杂化轨道理论解释部分分子的结构
杂化轨道理论对烃类分子结构的解释
【拓展实践】杂化轨道理论对烃类分子结构的解释基态的碳原子最外层上只有2个成单电子，根据共价键的饱和性，1个碳原子应该只能与其它原子形成2对共用电子.可是为什么有机化合物中碳总是四价(形成了4对共用电子对）呢?同样是由碳原子和氢原子构成，为什么甲烷是正四面体结构，而乙烯和苯是平面结构？乙炔则又成为直线型结构呢?为解决这样的问题,科学家提出了电子跃迁说和轨道杂化学说。
1．电子跃迁2s 22p 2是碳原子的基态电子排布,但碳参加化学反应时，首先要吸收一定的能量，这样会使2s 亚层上的一个电子能量升高而跳到2p 亚层上去（下图中的“过程1”），这样的话，就使得碳原子最外层上的成单电子数变为4个，解释了碳在有机化合物中的4价（可以形成4对共用电子对）问题。
2．sp 3杂化电子跃迁说虽然解释了有机物中碳呈4价的问题，可是还不能很好地解释为什么甲烷分子中的碳原子呈正四面体结构的问题。
因为即使发生了电子跃迁后，碳原子最外层的四个电子并不完全等价的，从共价键的方向性来看，它们分别与氢的1s 电子云重叠时，不可能正四面体型的空间结构.为此，科学界认为，跃迁后的轨道要先行“杂化”,再与氢原子或其它原子结合成键.甲烷分子中，是1个2s 轨道与3个2p 轨道全部发生杂化（叫sp 3杂化,见上图中的“过程2”,“杂化”可通俗地认为是轨道能量、形状的平均化）。
由于s 轨道的形状是球形，p 轨道的形状是纺锤形,故sp 3杂化轨道兼有s 轨道和p 轨道（球形和纺锤形)二者的模样,见下图:4个杂化轨道在空间最稳定的取向是，其小的一头（表示电子云密度较小）朝向内部,而大的一头(表示电子云密度大）则朝向外边，4个大头指向空间正四面体的4个顶点（上图右）。
这样，根据共价键的方向性原则,当氢原子与发生sp 3杂化后的碳原子成键时，氢原子的1s 电子云总是要沿着sp 3杂化轨道电子云密度最大方向来与其发生电子云重叠，于是就形成了具有正四面体结构的甲烷分子。
空间构型
孤对电子-孤对电子 ＞ 孤对电子-成键电子 ＞ 成键电子-成键电子
b. 在ABn中，若A与B之间通过双键或叁键结合时，则按单键处理。
实验内容
1.根据杂化轨道理论判断分子或者基团的空间构型
种 类 BeCl2 BCl3 [Zn(NH3)4 ]2+, CCl4 NH3 H2O [FeF6]3－
杂 化 类 型 键角
sp
180° 直线
sp2
120° 平面三 角
sp3
109°28 ′ 正四面体
不等性sp3 不等性sp3
107°18 ′ 三角锥 104°30 ′ 角(V)形
sp3d2
90° 正八面体
分子的几何 构型
2.价电子对数与理想几何构型关系
价层电子对数 2 3 平面三角形 4 120° 价层电子对的理想几何排 排 布 型 式 布 :－A－: 直 线 形 角 度 180°
价电子对数=（5+1×4-1）/2=4）； 如果是阴离子，价层电子总数应加上阴离子的电荷数，例如，PO43-， 价电子对数=（5+0+3）/2=4。
b. 如果是阳离子，价层电子总数应减去阳离子的电荷数，例如，NH4+，
(3) 价电子对数与理想几何构型关系
理想几何构型: 中心原子的价层电子对全是成键电子对。
空间结构的画法，以a为例
Cl
a
最后，判断空间构型
找出不同类型电子对之间排斥作用数（选90°） （a）（b）（c） 90°孤对电子对—孤对电子对排斥作用数 90°孤对电子对—成键电子对排斥作用数 90°成键电子对—成键电子对排斥作用数 0 6 6 1 3 2 0 4 2
最后，判断空间构型
排斥作用数越多排斥越大，此结构就越不稳定，在上述
杂化轨道理论的发展历程
杂化轨道理论的发展历程杂化轨道理论是分子轨道理论的一个重要组成部分，用于解释和预测分子的几何结构和化学性质。
本文将回顾杂化轨道理论的发展历程，介绍关键的里程碑事件，并讨论其在化学研究和应用中的重要性。
1. 量子力学的奠基20世纪初，量子力学的建立为理解原子和分子结构提供了基础。
