什么是轨道杂化?

材料人一定都听过s、p、d轨道,sp、sp²、sp³杂化,但真正问到它们为什么这样画、轨道如何重新组合、又怎样决定分子结构,很多人根本说不清!

本次华算科技整理了100+轨道杂化与成键构型图,从原子轨道、轨道重叠,到sp、sp²、sp³及常见空间构型,用直观图片帮助大家快速建立完整认识!

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什么是轨道杂化?
什么是轨道杂化?
什么是轨道杂化?

什么是轨道杂化?

 

可以把原子看成一个“连接中心”,原子轨道就是电子最可能出现的空间区域,也是原子与其他原子形成化学键的位置。

不同轨道的形状和方向不同。s轨道接近球形,没有明显方向;p轨道由两个叶瓣组成,具有明确方向;d轨道形状更复杂,常见于过渡金属及其配位结构中

什么是轨道杂化?

s、p、d轨道形貌对比

当原子参与成键时,原有轨道有时会重新组合,形成能量相近、方向更加明确的新轨道,这一过程称为轨道杂化杂化的核心作用,是解释化学键的方向性和分子的空间结构。

什么是轨道杂化?
什么是轨道杂化?
什么是轨道杂化?

sp、sp²、sp³有什么区别?

 

sp杂化由一个s轨道和一个p轨道组合,形成两个方向相反的新轨道,因此常对应线型结构,例如乙炔中的碳。

sp²杂化由一个s轨道和两个p轨道组合,形成三个处于同一平面的轨道,因此常对应平面三角结构,例如乙烯、苯环和石墨烯中的碳。

sp³杂化由一个s轨道和三个p轨道组合,形成四个朝向立体空间的轨道,因此常对应四面体结构,例如甲烷和金刚石中的碳。

什么是轨道杂化?

sp、sp²、sp³杂化对比图

什么是轨道杂化?
什么是轨道杂化?

杂化与化学键有什么关系?

 

σ键:轨道沿成键方向正面重叠

 
当两个轨道沿着两个原子核之间的连线正面靠近并发生重叠时,就形成σ键。σ键的电子云主要分布在两个原子核之间,沿成键轴方向最密集。
s轨道与s轨道、s轨道与p轨道、p轨道与p轨道,以及各种杂化轨道之间,都可以通过正面重叠形成σ键。
什么是轨道杂化?

s-s轨道重叠形成σ键、s-p端对端重叠、p-p端对端重叠形成σ键、π键

σ键通常重叠程度较大,结构也比较稳定。两个原子之间只要形成化学键,首先都会有一条σ键。因此,无论是单键、双键还是三键,其中都只包含一条σ键。

π键:未杂化p轨道从侧面重叠

 
当两个彼此平行的p轨道从侧面靠近并重叠时,就形成π键。π键的电子云不集中在两个原子核的连线上,而是分布在键轴的上下两侧,或者前后两侧。
π键通常建立在σ键已经形成的基础上。两个原子先通过正面重叠形成σ键,使原子骨架稳定下来,剩余的平行p轨道再发生侧向重叠,形成π键。
什么是轨道杂化?

苯环中的sp²与离域π电子

因此:单键通常由一个σ键组成,双键由一个σ键和一个π键组成,三键由一个σ键和两个互相垂直的π键组成。
什么是轨道杂化?

σ键与π键对比图

为什么双键和三键会限制旋转?

 
单键主要由σ键组成,电子云沿成键轴分布,两个原子围绕键轴旋转时,轨道重叠关系通常不会被明显破坏,因此许多单键可以发生一定程度的旋转。
双键和三键中还含有π键。π键要求两侧p轨道保持平行,只有这样才能维持有效的侧向重叠。如果其中一个原子明显旋转,两个p轨道就会发生错位,π键重叠会减弱甚至被破坏。
这也是为什么乙烷中的碳碳单键较容易旋转,而乙烯中的碳碳双键会限制旋转,分子更容易保持平面结构。

怎样通过杂化判断成键方式?

 
判断一个原子的杂化方式时,可以先看它形成了多少个σ键,以及是否还需要保留p轨道形成π键。例如:
sp杂化形成两个sp轨道,并保留两个p轨道,因此能够形成两个π键
sp²杂化形成三个sp²轨道,并保留一个p轨道,因此能够形成一个π键
sp³杂化使用了一个s轨道和三个p轨道,通常不再保留未杂化p轨道,因此主要形成σ键
理解轨道杂化,最难的往往不是记住sp、sp²、sp³的名称,而是把“轨道形状、重叠方式、空间构型和实际分子结构”真正对应起来。
本次整理了100+轨道杂化与成键构型图涵盖s、p、d轨道、sp/sp²/sp³杂化、典型分子、共轭体系和材料结构等内容,学习、复习和画机制图直接对照使用!
什么是轨道杂化?
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原子轨道

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sp轨道杂化

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sp²轨道杂化

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sp³轨道杂化

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