雜化軌道理論是什麽？

 引言 

【百度百科】雜化軌道理論（Hybrid Orbital Theory）是1931年由鮑林（Pauling L）等人在價(jia) 鍵理論的基礎上提出，它實質上仍屬於(yu) 現代價(jia) 鍵理論，但是它在成鍵能力、分子的空間構型等方麵豐(feng) 富和發展了現代價(jia) 鍵理論。

在AS階段的化學上僅(jin) 用了幾行來敘述，目的是為(wei) 了解釋為(wei) 什麽(me) 碳碳雙鍵不能被旋轉。顯然，沒多少人能看得懂這書(shu) 要講啥。。。

· 上圖為(wei) AS化學書(shu) 截圖

雜化軌道理論部分的基礎知識是spdf軌道排布規律（也就是電子雲(yun) ），電子雲(yun) 是一種機率雲(yun) ，是物理和化學中的一個(ge) 概念，就是用統計的方法對核外電子空間分布的形象描繪，它區別於(yu) 行星軌道式模型（盧瑟福模型）。

我們(men) 知道電子具有波粒二象性，它不像宏觀物體(ti) 的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡，不能預言它在某一時刻究竟出現在核外空間的哪個(ge) 地方，隻能知道它在某處出現的機會(hui) 有多少，所以通過大量統計和計算，科學家們(men) 得出了電子雲(yun) 的不同形狀，分別用符號s、p、d、f表示：s電子雲(yun) 呈球形，在半徑相同的球麵上；p電子雲(yun) 呈紡錘形，沿三個(ge) 坐標軸分布；d、f的電子雲(yun) 形狀比較複雜。

（如圖，所以說電子在這些區域出現的機會(hui) 較大）

spdf 軌道從(cong) 小到大擁有不同能級，每個(ge) s軌道有一種形狀，p軌道有三種，d和f軌道有很多種(如下圖)

 -  這是一個(ge) 更清晰的表格

 雜化軌道是什麽(me) ? 

百度說：成鍵的過程中，根據原子的成鍵要求，在周圍原子的影響下，同一分子中幾個(ge) 能量相近的不同類型的原子軌道（即波函數），可以進行線性組合，重新分配能量和確定空間方向，組成數目相等的新原子軌道，這種軌道重新組合的方式稱為(wei) 雜化（Hybridization），雜化後形成的新軌道稱為(wei) 雜化軌道（Hybrid Orbital）。按參加雜化的原子軌道種類，軌道雜化有sp和spd兩(liang) 種主要類型，分為(wei) sp，sp2，sp3，dsp2，sp3d，sp3d2，d2sp3。有點抽象，下文將配合圖進行解釋。

Hybrid 一 詞指混合的；雜交成的

例: 《哈利波特和混血王子》...

湯姆裏德爾應該挺擅長化學的，畢竟是魔藥課學霸

本文將主要講一下前三個(ge) sp雜化軌道。

 雜化為(wei) 什麽(me) 會(hui) 發生？ 

原子自身不會(hui) 莫名其妙就雜化了，雜化是發生在成鍵的過程中的，這裏又需要一些量子力學來輔助解釋，（但是稿主對於(yu) 物理不太專(zhuan) 業(ye) ，感興(xing) 趣的同學自行搜索學習(xi) 吧）。

總而言之，當你實際上將電子黏在一個(ge) 原子周圍的時候，s和p軌道就會(hui) 開始相互影響，並盡最大努力不要相互重疊和改變，然後s和p軌道會(hui) 合並為(wei) hybrid sp orbitals，這時它們(men) 不再是兩(liang) 種不同類型的軌道，而是變成四個(ge) 相同的軌道並且盡力不重疊（VSEPR valence shell electron pair repulsion），當s orbital與(yu) 所有3個(ge) p orbital雜化時稱為(wei) sp^3 hybridization。

舉(ju) 個(ge) 栗子，碳原子。

碳原子的電子排布為(wei) 1s^2，2s^2，2p^2，當一個(ge) 碳原子和其他四個(ge) 原子成鍵時，會(hui) 形成的四個(ge) 相同的共價(jia) 鍵，而且這四個(ge) 成鍵的能量相等，這就要求四個(ge) 成鍵電子所在的軌道形成新的雜化軌道，因為(wei) 原本p軌道的能量是大於(yu) s軌道的，而新形成的雜化軌道的能量則介於(yu) C的2s和2p軌道之間，通過一些簡單計算可以得出這條軌道的能級大概在靠進2p軌道的四分之一處。新的雜化軌道的命名為(wei) 2sp^3  orbital。雜化完成之後，原本的2s和2p軌道就不再存在了。