通过量子力学理论，科学家们开始研究和解释原子中电子的分布和行为。
2. 原子轨道理论在量子力学框架下，波恩、德布罗意和薛定谔等人提出了原子轨道理论，用于描述单个原子中电子的运动。
在原子轨道理论中，电子存在于离散的能级上，每个能级又分为不同的轨道。
3. 分子轨道理论的兴起随着对原子轨道理论的深入研究，科学家们开始思考如何将其扩展到分子层面。
在20世纪初，围绕分子结构的研究逐渐兴起，而分子轨道理论应运而生。
4. 杂化轨道理论的初步提出1922年，海耳和路易斯首次提出了杂化轨道理论的初步概念。
他们认为，在分子形成过程中，原子轨道可以通过混合形成新的杂化轨道，从而适应分子中电子的排布和化学键的形成。
5. 杂化轨道的类型和性质随着对杂化轨道理论的进一步研究，科学家们发现了不同类型的杂化轨道，包括sp、sp2和sp3杂化轨道。
这些杂化轨道具有不同的性质和几何结构，可以解释分子的形状和键的角度。
6. 杂化轨道理论的实验验证杂化轨道理论的提出并不仅限于理论推导，更需要通过实验进行验证。
一系列实验结果证实了杂化轨道理论对分子几何结构和化学性质的解释能力。
其中包括分子光谱、晶体结构分析和化学键能的测定等。
7. 杂化轨道理论的应用杂化轨道理论在化学研究和应用中具有广泛的价值。
例如，它可以应用于有机化合物的构象预测、键合性质的分析以及反应机理的探究。
此外，在催化剂设计和材料科学领域也有重要的应用。
8. 杂化轨道理论的局限性和发展趋势虽然杂化轨道理论在解释分子结构和化学键的形成方面非常成功，但它仍然存在局限性。
随着实验技术的进步和计算化学的发展，新的理论和模型被提出来完善和补充杂化轨道理论。
杂化轨道解释
杂化轨道解释
杂化轨道是指原子中的各个电子轨道（s、p、d等）在化学键
形成过程中重新排列和重新组合形成的一系列新的轨道。
原子中的电子在形成化学键时，会发生轨道重叠，电子会重新排列在空间中形成新的轨道，这些轨道被称为杂化轨道。
杂化轨道的形成可以通过薛定谔方程进行计算。
在计算过程中，原子的电子云会被重新组合成一些新的轨道，这些新的轨道与原来的轨道具有不同的性质和形状。
最常见的杂化轨道包括sp、sp²和sp³轨道。
例如，在形成氨分子（NH₃）的化学键时，氮原子的一个2s
轨道和三个2p轨道会发生杂化，形成四个新的sp³杂化轨道，这四个轨道平面形成一个四面体。
杂化轨道的形成可以解释很多分子的几何结构和化学性质。
通过杂化轨道的探讨，可以帮助我们理解分子中原子之间的键合和空间排列。
杂化轨道理论在化学中得到广泛应用，是解释分子结构和反应机理的重要工具。
杂化轨道理论在无机化学中的应用
杂化轨道理论在无机化学中的应用杂化轨道理论是无机化学中的重要理论之一，它描述了原子核周围的电子在形成化学键时如何重新组合其轨道。
本文将探讨杂化轨道理论在无机化学中的应用，并就其在配位化合物、晶体结构和反应机制等方面进行具体分析。
1. 杂化轨道理论简介杂化轨道理论最早由保罗·迪拉克提出，旨在解释化学键的形成和分子的几何结构。
该理论认为，原子核周围的电子通过重新组合其自身的轨道，形成能够在化学键形成中发挥作用的新轨道，即杂化轨道。
杂化轨道可以分为sp、sp2和sp3等不同类型，每种类型对应于不同的轨道重叠方式和几何结构。
2. 杂化轨道理论在配位化合物中的应用配位化合物是无机化学中的重要研究对象，杂化轨道理论在解释其结构和性质方面发挥着关键作用。
以d轨道杂化为例，过渡金属离子的d轨道可以与配位体的p轨道重叠形成配位键。
通过杂化轨道理论，我们可以预测配位化合物的几何构型、配位键的强度和配位体的配位方式。
3. 杂化轨道理论在晶体结构中的应用晶体结构是无机化合物中的另一个重要方面，杂化轨道理论可以解释晶体中的离子排列和离子键的形成。
根据杂化轨道理论，由s轨道和p轨道杂化而来的sp3杂化轨道可以形成简单离子键，从而解释晶体中的离子排列；而由d轨道和p轨道杂化而来的杂化轨道则可以形成复杂离子键，使得晶体结构具有更复杂的几何形态。
