原子轨道杂化的初步知识总结

本科学年论文原子轨道杂化的初步知识总结摘要：杂化就是指在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道重新组合成一组新轨道。这种重新组合的过程叫做杂化，所形成的新轨道叫做杂化轨道。关键词：原子轨道原子轨道能级杂化轨道杂化类型1原子轨道.......................................42量子数.........................................52.1主量子数（n）..............................52.2副量子数（l）..............................52.3磁量子数（m）..............................52.4自旋量子数（ms）...........................63原子轨道能级...................................64杂化轨道的概念.................................74.1激发.......................................84.2杂化.......................................84.3轨道重叠...................................95杂化轨道类型...................................95.1s-p型杂化................................105.2s-p-d型杂化..............................105.3等性杂化和不等性杂化......................111原子轨道1926年薛定谔根据波粒二象性的概念提出了一个描述微观粒子运动的基本方程——薛定谔波动方程。这个方程是一个二阶偏微分方程，它的形式如下：08x22222222VEhmzy式中波函数¢是x、y、z的函数E是体系的能量，求解Schordinger方程，最终就是要描述微观粒子运动的波函数¢和微观粒子在该状态下的能量E，式中ע是势能，它和被研究的粒子的具体环境有关，m是粒子的质量，这是求解方程的已知条件，п是圆周率，h是Planck常数。偏微分方程的解是一组函数，对于Schordinger方程，它的解将是一系列多变函¢数的具体表达式。波函数¢是一个三变数r、ө、ø和三个参数n、l、m的函数，对应一组合理n、l、m的取值则有一个确定的波函数¢（r，ө，ø）n，l，m波函数¢是量子力学中用以描述核外电子运动状态的函数，波函数¢叫做原子轨道。这里需要特别提醒注意：此处提到的原子轨道与波尔原子模型所指的原子轨道截然不同。前者指电子在原子核外运动的某个空间范围，后者是指原子核外电子运动的某个确定的圆形轨道。有时为了避免与经典力学中的波尔轨道相混淆，又称为原子轨函（原子轨道函数之意），亦即波函数的空间函数图像就是原子轨道。原子轨道的数学表达式就是波函数。为此，波函数与原子轨道常做同义语混用。2量子数描述原子中各电子的状态，需要四个参数，主量子数、副量子数、磁量子数和自旋量子数。2.1主量子数（n）主量子数可以是零以外的正整数。例如n=1、2、3、4….，其中每一个n值代表一个电子层：主量子数（n）12345电子层第一层第二层第三层第四层第五层电子层符号KLMNO2.2副量子数（l）n值确定后，副量子数可为零到(n-1)的正整数。其中每一个l值代表一个电子亚层：副量子数（l）012345电子亚层符号spdfgh2.3磁量子数（m）磁量子数的取值决定于l值，可取（2l+1）个从-l到+l（包括零在内）的整数。每一个m值代表一个具有某种空间取向的原子轨道。例如副量子数（l）为1时.，磁量子数（m）值只能取-1、0、+1三个数值，这三个数值表示p亚层上的三个互相重叠的p原子轨道。2.4自旋量子数（ms）自旋量子数只有+1/2或-1/2这两个数值，其中每一个数值表示电子的一种自旋方向（如顺时针或逆时针方向）。3原子轨道能级在大量的光谱数据以及某些近似的的理论计算的基础上，Pauling多电子原子的原子轨道近似能级图（如下）图中的能级顺序是指电子按能级高低在核外排布的顺序，即填入电子是各能级能量的相对高低。Pauling的原子轨道近似能级图，将所有能级按从低到高分了7各能级组，能量相近的能级划为一个能级组，不同能级组之间的能量差较大，同一能级组各能级相差较小。第一能级组中只有一个能级1s，1s能级只有一个原子轨道，图中用o表示。第二能级组中有两个能级，2s和2p，2s能级只有一个原子轨道，而2p能级有3各能量简并的p轨道。第三能级组中有两个能级，3s和3p，3s能级只有一个原子轨道，而3p能级有3各能量简并的p轨道。第四能级组中有3个能级，4s、3d和4p，4s能级只有一个原子轨道，3d能级有5各能量简并的d轨道，而4p能级有3各能量简并的p轨道。其他能级如上类似，如图，值得注意的是，除第一能级组只有一个能级外，其余个能级组均从ns能级开始到np能级结束。4杂化轨道的概念1931年Pauling在量子力学的基础上提出了杂化轨道理论首先以甲烷为例讨论，甲烷分子的成键情况和分子的几何构型，根据VSEPR理论预测甲烷分子的结构是正四面体，与实验测定结果一样，其中4个C-H键是完全等同的，H-C-H的夹角均为109度28分，而碳原子的价电子结构为112222yxpps只有两个未成对电子，所以他只能与两个氢原子形成两个共价单键，若考虑将碳原子的1各2s电子激发到2p轨道上，碳原子激发态的电子结构为11112222zyxppps，这样就可以与四个氢原子形成四个C-H单键，在这四个&键中3个是由碳原子的2p轨道和氢原子的1s轨道重叠而成的这三个键是等同的，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，他与上述的三个键不同，总之四个C-H键是不等同的，这与事实不符。