然後我們(men) 就可以推斷出雜化軌道的形狀，首先1s orbital是一個(ge) 球體(ti) ，2s orbital是一個(ge) 更大的球體(ti) 包裹在1s orbital外（這裏可以不看1s軌道，因為(wei) 我們(men) 雜化的是價(jia) 電子所在的2s和2p軌道），2p orbital是沿x，y，z坐標軸分布的紡錘形，所以沒雜化前長這樣：

雜化之後的形狀就不太一樣了，長這樣：

（正四麵體(ti) tetrahedral shape）

因為(wei) 上文中提到的VSEPR（價(jia) 層電子對互斥模型，在這個(ge) 模型中電子對相互排斥，成鍵電子與(yu) 孤對電子距離越遠越好。VSEPR模型以最簡單的方法形象化了化學變化，也很容易判斷物質的空間構型）每條2sp^3軌道的能量相等，互相的排斥力也相等，所以就形成了相等的鍵角which is 109.5度。

當然，碳原子隻有在成鍵的情況下才會(hui) 發生雜化，以CH4甲烷分子為(wei) 例，四個(ge) 氫原子與(yu) 碳原子的四個(ge) 雜化軌道重合成鍵，下圖是大家更為(wei) 熟悉的球棍模型。

因軌道重合而形成的鍵叫做sigma bond(σ鍵)，表示一對電子形成的單鍵。

那麽(me) 雙鍵呢？

我們(men) 以乙烯分子（C2H4）為(wei) 例，也就是書(shu) 上的例子。中間的碳碳雙鍵中也有一個(ge) σ鍵，但是雙鍵的另一個(ge) 鍵叫π鍵。

兩(liang) 個(ge) 碳原子的成鍵情況是一樣的，分開來看每一個(ge) 碳原子都接了三個(ge) 原子，所以實際上三個(ge) 2p orbital隻有兩(liang) 個(ge) 雜化了，並與(yu) 一個(ge) s orbital雜化形成了三個(ge) 相同的2sp2雜化軌道。最終剩餘(yu) 一個(ge) 2p軌道沒有被雜化。

雜化後兩(liang) 個(ge) 對稱的C原子的軌道

藍色的為(wei) 未雜化的相對來說是y軸上的2p軌道，而綠色的三條為(wei) 雜化後的2sp^2雜化軌道，並且這三個(ge) 綠色的orbital實際上形成了trigonal planar的形狀也就是一個(ge) 平麵等邊三角形，顯而易見，這三個(ge) 鍵角都是120度。

上圖中兩(liang) 個(ge) 對稱的C原子中間相對的綠色部分的2sp^2雜化軌道重疊形成了雙鍵中的σ鍵

而π鍵其實是由未參與(yu) 雜化的兩(liang) 條2p軌道（藍的）上半部分和下半部分分別重合而成的（如圖），這個(ge) π鍵表示的藍色空間裏此時有一對電子在運動。

那麽(me) ，碳碳三鍵呢？以乙炔（C2H2）為(wei) 例，非常簡單，這是隻有一個(ge) 2p軌道參與(yu) 了雜化，如下圖。

因為(wei) 這次有兩(liang) 個(ge) p軌道沒有參與(yu) 雜化，所以自然而然未雜化的兩(liang) 個(ge) 2p軌道則各自重疊形成了兩(liang) 個(ge) π鍵（互相垂直），這時藍色和粉色的區域中各有一對電子在運動。

spd雜化軌道的形狀則會(hui) 更複雜一些，包括六麵體(ti) ，八麵體(ti) 等，有興(xing) 趣的話可以自己搜一搜。

 總結 

講了這麽(me) 多，雜化軌道理論到底有什麽(me) 用呢？我的化學老師說：“其實它主要就解釋了有機物也就是碳原子是如何成鍵的”，雜化軌道比原來未雜化的軌道成鍵能力更強，鍵能也更大，可以使分子更加穩定。考慮到正學習(xi) AL化學這部分知識點的同學們(men) （包括本人）可能會(hui) 覺得雜化軌道很抽象所以整理了這個(ge) 知識點，希望可以給到大家一些幫助。