杂化轨道理论简介
杂化轨道理论
杂化轨道理论
杂化轨道理论是一种用于计算原子和分子性质的理论，可以用来描述原子或分子的结构、能量、光谱和其他性质。
它是一种使用杂化轨道描述原子和分子构型的方法。
所谓杂化轨道，是指原子或者分子中的电子可以同时存在多个不同的能级，而不是单独存在于单一的能级中。
杂化轨道理论的核心思想是将原子或分子的性质表示为一组“杂化轨道”，这些轨道可以用来描述原子或分子的结构、能量、光谱和其他性质。
杂化轨道理论的优势在于，它可以很好地描述原子或分子的特征，例如电荷密度、电子结构和电荷分布等。
杂化轨道理论
杂化轨道理论杂化轨道理论基本介绍核外电子在一般状态下总是处于一种较为稳定的状态，即基态。
而在某些外加作用下，电子也是可以吸收能量变为一个较活跃的状态，即激发态。
在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，单个原子中，具有能量相近的两个电子亚层中，具有能量较低的电子亚层的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的电子亚层中去，即所谓的跃迁现象，从而新形成了一个或多个能量较高的电子亚层。
此时，这一个与多个原来处于较低能量的电子亚层的电子所具有的能量增加到与原来能量较高的电子亚层中的电子相同。
这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。
概述1931年,Linus Carl Pauling提出轨道杂化理论。
实验事实基础是许多分子的键角不等于原子轨道间夹角。
如氧原子与氢原子组成的水分子H－O－H的键角是104.5o，不等于氧的2py与2pz轨道间的夹角90o。
类似的，NH3分子中H－N－H的键角也不等于90o，实际测得107.3o。
实验测得甲烷分子CH4是四面体结构，H－C－H键角为109.5o。
要点⑴ 在形成分子（主要是化合物）时，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道 (一般为同一能级组的原子轨道)可以进行线性组合(杂化)，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的一组原子轨道。
⑵杂化轨道成键能力大于原来的原子轨道。
因为杂化轨道的形状变成一头大一头小了,用大的一头与其他原子的轨道重叠,重叠部分显然会增大。
⑶ 形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理（化学键间排斥力越小，体系越稳定），为满足最小排斥原理，杂化轨道之间的夹角应达到最大。
⑷ 分子的空间构型主要取决于分子中σ键形成的骨架，杂化轨道形成的键均为σ键，所以，杂化轨道的类型与分子的空间构型相关。
相关概念在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道线性组合成新的原子轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。
杂化轨道理论
杂化轨道理论价键理论简明地阐明了共价键的形成过程和本质，成功解释了共价键的方向性和饱和性，但在解释一些分子的空间结构方面却遇到了困难。
例如CH 4分子的形成，按照价键理论，C 原子只有两个未成对的电子，只能与两个H 原子形成两个共价键，而且键角应该大约为90°。
但这与实验事实不符，因为C 与H 可形成CH 4分子，其空间构型为正四面体，∠HCH = 109.5°。
为了更好地解释多原子分子的实际空间构型和性质，1931年鲍林提出了杂化轨道理论（hybrid orbital theory ），丰富和发展了现代价键理论。
1953年，我国化学家唐敖庆等统一处理了s-p-d-f 轨道杂化，提出了杂化轨道的一般方法，进一步丰富了杂化理论的内容。
1．杂化轨道理论的基本要点杂化轨道理论从电子具有波动性、波可以叠加的观点出发，认为一个原子和其他原子形成分子时，中心原子所用的原子轨道（即波函数）不是原来纯粹的s 轨道或p 轨道，而是若干不同类型、能量相近的原子轨道经叠加混杂、重新分配轨道的能量和调整空间伸展方向，组成了同等数目的能量完全相同的新的原子轨道——杂化轨道(hybrid orbital)，以满足化学结合的需要。
这一过程称为原子轨道的杂化（hybridization ）。
下面以CH 4分子的形成为例加以说明。
基态C 原子的外层电子构型为2s 22p x 12p y 1。
在与H 原子结合时，2s 上的一个电子被激发到2p z 轨道上，C 原子以激发态2s 12p x 12p y 12p z 1参与化学结合。
当然，电子从2s 激发到2p 上需要能量，但由于可多生成二个共价键，放出更多的能量而得到补偿。
