原子轨道的角度分布图解

在理解杂化轨道理论的过程中，我们首先需要关注原子轨道的角度分布。原子轨道是描述电子在原子中可能存在的区域的概念，其角度分布图则直观地展示了电子在不同方向上的概率密度。通过这些图解，我们可以更清晰地看到电子在原子中的分布情况，为后续的理解杂化轨道理论打下基础。

共价键理论与分子结构

价键理论一：
要点：
（1）共价键的形成条件：
原子必须具备未成对电子，这是形成共价键的先决条件；
参与成键的原子轨道需满足对称匹配、能量相近以及最大重叠的原则；
成键过程中，两原子的自旋相反的电子需进行配对，并遵循保里不相容原理。

（2）共价键的本质：
当原子相互接近时，它们的轨道会发生重叠。通过共用自旋相反的电子，原子间的能量得以降低，从而形成共价键。

（3）共价键的特征：
饱和性：一个原子的未成对电子数量有限，因此它只能与数量相等的自旋相反的电子配对成键，形成化学键的数量也因此有限；
方向性：根据原子轨道最大重叠原理，共价键的形成要求原子轨道在其角度分布最大值的方向上发生重叠。

（4）共价键的类型：
共价键可分为单键、双键和叁键，其中又包括σ键和π键。

ⅰ、σ键：

σ键的特点是其电子云沿键轴方向重叠，呈现出圆柱形对称，这种对称的轨道被称为σ轨道，由此形成的键则称为σ键。值得注意的是，σ是希腊字母，与英文中的s相对应，而s又是“对称”（Symmetry）这个英文单词的首字母。

接下来，我们来了解σ键的形成方式。
ⅱ、π键：

当两个p轨道平行地重叠时，它们之间的对称面恰好通过键轴，这个对称面被称为节面。由于这种特殊的重叠方式，形成的轨道被称为π轨道，而由其构成的键则称为π键。值得注意的是，“π”这个符号在英文中对应的是“p”，即“平行”（parallel）的首字母。接下来，我们将深入了解π键的形成过程。

σ键和π键是共价键中最基础的模型，然而，共价键的类型远不止于此。例如，苯环中存在着p-p大π键，硫酸根离子中则形成了d-pπ键，而硼烷中的多中心键更是复杂多样。此外，还有δ键，它出现在金属原子间的成键或多核配合物的结构中，当原子轨道以面对面方式重叠时，便形成了这种类型的键。

配位键也是一种重要的共价键类型。它要求成键的两原子必须共用一对电子，该电子对可以由一个原子提供并与另一原子（提供空轨道）共用。这样的共价键被称为配位键，通常用A→B表示。形成配位键需要满足两个条件：一是A原子必须提供未共用的电子对，即拥有孤对电子；二是B原子必须提供可利用的空轨道以接受电子对。

尽管价键理论能简洁地阐明共价键的形成过程和本质，成功解释了共价键的方向性和饱和性，但它在解释某些分子的空间结构时却遇到了挑战。例如，CH4分子的空间构型为正四面体，其∠HCH为109°28′，这与价键理论预测的90°键角不符。为了更好地解释这些现象，鲍林和斯莱脱在1931年提出了杂化轨道理论。这一理论在电子配对的基础上，进一步解释了多原子分子的实际空间构型和性质。

杂化轨道理论的基本要点包括：在形成分子时，同一原子中能量相近的不同类型轨道（如s、p、d等）会进行混合，以增强成键能力。这种混合产生的新的轨道称为杂化轨道。杂化轨道的理论不仅成功地解释了CH4等分子的空间构型，还为后续的化学研究提供了有力的理论支持。
几个原子轨道可以通过相互叠加进行重新组合，从而形成能量、形状和方向与原轨道有所不同的新原子轨道。这种原子轨道的重新组合过程被称为原子轨道的杂化，而所形成的新的原子轨道则被称为杂化轨道。需要注意的是，只有在形成分子的过程中，中心原子的能量相近的原子轨道才能进行杂化，孤立的原子则不会发生杂化。此外，只有能量相近的轨道才能相互杂化，例如ns与np、nd轨道，以及(n-1)dns与np轨道。

杂化过程中，总能量保持不变。然而，杂化轨道在成键时能够更有效地促进轨道间的重叠，从而增强了杂化轨道的成键能力，使得所形成的化学键具有更大的键能。这是因为杂化后轨道的形状发生了变化，电子云分布更加集中在某一方向上，进而增大了成键时的轨道重叠程度。

杂化所形成的杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相等，即杂化前后原子轨道的总数保持不变。同时，杂化轨道的空间构型取决于中心原子的杂化类型，不同类型的杂化会导致杂化轨道空间取向的不同。因此，一定数目和一定类型的原子轨道间杂化所得到的杂化轨道具有确定的空间几何构型，进而决定了共价键和共价分子的几何构型。

为了更深入地理解杂化的本质和意义，我们可以从以下几个方面进行探讨：首先，“杂化”本质上是指同一原子的能量相近的原有原子轨道进行“混杂”并重新组合的过程；其次，“杂化轨道”则是指这种新组合后的原子轨道；再者，杂化的动力源于周围原子的影响；此外，杂化后体系的能量降低是因为杂化轨道在一个方向上更加集中，便于轨道间的最大重叠；最后，杂化的规律可以总结为：杂化前后轨道数目不变，但空间取向发生改变；同时，杂化轨道能够与周围原子形成更强的σ键或安排孤对电子，而不会以空的杂化轨道存在。

