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1、杂化轨道理论 漫谈，就是不拘形式的聊。科学是严谨的，但并不一定非要那么严肃。我很希望能用轻松点的方式来交流所有学术问题。先抛开学术不谈，关于轻松我有把握我跟学生的理解一定不一样。因为我的学生会跟我说：拜托你不要在文章后面附赠一套号称很有营养的练习题，我就会轻松愉悦的看完这篇文章了。而我会轻松的跟他们说：可是这次的题目真的很有营养啊！这就是老师跟学生的不同立场。 但是杂化轨道理论不是薛定谔方程，这个话题聊起来真的很轻松，之所以学生看完教材感觉欠缺是因为高中教材对杂化轨道理论语焉不详，点到即止，讲解不系统罢了。下面我从高中生的认知角度谈一谈杂化轨道理论，希望这是读高中的你看到的最系统的讲解顺便说一
2、句，文后附赠的练习题，真的很有营养。哈哈！杂化轨道理论为了从理论上解释多原子分子或离子的立体结构，1931年，鲍林在量子力学的基础上提出了杂化轨道理论。如果你问我鲍林这个老几是谁啊？那就暴露你理科素养的欠缺了。是的，他就是提出“鲍林不相容原理”的那个鲍林。提出杂化轨道理论的时候，他才30岁！提出杂化轨道理论前三年，他在波尔实验室工作过半年，并师从过薛定谔和徳拜，在量子力学上打下了坚实的基础，这是他提出杂化轨道理论的前提。但我觉得这不是他成功的关键，我觉得鲍林成功的关键是在加州大学读研究生时，他的导师诺伊斯写了一部新书，书名儿叫化学原理，此书在正式出版之前，他要求鲍林在一个假期中，把书上的习题全
3、部做一遍。鲍林用一个假期的时间，把所有的习题都准确的做完了，诺伊斯看了鲍林的作业，十分满意，并把鲍林介绍给许多知名科学家，期中包括薛定谔和徳拜。这个故事告诉我们写作业是多么的重要啊！这个爱写作业的学生，后来两次获得诺贝尔奖，一次化学、一次和平奖。厉害！这里顺便说一句，本文后附赠习题真的很有营养，有助于你成为一个爱做作业的学生。见上图，鲍林的名言说的够有哲理！要我说的话，这句话应该说成：做到一个好题目的最好方法，就是做很多的题目！看到这里你是不是觉得。见下图，这张照片摄于国际索尔维物理研究所，号称史上最牛物理学家合影（其中得诺贝尔化学奖的几位，其研究都跟物理学关联很大，有物理学背景），最后一排右
4、四就是年轻的鲍林，我在他的正上方标注了名字。我知道现在除了占据绝对C位的爱因斯坦和一排左三的居里夫人，在这张照片上你谁都不认识。但是我要告诉你的是，将来你在这张合影里能认得多少人，取决于你理科学习之路能走多远。请允许我荣幸的给大家介绍一下照片里的部分人物，第一排右起：理查德森、威尔逊、古耶、郎之万、爱因斯坦、洛伦茨、居里夫人、普朗克、郎梅尔，第二排左一是徳拜，右一是波尔。不要问我在哪里，毕竟，就算大家再怎么熟，总需要有人按快门的对吧？一杂化概念：鲍林首先以甲烷为例讨论分子的成键情况和几何构型，提出了杂化概念。在CH4分子中，碳原子的价层电子构型为2s22px12py1 有两个未成对电子，所以它
5、只能与两个氢原子形成两个共价单键。若考虑将碳原子的一个2s电子激发到2p轨道上，碳原子激发态的价层电子构型为2s12px12py12pz1，这样碳原子就可以与4个氢原子形成4个C-H键。但是在4个键中，三个键由碳原子的2p轨道和氢原子的1s轨道重叠而成，这三个键是等同的，互相垂直，键角为90度。而另外一个键是由碳原子的2s轨道与氢原子的1s轨道形成的，它与上述3个键不同。总之四个C-H键是不等同的，但是这与实验事实不符。用化学键理论无法解释这一现象。鲍林假设，甲烷的中心原子在形成化学键时，价电子层的4条原子轨道并不维持原来的状态，而是发生“杂化”，得到4条等同的轨道，再与氢原子的1s轨道成键。