4. 杂化轨道理论在反应机制中的应用杂化轨道理论不仅可以解释化学键的形成和结构，还可以揭示化学反应的机制。
例如，在配位反应中，原有的配体与金属离子的配位键断裂，新的配体与金属离子形成配位键。
通过杂化轨道理论，我们可以分析和预测反应中的中间体和过渡态，并进一步理解反应机制。
综上所述，杂化轨道理论在无机化学中的应用非常广泛，无论是在配位化合物、晶体结构还是反应机制的研究中，都发挥着重要作用。
杂化轨道理论的应用不仅能够帮助我们理解无机化学现象的本质，还对材料科学和催化化学等领域的发展具有重要意义。
杂化轨道基本理论和结构
能量最低原理
• 不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是 尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨 道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。也 就是尽可能使体系能量最低。
洪特规则
• 在等价轨道(指相同电子层、电子亚层上的各个轨 道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自 旋方向相同。后来经量子力学证明，电子这样排 布可能使能量最低，所以洪特规则也可以包括在 能量最低原理中。
• 2. 孤立的原子不可能发生杂化，只有在形 成分子的过程中才会发生。
• 3. 在杂化前后，原子轨道的数目保持不变。
• 4. 条件不同，杂化轨道类型可能不同。
sp3 杂化
• 这是用一个2s轨道和三个2p轨道进行的杂化，故称 为sp3 杂化。与基态轨道相比，杂化轨道具有以下 特点：
• a). 能量相等，成分相同（1/4s轨道和3/4p轨 道）； b). 杂化轨道的电子云分布更集中，可使成键轨 道间的重叠部分增大，成键能力增强； c) sp3 杂化轨道在空间尽量伸展，呈最稳定正四 面体型，轨道夹角109°28′。 sp3 杂化又称为正四 面体杂化。
共轭 键与键的重叠，使电子离域,体系稳定。
共
轭 p-共轭 p轨道与键的重叠，使电子离域,体系稳定。
共轭体系（conjugated system）是指分子中发生电子离域 的部分，可以是分子的一部分或是整个分子。共轭体系有以下 几类：
（1）π-π共轭：在链状分子中，凡双键、单键交替排列的 结构都属此类。
1.4 共价键的属性
σ键和π键
共价键具有方向性。按照成键的方向 不同，分为σ键和π键。 σ键和π键是两 类重要的共价键。
σ键
在甲烷分子中，存在四个等同的C-H 键，碳原子采取sp3 杂化。取一个杂化 轨道进行分析
杂化轨道理论与VSEPR理论对分子空间构型判断的比较
杂化轨道理论与VSEPR理论对分子空间构型判断的比较大学的第一篇课程论文，为写好这篇论文，学会了不少东西——用数据库查文献，编辑公式，上标、下标，英文的摘要，论文的基本格式摘要：介绍了用杂化轨道理论与价层电子对互斥理论（VSEPR理论）判断分子空间构型的基本要点以及理论之间的不足。
相对而言杂化轨道理论应用的范围较广，但VSEPR理论在判断和预言分子空间几何构型方面仍有重要意义。
二者的结合运用将有助于提高判断分子空间结构的准确性。
比较二者的不同更有利于我们理解。
关键词：杂化；斥力；孤对电子；电子的空间构型在价键理论解释分子的空间结构遇到困难的时候，L .Pauling和J.C.Stater于1931年提出了杂化(hybridization)的概念，以完善和发展价键理论。
之后，N.V.Sidgwick和H.Powell 于1940年前后提出价层电子对互斥理论（valence shell electron pair repulsion，简称VSEPR 法）。
虽然不少教材都对这两种理论作了介绍，但很少把二者相比较起来。
在解释同一个分子的空间构型时，很少从两种理论的不同角度去分析。
