第二节 分子的空间结构

四、杂化轨道理论

问题的提出：

甲烷分子呈正四面体形，它的4个C—H的键长相同，H—C—H的键角为109°28′。依价键理论，甲烷分子的4个C—H单键都是σ键，碳原子的4个价层电子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，它们与4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体形的甲烷分子。

为解决这一矛盾，鲍林提出了新的价键理论——杂化轨道理论。

1、杂化轨道

碳原子与4个氢原子在形成CH4分子时，碳原子的1个2s轨道和能量相近的3个2p轨道发生混杂，形成4个新的能量相等、方向不同的（表示含1个s轨道和3个p轨道的成分）杂化原子轨道，各指向正四面体的四个顶点，夹角为109°28′。

4个杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠，形成4个σ键，即4个相同的C—H单键，使甲烷分子的空间结构呈正四面体形。

NH3、H2O中N、O原子也采取杂化，形成4个杂化轨道，其VSEPR模型也是四面体形。不同的是，氨分子中N有一个孤电子对，它占据一个杂化轨道，分子为三角锥形。水分子中O有两个孤电子对，占据两个杂化轨道，分子为V形。

注意：

（1）原子轨道杂化时，只有能量相近的原子轨道才能杂化，而且杂化前后原子轨道的总数目不变。

（2）杂化后得到的杂化轨道完全相同，包括能量、形状、空间伸展方向等。

除了杂化轨道外，还有sp杂化轨道和杂化轨道 。

2、sp杂化轨道

1个s轨道和1个p轨道杂化形成2个sp杂化轨道，其夹角为180°，呈直线形。还有两个2p轨道未参与杂化，可以形成π键。

如，乙炔分子中的碳原子就采取sp杂化，得到2个sp杂化轨道。1个杂化轨道与另一个碳原子形成sp-sp σ键，另1个杂化轨道与氢原子形成s-sp σ键，其键角为180°，所乙炔分子是直线形。另外两个未杂化的2p原子轨道“肩并肩”重叠，形成2个p-p π键。

3、杂化轨道

1个s轨道和2个p轨道杂化形成3个杂化轨道，其夹角为120°，呈平面三角形。还有1个p轨道未参与杂化，可形成π键。

如，乙烯分子中的碳原子就采取杂化，得到3个杂化轨道。1个杂化轨道与另一个碳原子形成 σ键，另2个杂化轨道与氢原子形成 σ键，其夹角约为120°，所以乙烯是一个平面的分子。另外一个未杂化的2p原子轨道“肩并肩”重叠，形成1个p-p π键。

注意：

杂化轨道用于形成σ键或容纳未成键的孤电子对，未参与杂化的p轨道用于形成π键。

经验归纳：碳原子的杂化轨道类型

(1)没有形成π键，采取杂化，如CH4、CCl4等；

(2)形成一个π键，采取杂化，如CH2=CH2等；

(3)形成两个π键，采取sp杂化，如CH≡CH、CO2等。

小结：价层电子对互斥模型与杂化轨道理论的综合应用

可先应用价层电子对互斥模型确定分子或离子的VSEPR模型，然后可确定中心原子的杂化轨道类型。