6、所谓杂化就是指在形成分子时，由于原子的相互影响中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合成一组新的原子轨道。这种轨道重新组合的过程叫做杂化，所形成的轨道叫做杂化轨道。原子轨道为什么要杂化？这是因为形成杂化轨道后成键能力增加，即杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道强，形成的分子更稳定。在形成分子的过程中通常存在激发、杂化、轨道重叠等过程。杂化轨道理论的要点：1.凡是ABn形分子，形成过程中中心原子A的轨道必然发生杂化。2.原子轨道的杂化，发生在中心原子的若干能量相近的原子轨道之间，而不是A原子和B原子的轨道发生杂化。3.轨道杂化，只有在形成分子的过程中才能发生，孤立的原子其轨道不可能发生杂化。而且
7、只有能量相近的轨道才能发生杂化。4.杂化前后原子轨道总数不变，即形成杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目。5.杂化轨道具有一定的形状和方向。二杂化轨道类型：根据形成杂化轨道的原子轨道的种类和数目，以及杂化轨道之间能量的高低可以把杂化轨道分成不同的类型。(1)s-p型杂化：sp杂化：sp杂化轨道是由一条ns轨道和一条np轨道形成的，每条杂化轨道含有1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分。两条sp杂化轨道的伸展方向呈直线形，夹角为180度。如BeCl2下图是C原子的sp杂化轨道3D图。绿色是杂化轨道sp2杂化:sp2杂化轨道是由一条ns轨道和两条np轨道组合而成的，每条杂化轨道含有1/3的s
8、轨道成分和2/3的p轨道成分，杂化轨间夹角为120度，3条sp2杂化轨道指向平面三角形的3个顶点。如BF3下图是C原子的sp2杂化轨道3D图，绿色是杂化轨道，蓝色是未杂化的P轨道。sp3杂化:sp3杂化轨道是由一条ns轨道和3条np轨道组合而成的，每条杂化轨道含有1/4的s轨道成分和3/4的p轨道成分，sp3杂化轨间夹角为109度28分，4条sp3杂化轨道指向正四面体的4个顶点。sp3杂化的典型例子是CH4分子。下图是C原子的sp3杂化轨道3D图，绿色是杂化轨道。(2)s-p-d型杂化:ns轨道、np轨道和nd轨道一起参与的杂化称为s-p-d型杂化，主要有以下3种。sp3d杂化：sp3d杂化轨
9、道是由一条ns轨道、3条np轨道和一条nd轨道组合而成的，它的特点是5条杂化轨道在空间呈三角双锥分布，杂化轨道间夹角为90度，120度或180度。下图是sp3d杂化和PCl5分子的结构示意图。sp3d2杂化：sp3d2杂化轨道是由一条ns轨道、3条np轨道和两条nd轨道组合而成的，它的特点是6条杂化轨道指向正八面体的6个顶点，杂化轨道间夹角为90度或180度。下图是sp3d2杂化和SF6分子的结构示意图。sp3d3杂化：sp3d3杂化轨道是由一条ns轨道、3条np轨道和3条nd轨道组合而成的，它的特点是7条杂化轨道在空间呈五角双锥形。（3）等性杂化和不等性杂化杂化过程中形成的杂化轨道可能是一组
10、能量简并的轨道，也可能是一组能量彼此不等的轨道。因此轨道杂化可分为等性杂化和不等性杂化。等性杂化：一组杂化轨道中，若各条轨道的成分相等，则杂化轨道的能量相等，这种杂化称为等性杂化。不等性杂化：一组杂化轨道中，若各条轨道的成分并不相等，则杂化轨道的能量不相等，这种杂化称为不等性杂化。若参与杂化的轨道不仅包含具有未成对电子的原子轨道，也包含具有成对电子的原子轨道，这种情况下的杂化经常是不等性杂化。由于配体不同等原因，可能导致键角的不同，这时参与杂化的轨道在形成的杂化轨道中的分配就不会相等。这种杂化也应算做不等性杂化。如CH3Cl中，中心原子C原子即为sp3不等性杂化。三中心原子杂化轨道类型的判断和