笔者认为用两种不同的理论去对同一个分子的空间结构做出解释时，更能有效地比较二者的优缺点，从而加深对它们的认识。
1 杂化轨道理论1.1 杂化轨道理论的内容要点Pauling从原子的价电子构型出发，依据电子的波动性以及波的可叠加性，认为中心原子在与其他原子形成分子时，由于其他原子的影响，中心原子中能量相近的不同类型轨道（s,p,d,…）会发生杂化，形成同等数目的杂化轨道。
在杂化过程中，中心原子的部分轨道上的电子被激发到空轨道上，成单电子增多，杂化之后易于形成多个化学键。
成键时，杂化轨道与邻近原子的原子轨道发生重叠，成键的能力增强，整个分子体系的总能量降到最低，使分子能稳定存在。
所以，原子轨道的杂化是可能的，也是必须的。
对于分子AX n，将A和X从基态激发到价态所需的能量叫价态激发能（P.E.），如P sp 即表示从s轨道激发一个电子到p轨道所需的能量。
【干货】中心原子杂化轨道类型的判断方法
【干货】中心原子杂化轨道类型的判断方法！杂化轨道理论能解释大多数分子的几何构型及价键结构。
在使用该理论时，首先必须确定中心原子的杂化形式，在未知分子构型的情况下，判断中心原子杂化轨道类型有时比较困难。
本文总结几种高中阶段判断中心原子杂化轨道类型的方法。
一、根据分子的空间构型判断根据杂化轨道理论，中心原子轨道采取一定的杂化方式后，其空间构型和由此，可以根据分子的空间构型或键角来判断中心原子轨道的杂化方式。
例如：学生对于一些常见的简单分子的结构都是熟悉的，C2H2、CO2 为直线型分子，键角为180°，推断其 C 原子的杂化轨道类型为sp；C2H4 、C6H6 为平面型分子，键角为120°，推断其 C 原子的杂化轨道类型为sp 2；CH4、CCl4为正四面体，键角109．5°，推断其 C 原子的杂化轨道类型为sp 3。
还可以扩展到以共价键形成的晶体，如：已知金刚石中的碳原子、晶体硅和石英中的硅原子，都是以正四面体结构形成共价键的，所以也都是采用sp3 杂化；已知石墨的二维结构平面内，每个碳原子与其它三个碳原子结合，形成六元环层，键角为120°，由此判断石墨的碳原子采用sp2 杂化。
二、根据价层电子对互斥理论判断教材的“拓展视野” 中介绍了价层电子对互斥理论，根据该理论能够比较容易而准确地判断ABm 型共价分子或离子的空间构型和中心原子杂化轨道类型。
中心原子的价电子对数与价电子对的几何分布、中心原子杂化轨道类型的对应关系如下表（价电子对数＞4 的，高中阶段不作要是：1．价电子对数n＝［中心原子（A）的价电子数＋配位原子（B）提供的价电子数×m］÷22. 对于主族元素，中心原子（A）的价电子数＝最外层电子数；配位原子中卤族原子、氢原子提供1个价电子，氧族元素的原子按不提供电子计算；离子在计算价电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数。
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1.BF3分子的结构：
硼原子的电子层结构为1s22s22p x1，当硼与氟反应时，硼原子的一个2s电子激发到一个空的2P轨道中，使硼原子的电子层结构变为1s22s22p x12p y1。
硼原子的2s轨道和两个2p轨道杂化组合成sp2杂化轨道，硼原子的三个sp2杂化轨道分别与三个F原子的各一个2P轨道重叠形成三个sp2-p的σ键，由于三个sp2杂化轨道在同一平面上，而且夹角为120°，所以BF3分子具有平面三角形结构。
2.气态的BeCl2分子的结构：
Be原子的电子结构1s22s2，从表面上看Be原子似乎不能形成共价键，但是在激发状态下，Be的一个2s 电子可以进入2p轨道，经过杂化形成2个sp杂化轨道，与氯原子中的3p轨道重叠形成两个sp-pσ键。
由于杂化轨道间的夹角为180°，所以形成的BeCl2分子的空间结构是直线型。
BeCl2分子杂化态
3.乙烯、乙炔分子的结构：