在成键之前，激发态C 原子的四个单电子分占的轨道2s 、2p x 、2p y 、2p z 会互相“混杂”，线性组合成四个新的完全等价的杂化轨道。
此杂化轨道由一个s 轨道和三个p 轨道杂化而成，故称为sp 3杂化轨道。
杂化轨道理论简介-高二化学课件(人教版2019选择性必修二)
CO2
0+2=2
sp
CH2O
0+3=3
sp2
CH4
0+4=4
sp3
SO2
1+2=3
sp2
NH3
1+3=4
sp3
H2O
2+2=4
sp3
直线形 平面三角形
正四面体形 平面三角形
四面体形 四面体形
直线形
平面三角形 正四面体形 V形 三角锥形 V形
【方法总结】1.杂化轨道理论与价层电子互斥理论的联系:
σ键电子对数 +孤电子对数
A.直线形 sp杂化
B.平面三角形 sp2杂化
C.三角锥形 sp2杂化
D.三角锥形 sp3杂化
2、在BrCH=CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是( C )
A.sp-p
B.sp2-s
ห้องสมุดไป่ตู้
C.sp2-p
D.sp3-p
价层电子对数
杂化轨 道理论
价层电子 互斥理论
VSEPR模型
杂化轨道类型
解释
略去孤电子对 得到
分子空间结构
【知识总结】2.杂化轨道类型与分子的空间结构的关系:
价电子 中心原子的杂 VSEPR模 孤电子 分子的空间构型
对数 化轨道类型 型名称 对数
2
sp
直线形
0
直线形
3
sp2
平面三
0
V形
角形
1
3
sp2
②sp2杂化轨道特征：
a.1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化,形成3个sp2 杂化轨道。 b.每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有 1/3 s 轨道和 2/3 p 轨道的成分。
高中化学 选择性必修2 第二章 第二节 第3课时 杂化轨道理论
二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系
1.杂化轨道的类型
(1)sp3杂化轨道——正四面体形
sp3杂化轨道是由 1个 ns轨道和
3个 np轨道杂化而成，每个sp3
杂化轨道都含有
1 4s
和
3 4p
的成
分，sp3杂化轨道间的夹角为
109°28′ ，空间结构为正四面
体形。如右图所示。
(2)sp2杂化轨道——平面三角形 sp2杂化轨道是由 1个 ns轨道和 2个 np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道
4.下列有关甲醛(HCHO)分子的说法正确的是
①C原子采取sp杂化 ②甲醛分子为三角锥形结构
③C原子采取sp2杂化 ④甲醛分子为平面三角形结构
A.①②
√C.③④
B.②③ D.①④
5.在BrCH==CHBr分子中，C—Br采用的成键轨道是
A.sp-p
√C.sp2-p
B.sp2-s D.sp3-p
12 含有 3s 和 3p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如 下图所示。
(3)sp杂化——直线形
sp杂化轨道是由 1个 ns轨道和 1个 np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含
有
1 2s
和12p
的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如下图所示。
2.杂化轨道类型与分子空间结构的关系 (1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道 的空间结构相同。
中心原子 中心原子孤 ABn型分子 杂化类型 电子对数 空间结构
实例
AB2
sp2
1
_V_形__
SO2
AB3 sp3
AB2或(B2A)
1
_三__角__锥__形__ NH3、PCl3、NF3、
杂化轨道理论
杂化轨道理论在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。
1基本介绍杂化轨道理论（hybrid orbital theory)是1931年由鲍林(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，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。
核外电子在一般状态下总是处于一种较为稳定的状态，即基态。
而在某些外加作用下，电子也是可以吸收能量变为一个较活跃的状态，即激发态。