11、价层电子对互斥理论：（一）杂化轨道类型的判断用杂化轨道理论讨论问题，是在已知分子的几何构型尤其是键角的基础上进行的。它在解释分子的空间构型上是比较成功的。但是一个分子具有哪些构型以及中心原子发生哪种杂化，有些情况是难以确定的。1940年，西奇维克和鲍威尔提出了一种在概念上比较简单又能比较准确的判断分子几何构型及杂化方式的理论模型，后经吉利斯皮和尼霍姆在20世纪50年代加以发展，现在称为价层电子对互斥理论。现在大家明白了吧，鲍林虽然提出了杂化轨道理论，但是他并没有给出预判轨道杂化方式的方法，必须要给出分子的空间构型才能做出相应杂化类型的判断，你是不是觉得杂化轨道理论并不完美呢?其实不能这样说，因
12、为杂化轨道理论的提出就是为了解释构型而不是预测构型的。当然鲍林在1954年获得诺贝尔化学奖也不是因为杂化轨道理论，而是因为在蛋白质构象上的研究而获奖的。言归正传，我们先讨论如何判断ABn型分子中心原子A的杂化类型。受价层电子对互斥理论的启发，我们可以用这种方式判断杂化类型：在ABn型分子中，中心原子A一定会发生轨道杂化，而每种杂化类型形成的杂化轨道数不同（有些内轨杂化方式和不同的外轨杂化方式杂化轨道数相同，这些杂化类型和判断需借助其他知识，在此不做介绍），所以我们只需要知道杂化过程中，到底形成了多少杂化轨道，就等同于知道了杂化类型。那么如何判断中心原子形成的杂化轨道到底有几个轨道呢?中心原子的
13、杂化轨道是用来容纳它的价层电子对的，而中心原子的价层电子对包括键电子对和孤电子对。而中心原子的键电子对数就等于中心原子结合的配原子数，中心原子的孤电子对数=1/2(a-xb) ,其中：a是中心原子的价电子数(阳离子要减去电荷数、阴离子要加上电荷数)，b是1个与中心原子结合的原子提供的价电子数（等于该原子达到8电子（氢原子2电子）稳定结构所需要的电子数），x是与中心原子结合的原子数。判断分子中中心原子上的价层电子对数：其中：a是中心原子的价电子数(阳离子要减去电荷数、阴离子要加上电荷数)，b是1个与中心原子结合的原子提供的价电子数（等于该原子达到8电子（氢原子2电子）稳定结构所需要的电子数），x
14、是与中心原子结合的原子数。举例如下：价层电子对数杂化轨道数目中心原子杂化类型成键数孤电子对数价层电子对空间构型实例22sp20直线形CO233sp230三角形BF321SO244sp340四面体形CH431NH322H2O请填写以下两表：分子或离子NO2SO3NH4+TeCl4IF5中心原子杂化类型中心原子孤电子对数分子中键数分子或离子SCl2PF5SF4ClF3XeF2SF6ClF5XeF4中心原子杂化类型中心原子孤电子对数分子中键数 好了，如果以上两个表格你都能顺利完成，那么恭喜你理解并掌握了杂化轨道理论，本文到此也该结束了。为了告诉大家判断杂化轨道类型的方法的由来，我引入了“价层电子对互
15、斥理论”这个词汇，但是今天我们没有深入讨论它，下篇文章我将继续给大家介绍价层电子对互斥理论，以及利用它判断分子空间构型的妙用。 现在就剩下最后一个问题了，那就是：到底我的课后习题有没有营养呢？小马过河的故事大家都听过，要想知道题目好不好，只有做过才知道，谨祝大家做题愉快。大飞漫化，更多精彩，敬请期待。很有营养的练习：1.下列叙述错误的是：（）A中心原子所形成的杂化轨道数等于参加杂化的原子轨道数；B同一原子中能量相近的原子轨道进行杂化，是形成杂化轨道的基本条件之一；C原子轨道发生杂化后可以增强成键能力；D杂化轨道具有能量相等、空间伸展方向一定的特征；E原子轨道的杂化既可以在原子成键时发生，也可以
16、在孤立原子中发生。2.下列叙述正确的是：（）A原子轨道的杂化只在形成化合物分子时发生；B杂化轨道与原子轨道一样既可以形成s键，也可以形成p键；C一个原子有几个成单电子，就只能形成几个杂化轨道；D sp3杂化是由同一原子的一个ns轨道和三个np轨道形成四个sp3杂化轨道；3.下列分子或离子中未经杂化而成键的是.（）。(A)CO2；(B)H2S；(C)NH4+；(D)H2+。4.下列有关分子特性中，能用杂化轨道理论解释的是.（ )。(A)分子中的三电子键；(B)分子中化学键的类型；(C)分子中键的极性； (D)分子的空间几何构型。5.下列有关sp3不等性杂化轨道的叙述中正确的是（）。(A)它是由一