Pauling假设甲烷的中心碳原子在形成化学键时，价电子层的四个原子轨道并不维持原来的形状，而是发生杂化，得到4个等同的轨道，再与氢原子的1s轨道成键，所谓杂化，就是在形成分子时，由于原子相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道重新组合成一组新轨道，这种轨道重新组合的过程叫杂化，所形成的新轨道叫杂化轨道。杂化轨道比原来为杂化轨道成键能力强，形成的化学键键能大，使分子更稳定，由于成键原子轨道杂化后，轨道角度分布图发生了变化，杂化轨道在某些方向上的分布，比未杂化的p轨道和s轨道角度分布大的多，成键是从分布比较集中的一方与别的原子成键轨道重叠，能得到更大程度的重叠，因而形成的化学键比较牢固。在形成分子过程中通常存在激发，杂化，轨道重叠等过程，下面以甲烷分子形成为例说明。4.1激发碳原子的基态电子结构为11222221yxppss，在与氢原子结合时，为使成键数目等于四，2s轨道的一个电子被激发到一个空的2p轨道上如图碳原子以激发态1111222221zyxpppss参与成键从基态变为激发态，需要能量，可以由形成共价键数目的增加而释放出更多的能量来补偿，因为碳原子在基态只能形成两个化学键，而激发态可以形成四个化学键4.2杂化处于激发态的四个不同类型的原子轨道线性组合成一组新的轨道，即杂化轨道，杂化轨道具有一定形状和方向，杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目，应该注意的是，原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才发生，孤立的激发2s2p基态激发态原子其轨道不可能发生杂化，能量相差太大的轨道也不能发生杂化，在形成甲烷分子时，由于碳原子激发态的2s2px2py2pz轨道重新组合成四个杂化轨道，如下图杂化轨道指向四面体的四个顶角，该杂化轨道由一个s轨道3各p轨道杂化而成，成为3sp杂化轨道，在成键过程激发和杂化是同时进行的4.3轨道重叠杂化轨道与其他原子轨道重叠形成化学键时，同样要满足原子轨道最大重叠原理，原子轨道重叠越多，形成的化学键越稳定，由于杂化轨道的电子云分布的更集中，所以杂化轨道成键能力比其他所有未杂化的原子轨道强，化合物的空间构型是由满足原子轨道最大重叠方向决定的，在甲烷分子中，四个氢原子的1s轨道在四面体的四个顶点位置与碳原子的4各杂化轨道重叠最大，因此决定了甲烷分子的结构是正四面体，而H-C-H之间的夹角为109度28分。5杂化轨道类型根据组成杂化轨道的原子轨道的种类和数目的不同，可以把杂化轨道分成不同的类型。杂化S轨道P轨道sp3杂化轨道5.1s-p型杂化只有s轨道和p轨道参与的杂化称为s-p型杂化，主要有以下三种类型：sp杂化sp杂化轨道是由1个ns轨道和一个np轨道形成的，其形状不同于杂化前的s轨道和p轨道。每个杂化轨道含有1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分。两个杂化轨道在空间的伸展方向呈直线型夹角180度。sp²杂化sp²杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道组合而成的。每个杂化轨道含有1/3的s轨道成分和2\3的p轨道成分。杂化轨道间夹角为120度，成平面三角形分布。sp³杂化sp³杂化轨道是由一个ns轨道和三个np轨道组合而成的。每个杂化轨道含有1/4的s轨道和3/4的p轨道成分，sp³杂化轨道间夹角为109度28分，空间构型为四面体型。5.2s-p-d型杂化ns轨道、np轨道、nd轨道一起参与的杂化称为s-p-d型杂化，主要有以下几种：sp³d杂化sp³d杂化轨道是由一个ns轨道、三个np轨道和一个nd轨道组合而成的。它的特点是五个杂化轨道在空间呈三角双锥型杂化，轨道间夹角为90度或120度。sp³d²杂化sp³d²杂化轨道是由一个ns轨道、三个np轨道和两个nd轨道组合而成的。它的特点是六个杂化轨道指向正八面体的六个顶点，杂化轨道间夹角为90度或120度。sp³d³杂化sp³d³杂化轨道是由一个轨道、三个轨道、三个轨道组合而成的。它的特点是七个杂化轨道在空间呈五角双锥。5.3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能量简并的轨道，也可能是一组能量彼此不相等的轨道。因此轨道的杂化可分为等性杂化与不等性杂化。等性杂化一组轨道中，若参与杂化的各原子轨道s、p、d等成分相等，则杂化轨道的能量相等。这种杂化称为等性杂化，如CH4分子。不等性杂化一组轨道中，若参与杂化的各原子轨道s、p、d等成分并不相等，则杂化轨道的能量不相等，这种杂化称为不等性杂化。参与轨道杂化的原子轨道不仅包含未成对电子的原子轨道，也包含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，例如水分子：杂化2s2psp3不等性杂化水分子中氧原子的不等性杂化参考文献：[1]宋天佑程鹏王杏乔编《无机化学》高等教育出版社2004年150~180[2]东北师范大学华东师范大学西北师范大学编《结构化学》高等教育出版社2003年170~200[3]天津大学无机化学教研室编《无机化学》第三版2002年160~178教师评改：打印成稿即可。参考文献格式见给你们的交印件。