在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，单个原子中，具有能量相近的两个能级中，具有能量较低的能级的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的能级中去，即所谓的跃迁现象，从而新形成了一个或多个能量较高的能级。
此时，这一个或多个原来处于较低能量的能级的电子所具有的能量增加到与原来能量较高的能级中的电子相同。
这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。
用化学语言讲，杂化轨道理论从电子具有波动性、波可以叠加的观点出发，认为一个原子和其他原子形成分子时，中心电子所用的电子轨道不是原来纯粹的s轨道或p轨道，而是若干不同类型、能量相近的电子轨道经叠加混杂、重新分配轨道的能量和调整空间伸展方向，组成了同等数目的能量完全相同的新的电子轨道——杂化轨道，以满足化学结合的需要。
这一过程称为电子轨道的杂化。
2基本要点只有最外电子层中不同能级中的电子可以进行轨道杂化，且在第一层的两个电子不参与反应。
不同能级中的电子在进行轨道杂化时，电子会从能量低的层跃迁到能量高的层，并且杂化以后的各电子轨道能量相等又高于原来的能量较低的能级的能量而低于原来能量较高的能级的能量。
当然的，有几个原子轨道参加杂化，杂化后就生成几个杂化轨道。
杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理。
杂化后的电子轨道与原来相比在角度分布上更加集中，从而使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更加牢固。
杂化轨道理论简介
极性分子和非极性分子
极 性 分 子：分子中正负电荷中心不重合，从整个分子来电 荷的分布是不均匀的，不对称的，这样的分子为 极性分子。
非极性分子：分子中正负电荷中心重合，从整个分子来看， 电荷的分布是均匀的，对称的，这样的分子为极 性分子。
键的极性与分子的极性的区别与联系
概念 含义
决定因素
键的极性
C6H6
C8H8
CH3OH
C60
C20
C40
C70
C
2s
2px 2py 2pz
2s
2px
2py
2pz
分子式为什么是CH4， 而不是CH2或CH3？
CH4分子为什么具有正 四面体的空间构型？
一.杂化轨道理论简介
当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，碳原子的2s轨道和3个 2p轨道会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，得到 4个能量 相等、成分相同的sp3杂化轨道，夹角109 28 ′，表示这4个轨 道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的如下图所示：
价 层 电 子 对 数
价层 电子 对排 布
成键 电子 对数
孤对 电子 对数
分 子 类 型
电子对的排布 方式
分子构型
实 例
4
0
AB4
正四面体
CH4
4
四面 体
3
1
AB3
三角锥形
NH3
2
2
AB2
角形
H2O
价层 电子 对数
价层 电子 对排 布
成键 电子 对数
孤对 电子 对数
分子 电子对的排 分子构型 类型 布方式
2s 2p 激发 2s 2p 正四面体形
C的基态
激发态
分子的立体结构(杂化轨道理论)
01
02
03
04
sp杂化
一个s轨道和一个p轨道杂化 ，形成两个sp杂化轨道，形
状为直线型。
sp2杂化
一个s轨道和两个p轨道杂化 ，形成三个sp2杂化轨道，形
状为平面三角形。
sp3杂化
一个s轨道和三个p轨道杂化 ，形成四个sp3杂化轨道，形
状为正四面体型。
其他杂化类型
如dsp2、d2sp3等，涉及d轨 道的参与，形成更复杂的分子
指导新材料的设计和合成
通过研究杂化轨道理论，可以深入了解 分子中原子间的相互作用和电子排布规 律，从而揭示分子立体结构的本质。
通过调控分子的立体结构，可以设计 和合成具有特定功能的新材料，如催 化剂、药物、光电材料等。
预测和解释分子的性质
基于杂化轨道理论，可以预测和解释 分子的几何构型、键长、键角以及分 子的物理和化学性质。
预测反应活性
通过了解分子的电子云分布和键能，可以预测分子在化学反应中的 活性和选择性。
指导新材料设计
杂化轨道理论为设计具有特定功能和性质的新材料提供了理论指导。
研究成果与不足
成果
杂化轨道理论在解释和预测分子 的立体结构方面取得了显著成果 ，成功应用于多种有机和无机化 合物的结构和性质研究。
不足
对于某些复杂体系，如过渡金属 化合物和生物大分子，杂化轨道 理论的解释力有限，需要进一步 完善和发展。
分子的立体结构杂化轨道理论
contents
目录
• 引言 • 杂化轨道理论基础 • 分子的立体构型与杂化轨道 • 杂化轨道理论与化学键性质 • 杂化轨道理论与化学反应性 • 总结与展望
01 引言
分子的立体结构概述