17、个s轨道和一个3p轨道杂化而成； (B)它是由一个1s轨道和三个3p轨道杂化而成；(C)sp3杂化轨道可以形成s键或p键。(D)sp3不等性杂化轨道所含s成分不相等，p成分也不相等；6.下列叙述中正确的是.（）。(A)发生轨道杂化的原子必须具有未成对电子；(B)硼原子可以发生sp3d2杂化；(C)发生杂化的原子轨道能量相等。 (D)碳原子只能发生sp、sp2或sp3杂化。7.下列关于杂化轨道的叙述中正确的是（ ）。(A)凡是中心原子采用sp3杂化轨道成键的分子，都具有正四面体的空间构型；(B) CH4分子中的sp3杂化轨道是由H原子的1s原子轨道和碳原子3个p轨道混合组成的。；(C)凡AB3型
18、分子，中心原子都采用sp3杂化轨道成键；(D)sp2杂化轨道是由同一原子的1个ns轨道和2个np轨道混合组成的三个新的原子轨道8.下列叙述中错误的是（ ）。(A)杂化轨道普遍存在于由共价键和配位键形成的分子或离子中；(B)H2分子中不存在杂化轨道；(C)CO2分子中不存在杂化轨道；(D)P4分子是由sp3杂化轨道成键而形成的。9.n为ABm分子(或离子)中A的价电子的电子层数时，下列有关杂化轨道的叙述中正确的是（）。(A)n=1，可形成sp杂化轨道；(B)n=2，可形成sp3d2杂化轨道；(C)n=2，只能形成sp杂化轨道；(D)n=3，可形成sp、sp2、sp3、sp3d等杂化轨道。10.下
19、列叙述中正确的是（）。A SiCl4分子中的sp3杂化轨道是由Cl原子的3s轨道和Si原子的3p轨道混合形成的;B含有120键角的分子，其中心原子的杂化轨道方式均为sp2杂化;C凡是中心原子采用sp2杂化方式形成的分子，必定是平面三角形构型;D在任何情况下，每一个sp2杂化轨道所含的s、p成分均相同；E PCl5(g)的空间构型为三角双锥，P原子以sp3d杂化轨道与Cl成键；11.下列叙述中正确的是（）。A NCl3和PO43-的中心原子均采用等性sp3杂化;B SnCl2分子和H2O分子的空间构型均为V型，表明它们的中心原子采取相同方式的杂化轨道成键;C NH2-的空间几何构型为V形，则N原
20、子的轨道杂化方式为sp2杂化;D BeCl2分子与XeF2分子的空间构型均为直线形，表明Be原子和Xe原子均采用sp杂化轨道成键。E AlF63-的空间构型为八面体，Al原子采用sp3d2杂化；12.已知CCl4分子具有正四面体构型，则C原子成键的杂化轨道是（）。(A)sp3；(B)sp2；(C)sp；(D)sp3不等性。13.SiF4分子的空间几何构型为（）。(A)平面正方形；(B)变形四面体； (C)正四面体；(D)四方锥。14.BF3分子具有平面正三角形构型，则硼原子的成键杂化轨道是.（）(A)sp3；(B)sp；(C)sp3不等性(D)sp2。15.H2O分子中O原子的成键杂化轨道应是
21、（）。(A)sp；(B)sp2；(C)sp3d；(D)sp3不等性。下列分子中与NH4+的杂化轨道类型及轨道中的s成分相同的是.（）。(A)NH3；(B H2O；(C)CS2；(D)CCl4。16.下列分子中几何构型为三角形的是.（）。(A)ClF3；(B) PCl3；(C)NH3；(D) BF3。17.若BCl3分子中B原子采用sp2杂化轨道成键，则BCl3的空间几何构型是.（）。(A)平面正方形；(B)直线形； (C)四面体形； (D)平面三角形。18.在下列分子中，其中心原子采取sp2杂化轨道成键的是（）。(A)B2H6，分子中各原子不在同一平面；(B)HCN，直线形分子；(C)NCl3
