单说,就是大佬牺牲自己也要带带萌新(你人还怪好的哩!)
某原子成键时,在键合原子的作用下,价层中若干个能级相近的原子轨道有可能改变原有的状态,混杂起来并重新组合成一组有利于成键的新轨道,称为杂化轨道。


在形成分子的过程中,由于原子间的相互影响,在单个原子能量相近的两个电子亚层中,能量较低的一个或多个电子会激发进入能量较高的电子亚层中,即跃迁现象,此时,另外的一个或多个原来处于较高能量的电子亚层的电子释放一部分能量,使其所具有的能量减少与跃迁电子相同,这时,这些电子的轨道便混杂在一起,重新形成一个新的轨道,这就是杂化。
可以直接看图哦↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓。

2.为什么要杂化?


假如我是原子
对于原子轨道来说,为了更好的成键
杂化后原子轨道几何形状发生改变,电子云在某一方向会更加集中,更容易与其他原子完成最大重叠,更易成键,键能更高。


假如我是分子
对于分子体系来说,为了更稳定
这个世界的底层运行规律就是慢慢变懒(低能量,稳定状态),所以,为什么杂化,因为他懒啊!当分子内的轨道完成杂化,原子间的电子云达到最大重叠,相比杂化前,电子的可活动空间明显变小


为什么会这样,因为能量低了。相比杂化之前整个体系的能量低了能量低了电子就不愿意动了,不活泼了,也不想出去玩了,活动空间就变小了;也不爱激动了,对外界刺激也就没有那么敏感了也就真的稳定了(这个理解角度在分析机理时帮过我很多次,实名感谢!)

3.怎么杂化?


杂化过程并不是原子先将轨道杂化好再与另一个原子成键(虽然我们经常这样分析机理),是当两个原子间形成化学键时,出现电子云的转移,两个原子的电子云会重合在一起,然后集中分布在其中间形成分子轨道,电子云要经历重新分配,分布在两个原子的周围,电子云的几何形状发生改变,同时化学键生成这个重新分配的过程就可以理解为轨道杂化的过程

4.轨道杂化的特点

  1. 只有在形成分子的成键过程中,中心原子中能量接近的原子轨道才会发生杂化未成键原子不发生杂化。
  2. 杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠,即杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道的成键能力增强,形成的化学键的键能大。
  3. 杂化所形成的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目
  4. 杂化轨道的空间构型取决于中心原子的杂化类型。

5.常见杂化举例

sp杂化轨道:是1个s轨道与1个p轨道杂化形成2个sp杂化轨道。两个sp杂化轨道的夹角为180º,空间构型:直线型分子

SP2杂化轨道:是一个原子的1个S轨道和2个P轨道之间进行杂化,形成3个SP2杂化轨道。3个SP2杂化轨道的夹角为120°,sp2杂化形成平面三角形结构分子

SP3杂化轨道:是一个原子的1个S轨道和3个P轨道之间进行杂化,形成4个SP3杂化轨道。4个SP3杂化轨道互成109.5°角,sp3杂化形成正四面体结构分子

6.杂化方式判断


先整一个公式法


当价层电子对数=2时,SP杂化;
当价层电子对数=3时,SP2杂化;
当价层电子对数=4时,SP3杂化。


举个栗子+举个栗子


以NH3为例,中心原子主族序数5,σ键3,π键0,形式电荷0,价层电子对数4,SP3杂化。
以吡啶中的N为例,中心原子主族序数5,σ键2,π键1,形式电荷0,价层电子对数3,SP2杂化。


再说几句废话
对于有机化学来说,这个公式可有可无,有机一共就那么几个元素,碳氢氧氮磷硫,平时的积累和交流,或者看看其他人分享的资料,很快就掌握了这么几种杂化,基本能做到大多数杂化一眼看出,特殊情况特殊分析。

7.轨道杂化理论的局限性

杂化轨道理论常常用于解释简单的成键形式,但也仅仅用于解释简单的成键形式,而对于成键方式复杂的化合物则无能为力。所以,轨道杂化只是化学的基础理论,存在一定的局限性,但它仍然能为我们分析问题提供很好的思路和工具,也是分子轨道,前线轨道等理论的前置条件,还是值得花时间学习一下的。

编辑于 2023-12-14 08:04

你妈妈要蒸4个馒头,蒸1个棒子面的和3个白面的,结果你不爱吃棒子面的,那你只能吃3个白面的。你妈妈想了个办法,把这棒子面和白面掺起来整了4个馒头,你就都爱吃了.这就是s-p杂化.