乙烯分子中碳原子的原子轨道采用SP2杂化。
形成乙烯分子时，两个碳原子各用一个sp2杂化轨道上的电子相互配对，形成一个σ键;每个碳原子的另外两个sp2杂化轨道上的电子分别与两个氢原子的1s轨道的电子配对形成共价键;每个碳原子的一个未参与杂化的2P轨道（均含有一个未成对电子）能够以“肩并肩”的方式重叠，该轨道上的电子配对形成一个π键。
三个sp2杂化轨道的对称轴在同一平面上,对称轴夹角为1200，这样，在乙烯分子中的碳原子间，存在一个σ键和一个π键。
类似地，乙炔分子中的碳原子采取sp1杂化，两个sp杂化轨道的对称轴在同一直线上，夹角为180o，两个碳原子间存在一个σ键和两个π键。
注意：杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键。
例1.有关甲醛分子的说法正确的是()
A.C原子采取sp杂化
B.甲醛分子为三角锥形结构
C.C原子采取sp2杂化
D.甲醛分子为平面三角形结构
4.氨分子的结构：
在形成氨分子时，氮原子中的原子轨道也发生了sp3杂化，生成四个SP3杂化轨道，但所生成的四个sp3杂化轨道中，只有三个轨道各含有一个未成对电子，可分别与一个氢原子的1s电子形成一个σ键，另一个sp3杂
化轨道中已有两个电子，属于孤对电子，不能再与氢原子形成σ键了。
所以，一个氮原子只能与三个氢原子结合，形成氨分子。
由于氨分子中四个SP3杂化轨道中的一个轨道已有一对电子，只有另外三个轨道中的未成对电子可以与氢原子的1S电子配对成键，所以氨分子的立体构型与sp3杂化轨道的空间分布不同，由于氨分子中存在着未成键的孤对电子，它对成键电子对的排斥作用较强，所以使三个N-H键的空间分布发生一点变化，他们之间的键角从109.5°被压缩到107.3°。
所以氨分子的构型为三角锥形。
注意：根据各杂化轨道中所含各原子轨道成分是否相同，又分为等性杂化和不等性杂化。
分子形成时N原子采取了sp3不等性杂化，形成的4个杂化轨道中有1个轨道中有1在NH
3
对孤对电子，其余3个轨道各有1个不成对电子，孤对电子所在轨道s成分多些，能量低
些，与其余3个轨道不同等。
例2、在以下的分子或离子中，空间结构的几何形状不是三角锥形的是（）
A、NF3
B、CH3-
C、BF3
D、H3O+
5.苯环的结构与大π键
根据杂化轨道理论，形成苯分子时每个碳原子中的原子轨道发生sp2杂化（如S、P x、P y），由此形成的三个SP2杂化轨道在同一平面上，这样，每个碳原子的两个SP2杂化轨道上的电子分别与邻近的两个碳原子的SP2杂化轨道上的电子配对形成σ键，于是六个碳原子组成一个正六边形的碳环;每个碳原子的另一个SP2杂化轨道上的电子分别与一个氢原子的1S电子配对形成σ键。
与此同时，每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参加杂化的2P轨道（如2P X），它们均含有一个未成对电子。
这六个碳原子的2p轨道相互平行，它们以“肩并肩”的方式相互重叠，从而形成含有六个电子、属于六个原子的π键。
人们把这种在多原子间形成的多电子的π键称为大π键。
所以，在苯分子中，整个分子呈平面正六边形、六个碳碳键完全相同，键角皆为120°。
正是由于苯分子所具有的这种结构特征，使得它表现出特殊的稳定性，而不象乙烯那样容易被酸性高锰酸钾溶液氧化或溴的四氯化碳溶液褪色。
注意：杂化方式的判断是一个难点，要注意积累经验，原子间形成的共价键，既包括
σ键，也包括π键及大π键。
根据最大重叠原理，中心原子与每个配位原子之间只能形成且必定形成一个σ键。
除此之外，其他价电子只能形成π键或大π键。
例3、能说明苯分子的结构是,而不是的事实是（）
①苯不能使溴水和酸性KMnO4溶液退色
②苯分子中碳碳键长、键能均相等
③苯能与3mol氢气加成生成环已烷
④实验室测得是同种结构的分子
⑤苯分子中的碳原子是sp2杂化，每个原子有一个未参与杂化的2p轨道，形成一个大π键。