分子立体结构的定义
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叠形成的σ键
9 、根据价层电子对互斥理论及原子的杂化理论判断NF3分子 的空间构型和中心 原子的杂化方式为（D）
三、杂化理论简介
5. 杂化类型判断： 杂化类型的判断方法：先确定分子或 离子的VSEPR模型，然后就可以比较方 便地确定中心原子的杂化轨道类型。
三、杂化理论简介
5 .杂化类型判断（参考课本第41页）
对于ABm 型分子或离子，其中心原子 A 的杂化轨道数恰好与A的价 电子对数相等。
A的价电子对数
2
180
px
sp
px
Cl
Cl
2p 2s
2p
激发
2s
sp Sp杂化
SP杂化轨道的形成过程
z
z
z
z
y
x
x
y x
y
y
x
sp杂化： 1个s 轨道与 1个p 轨道进行的杂化 , 形成2个sp杂化轨道。
每个sp杂化轨道含有1/2 s 和1/2 p 轨道成分
两个轨道间的夹角为180°，呈直线型
例2：sp2杂化——BF3分子的形成
例3：sp3杂化——CH4分子的形成
C： 2s2 2p2
2p
2s
2p
激发
2s
sp3 Sp3杂化
Sp3杂化轨道的形成过程
z
z
y
x
x
z。
z
109.5
y
y
x
x
sp3杂化： 1个s 轨道与 3个p 轨道进行的杂化 ,形成 4个sp3 杂化轨道。每个sp3杂化轨道含有 1/4s 和 3/4 p轨道成分每两个轨道间的夹角为109.5°， 空间构型 为正四面体型。
为了解决这些矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论
三、杂化理论简介
1.杂化理论提出背景及概述：在形成分子 时，在外界条件影响下若干不同类型能量 相近的原子轨道混合起来，重新组合成一 组新轨道的过程叫做原子轨道的杂化，所 形成的新轨道就称为杂化轨道。
三、杂化理论简介
2、要点：
（1）参与杂化的各原子轨道 能量要相近 在同一能 级组如ns 和 np 或相近能级组 如(n-1)d 、ns 、 np 的轨道；
C原子的轨道排布图
2p2
2s2
1s2 H原子轨道排布图
1s1
为什么碳原子与氢原子结合形成CH4而不是CH2?
依据价键理论，甲烷是 4 个 C — H σ单 键，而碳的 4 个价层原子轨道是3个相互垂 直的2p和1个球形的 2s，那么用它们和氢原 子的1s形成共价键的角应该是90度而不是109 度28分的四面体构型？
三、杂化理论简介
4 .杂化轨道小结：
杂化轨道 每个轨道的成分
轨道间夹角( 键角)
Sp
1/2 s
1/2 p 180 °
sp2
1/3 s
2/3 p 120 °
sp3
1/4 s
3/4p 109.5°
杂化轨道只能用于形成σ键和容纳孤电子对，所以 杂化轨道数==== 中心原子孤电子对数+中心原子结合的原子数
3
4
A的杂化轨道数
2
3
4
杂化类型
sp
sp2Βιβλιοθήκη sp3A的杂化轨道空间构型 直线型 平面三角形
正四面体
ABm 型分子或离子空间 构型
直线型
平面三角形或 v型
正四面体三角锥型或v型
巩固练习
4 、对SO2 和CO2 说法正确的是（ D） A、都是直线形结构 B、中心原子都采取SP杂化轨道 C、S原子和C原子上都没有孤对电子 D、SO2 是V形结构，CO2 是直线形结构
A.直线形 sp杂化B.三角形 sp2杂化 C.三角锥形 sp2杂化 D.三角锥形 SP3杂化
思考与交流
试确定H3O+的中心原子的杂化轨道类型
知识回顾 Knowledge Review
祝您成功！
F
。
120
B ：1s22s22p1没有3个成键单电子
B
F
F
2p
2p
2s
2s
激发
sp2 Sp2杂化
Sp2杂化轨道的形成过程
z
z
z
z
y
y
y
y
x
x
x
sp2杂化： 1个s 轨道与 2个p 轨道进行的 杂化 ,形成3个sp2 杂化轨道。
每个sp2杂化轨道含有 1/3 s 和 2/3 p 轨道 的成分 每两个轨道间的夹角为120°，呈平 面三角形
第二节 分子的立体构型
第三课时——杂化轨道理论简介
复习：
1 、从原子轨道角度共价键可分哪两种
基本类型 ？σ键和π键
2、价层电子对互斥理论模型有哪些？ 3、基态c原子的电子排布式是 1s22s22p2
最外层有 2 个未成对电子、只能形成 2 个共价 键。
活动：请根据价层电子对互斥理论 分析CH4的立体构型
（2）杂化前后原子轨道 数目不变：参加杂化的轨 道数目等于形成的杂化轨道数目；但杂化轨道改变了 原子 轨道的形状方向，在成键时更有利于轨道间的 重叠；
（3）杂化前后原子轨道为使相互间排斥力最小，故 在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不 同.
例1：sp杂化——BeCl2的形成
Cl
Be
Cl
。