以前在贴吧看到的,感觉很形象LOL

编辑于 2017-10-09 20:04

两家公司(原子)要合并成一个集团,公司的中层领导(轨道)得重新安置一下才能让员工(电子)正常运转好好工作啊。

怎么分配呢?

第一,中层领导都有自己的位置

第二,两家公司的中层相互配合合作带团队

第三,各个同等规模的团队间的分配尽量平衡

第四,用最稳定的结构来构造新的组织

编辑于 2022-03-07 22:43

通俗是第一要务,因为很多人没有通俗就没法理解,科学性问题对于专业的人来说后面自己会改正过来,对不专业的人来说不改也无伤大雅了,毕竟杂化轨道不是什么生活常识级别的东西,瑕疵不影响理解。

最简单的例子就是甲烷。

科学家发现二氯甲烷只有一种,也就是说无论氯取代哪两个位置,得到的产物都相同。

这就意味着,这碳上面的四根键是一模一样的,中间一个碳,四根一模一样的键,相互之间排斥力相同,键长相同,就组成了正四面体。

而根据C原子的外层电子构型:2s2 2p2,s轨道和p轨道的形状是一个球和三个纺锤型,凑在一起是个八爪鱼一样的形状,怎么也不能确保它是正四面体。

所以鲍林猜测,他们之间发生了一种变化,迫使轨道变形重组了。

于是他就对着甲烷琢磨,他突然好奇,碳的外层是2S和2P轨道,2S是填满的两个电子,2P轨道是两个单独的电子,这样的话,S轨道不缺电子,P轨道只缺两个,一个碳是怎么和四个氢形成共价键的?

他大胆猜测,是因为本来装满两个电子的S轨道上,其中一个电子跃迁到了P轨道上,这样就变成了S轨道差一个,P轨道三个位置各有一个的场面。

这样的话就可以组成四根共价键了。

但是这样依然会导致其中一个氢和S轨道那个电子连接时与其他氢不同,所以鲍林猜测,这个时候发生了杂化过程。

简单来讲,杂化过程就是把S轨道和P轨道的能量融合在了一起,然后又平均的分成了四份。

举一个幼儿园就学过的例子。

有四个氢原子来碳原子家吃饭,碳原子家有三个大面团和一个小面团,而碳原子这个时候招待客人,需要平等对待四位,所以它把三个大面团(p轨道)和那个小面团(s轨道)混到一起,然后平均分成了四份(四根一样的共价键)。

而由于这里用到了三个P轨道和一个S轨道,所以我们称之为SP3杂化。

SP2杂化和SP杂化也顾名思义,SP2是一个S轨道和两个P轨道融合分三份,例如BF3,SP就是一个S轨道和一个P轨道融合分两份,简单来讲是用来杂化的轨道数量名称。

杂化轨道理论就是这么个过程,但是由于推理过于粗暴,是属于看结果反推过程,所以是有很大瑕疵的。

还不懂的,可以看看这个视频 BV1QT411V725,我大概就是把他的意思说了一遍,但是他讲的有图,详细直观一点。

发布于 2022-06-08 18:49

讲道理,理科学习中你应该养成用严谨、解析的语言或者数学描述知识的习惯,而不是用通俗的语言、比喻类比之类的东西。这种东西科普看看可以,但是如果拿这种东西来给你的知识体系打基础,上层必然一坨翔。

每一条科学理论都是有它的严格的内涵和外延的,这种精确性是它作为理论价值高低的最主要标杆,姑且不论探索、验证,如果连阅读理解都做不到,最好还是别学这些了。

发布于 2017-10-10 06:46

这个东西用通俗的语言讲,就是大家都想在城里住好房子,那怎么办。只好大家挤在一起咯!

发布于 2017-10-09 16:45