22、，原子不在同一平面。(D)C2H4，分子中各原子均在同一平面；19.HgCl2是直线形分子，Hg原子的成键杂化轨道是.（）。(A)sp3；(B)sp2；(C)sp2不等性；(D)sp。20.若HgI2分子中Hg原子采用sp杂化轨道成键，则HgI2分子的空间构型为（）。(A)四面体；(B)平面正方形；(C)平面三角形；(D)直线形。21.PCl3分子中，与Cl成键的P原子采用的轨道是（）。(A)px、py、pz轨道； (B)三个sp2杂化轨道；(C)二个sp杂化轨道和一个p轨道； (D)三个sp3杂化轨道。22.在PH3分子中含有.（）(A)一个sp3-ss键；(B)二个sp3-ss键；(C)三
23、个sp3-ps键；D)三个sp3-ss键。23.NCl3分子的几何构型是三角锥形，这是由于N原子采用的轨道杂化方式是.（）。(A)sp；(B)sp2；(C)dsp2(D)不等性sp324.下列各组分子中，中心原子均采取sp3杂化方式，且分子的空间构型不同的是（）。(A)CH4、CCl4； (B)CCl4、SiF4；(C)BCl3、H2O；(D)H2O、NH3。25.下列各组分子中，中心原子均发生sp3杂化且分子的空间构型相同的是.（）。(A)CCl4、NH3； (B)CH4、H2S； (C)H2O、CCl4； (D)H2S、H2O。26.在CO2分子中含有.（）。(A)sp3-ps键； (B)
24、sp2-ps键；(C)s-ps键； (D)sp-ps键；27.下列各组分子中，中心原子均发生sp杂化，分子空间构型均为直线形的是（）。(A)H2S、CO2； (B)CS2、SO2；(c)H2O、HgCl2 (d)FeCl2、CS2。28.OF2分子的中心原子轨道杂化方式为.（）。(A)sp；(B)sp2；(c)sp3d2。(D)sp329.下列分子的空间构型为“V”形的是.（）。(A)BeCl2；(B)XeF2；(C)BeH2；(D)H2Se。30.下列分子的空间构型为平面三角形的是（）。(A)NF3；(B)BCl3；(C)AsH3；(D)PCl3。31.下列分子中不呈直线形的是.（）。(A)
25、HgCl2；(B)CO2；(C)H2O；(D)CS2。32.ABm型分子中，A原子采取sp3d2杂化，m=4，则ABm分子的空间几何构型是.（）。(A)四方锥 (B)四面体； (C)八面体； (D平面正方形；33.中心原子采取sp3d杂化方式且含有一对孤对电子，其分子的空间几何构型为.（）。(A)三角双锥；(B)T形； (C)八面体 (D)变形四面体；。34.ABm型分子中，m=6，中心原子采取sp3d2杂化方式，则分子的空间几何构型是（）。(A)平面正方形； (B)四方锥； (C)T形； (D)八面体。35.下列各组分子中，中心原子均采取sp3不等性杂化的是（）。(A)PCl3、NH3； (
26、B)BF3、H2O；(C)CCl4、H2S； (D)BeCl2、BF3。36.下列分子中，空间构型为正四面体的是（）。(A)CH3Cl；(B)SnCl4；(C)CHCl3；(D)BBr3。37.下列分子的空间构型为三角锥形的是.（）。(A)PCl3；(B)BI3；(C)H2Se；(D)SiH4。38.已测得H2O2分子中OOH的键角为97，则在H2O2分子中，氧原子所采取的杂化轨道应是（）。(A)sp；(B)sp2；(C)sp3；(D)不等性sp3。39.ABm分子中有p-pp键存在，则原子A必定不能采取下列杂化方式中的.（）。(A)sp3；(B)sp2；(C)sp；(D)不等性sp2。40.下列有关sp2杂化轨道的叙述中正确的是.（）。(A)它是由一个1s轨道和两个2p轨道杂化而成；(B)它是由一个1s轨道和一个2p轨道杂化而成；(C)sp2杂化轨道既可形成s键，也可以形成p键。(D)每个sp2杂化轨道含有s原子轨道和p原子轨道的成分；41下列分子或离子中，中心原子以sp杂化轨道成键，且又具有p键的是（）。(A)CO2；(B)C2H4；(C)SO3；(D)NO3-。