杂化轨道理论是什么？

引言

【百度百科】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。

在AS阶段的化学上仅用了几行来叙述，目的是为了解释为什么碳碳双键不能被旋转。显然，没多少人能看得懂这书要讲啥。。。

·上图为AS化学书截图

杂化轨道理论部分的基础知识是spdf轨道排布规律（也就是电子云），电子云是一种机率云，是物理和化学中的一个概念，就是用统计的方法对核外电子空间分布的形象描绘，它区别于行星轨道式模型（卢瑟福模型）。

我们知道电子具有波粒二象性，它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹，不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少，所以通过大量统计和计算，科学家们得出了电子云的不同形状，分别用符号s、p、d、f表示：s电子云呈球形，在半径相同的球面上；p电子云呈纺锤形，沿三个坐标轴分布；d、f的电子云形状比较复杂。

（如图，所以说电子在这些区域出现的机会较大）

spdf 轨道从小到大拥有不同能级，每个s轨道有一种形状，p轨道有三种，d和f轨道有很多种(如下图)

- 这是一个更清晰的表格

杂化轨道是什么?

百度说：成键的过程中，根据原子的成键要求，在周围原子的影响下，同一分子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函数），可以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新原子轨道，这种轨道重新组合的方式称为杂化（Hybridization），杂化后形成的新轨道称为杂化轨道（Hybrid Orbital）。按参加杂化的原子轨道种类，轨道杂化有sp和spd两种主要类型，分为sp，sp2，sp3，dsp2，sp3d，sp3d2，d2sp3。有点抽象，下文将配合图进行解释。

Hybrid 一 词指混合的；杂交成的

例: 《哈利波特和混血王子》...

汤姆里德尔应该挺擅长化学的，毕竟是魔药课学霸

本文将主要讲一下前三个sp杂化轨道。

杂化为什么会发生？

原子自身不会莫名其妙就杂化了，杂化是发生在成键的过程中的，这里又需要一些量子力学来辅助解释，（但是稿主对于物理不太专业，感兴趣的同学自行搜索学习吧）。

总而言之，当你实际上将电子黏在一个原子周围的时候，s和p轨道就会开始相互影响，并尽最大努力不要相互重叠和改变，然后s和p轨道会合并为hybrid sp orbitals，这时它们不再是两种不同类型的轨道，而是变成四个相同的轨道并且尽力不重叠（VSEPR valence shell electron pair repulsion），当s orbital与所有3个p orbital杂化时称为sp^3 hybridization。

举个栗子，碳原子。

碳原子的电子排布为1s^2，2s^2，2p^2，当一个碳原子和其他四个原子成键时，会形成的四个相同的共价键，而且这四个成键的能量相等，这就要求四个成键电子所在的轨道形成新的杂化轨道，因为原本p轨道的能量是大于s轨道的，而新形成的杂化轨道的能量则介于C的2s和2p轨道之间，通过一些简单计算可以得出这条轨道的能级大概在靠进2p轨道的四分之一处。新的杂化轨道的命名为2sp^3 orbital。杂化完成之后，原本的2s和2p轨道就不再存在了。

然后我们就可以推断出杂化轨道的形状，首先1s orbital是一个球体，2s orbital是一个更大的球体包裹在1s orbital外（这里可以不看1s轨道，因为我们杂化的是价电子所在的2s和2p轨道），2p orbital是沿x，y，z坐标轴分布的纺锤形，所以没杂化前长这样：

杂化之后的形状就不太一样了，长这样：

（正四面体 tetrahedral shape）

因为上文中提到的VSEPR（价层电子对互斥模型，在这个模型中电子对相互排斥，成键电子与孤对电子距离越远越好。VSEPR模型以最简单的方法形象化了化学变化，也很容易判断物质的空间构型）每条2sp^3轨道的能量相等，互相的排斥力也相等，所以就形成了相等的键角which is 109.5度。

当然，碳原子只有在成键的情况下才会发生杂化，以CH4甲烷分子为例，四个氢原子与碳原子的四个杂化轨道重合成键，下图是大家更为熟悉的球棍模型。

因轨道重合而形成的键叫做sigma bond(σ键)，表示一对电子形成的单键。

那么双键呢？

我们以乙烯分子（C2H4）为例，也就是书上的例子。中间的碳碳双键中也有一个σ键，但是双键的另一个键叫π键。

两个碳原子的成键情况是一样的，分开来看每一个碳原子都接了三个原子，所以实际上三个2p orbital只有两个杂化了，并与一个s orbital杂化形成了三个相同的2sp2杂化轨道。最终剩余一个2p轨道没有被杂化。

杂化后两个对称的C原子的轨道

蓝色的为未杂化的相对来说是y轴上的2p轨道，而绿色的三条为杂化后的2sp^2杂化轨道，并且这三个绿色的orbital实际上形成了trigonal planar的形状也就是一个平面等边三角形，显而易见，这三个键角都是120度。

上图中两个对称的C原子中间相对的绿色部分的2sp^2杂化轨道重叠形成了双键中的σ键

而π键其实是由未参与杂化的两条2p轨道（蓝的）上半部分和下半部分分别重合而成的（如图），这个π键表示的蓝色空间里此时有一对电子在运动。

那么，碳碳三键呢？以乙炔（C2H2）为例，非常简单，这是只有一个2p轨道参与了杂化，如下图。

因为这次有两个p轨道没有参与杂化，所以自然而然未杂化的两个2p轨道则各自重叠形成了两个π键（互相垂直），这时蓝色和粉色的区域中各有一对电子在运动。

spd杂化轨道的形状则会更复杂一些，包括六面体，八面体等，有兴趣的话可以自己搜一搜。

总结

讲了这么多，杂化轨道理论到底有什么用呢？我的化学老师说：“其实它主要就解释了有机物也就是碳原子是如何成键的”，杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力更强，键能也更大，可以使分子更加稳定。考虑到正学习AL化学这部分知识点的同学们（包括本人）可能会觉得杂化轨道很抽象所以整理了这个知识点，希望可以给到大家一些帮助。