•  杂化的规律

•  杂化前后轨道数目不变，空间取向改变；

•  杂化轨道能与周围原子形成更强的σ键，或安排孤对电子，而不会以空的杂化轨道存在。

•  杂化后轨道伸展方向、形状发生改变，成键能力增强，成键能力大小顺序（s成分越多成键能力越强）sp<sp²<sp³<dsp²<sp³d<sp³d²

⑵、杂化轨道的特性
、所有杂化轨道均具有相同的能量；
、杂化后形成的轨道数目与原先的原子轨道数目相等；
、杂化轨道的空间伸展方向是确定的，并非任意；它们之间存在一定的夹角；
、杂化轨道的组成成分遵循一定规则：每个杂化轨道的成分总和为1，同时，每个参与杂化的原子轨道在其所有杂化轨道中的成分总和亦为1（即单位轨道的贡献）。

sp杂化轨道：由1个ns轨道与1个np轨道杂化而成，共形成2个sp杂化轨道。这种杂化方式常见于BeCl2的成键过程，其中Be原子经历此类杂化。这两个sp杂化轨道呈180º夹角，空间构型为直线型。

SP2杂化轨道：由1个nS轨道与2个nP轨道共同杂化，生成3个等价的SP2杂化轨道。这3个轨道互成120°，形成平面正三角形分子。例如，在BCl3的成键过程中，B原子便经历了这种杂化。

SP3杂化轨道：通过1个S轨道与3个P轨道的杂化，共形成4个等价的SP3杂化轨道。这些轨道互成105°，从而形成正四面体结构分子。例如，CH4的成键过程中，C原子便采用了这种杂化方式。

BeCl2是一种共价化合物，在气态时以双聚分子的形式存在，即(BeCl2)2。这种双聚体在773~873K的温度范围内稳定存在，但当温度超过1273K时，会完全解离为单体BeCl2。固态的BeCl2则呈现出一种无限长链的结构特点。值得注意的是，在气态的BeCl2中，铍原子（Be）表现出sp杂化，其分子结构为直线型。而在双聚体(BeCl2)2中，铍原子则转变为SP2杂化。当BeCl2处于固态时，铍原子的杂化类型又变为SP3，形成正四面体结构的分子。
直线型分子结构包括COBeCl[Ag(NH3)2]+、HgClZnCl2以及HC≡CH（其中C原子为sp杂化）。平面三角形分子如BFSO3(g)、NO-CO2-3和H2C=CH2（其中C原子为sp2杂化）。正四面体形分子则包括CHSO2-SiFNH4+、[Zn(NH3)4]2+等。平面正方形分子如[Cu(NH3)4]2+、[Zn(CN)4]2-和[PdCl4]2-。三角双锥形分子有PCl5和[Fe(CO)5]。四方锥形分子如Sb(C6H5)5。正八面体形分子包括SF[Fe(CN)6]3-、FeF3-6和AlF3-6。五角双锥形分子则是IF7。此外，还介绍了等性杂化与s-p型不等性杂化的概念。等性杂化是指不同类型的原子轨道混合后，重新组合成一组完全等同的杂化轨道，其特点是各个杂化轨道的形状和能量完全相同。而不等性杂化则是指形成的杂化轨道能量不完全相等，所含成分也不完全相同的过程。
参与杂化的原子轨道中存在孤对电子时，所形成的杂化轨道的形状和能量往往不完全相同。具体来说，当参与杂化的原子轨道上的电子数目与杂化轨道数目相等，但与之成键的原子不完全相同时，这种杂化就被称为不等性杂化。例如，在CHCl3和CH2Cl2中，尽管C原子都采用sp3杂化，但由于存在孤对电子的影响，其杂化方式被视为不等性杂化。另一方面，当参与杂化的原子轨道上的电子数目多于杂化轨道数目时，部分杂化轨道会被孤对电子占据，导致这些轨道含有的s成分比单个电子占据的轨道略高，更接近中心原子核。这种情况下，即使与之成键的原子完全相同，其杂化也被视为不等性杂化。例如，在H2O、NH3和CH4中，尽管它们都采用sp3杂化，但H2O和NH3由于保留了孤对电子，使得部分杂化轨道未完全参与成键，因此它们的杂化被归类为不等性杂化。这种不等性杂化导致了分子形状的不对称性。

乙烯分子中的C原子，通过1个2S轨道与2Px、2Py轨道的杂化，形成SP2杂化轨道，这些轨道呈现出一个平面正三角形的结构。在乙烯分子中，两个成键的C原子各自贡献一个SP2杂化轨道，相互重叠，从而形成1个C－Cσ键。同时，每个C原子还与两个H原子的1S轨道通过SP2杂化轨道形成2个C－Hσ键。这五个σ键都位于同一平面内。此外，每个C原子还剩余一个2Pz轨道，它们平行地相互重叠，进而形成π键。
、乙炔分子中的C原子，通过1个2S轨道与1个2Px轨道的杂化，形成SP杂化轨道，这些轨道呈现出直线形结构。在乙炔分子中，两个成键的C原子各自贡献一个SP杂化轨道，相互重叠，从而形成1个C－Cσ键。同时，每个C原子还与两个H原子的1S轨道通过SP杂化轨道形成2个C－Hσ键。这三个σ键都位于同一直线上。此外，每个C原子还剩余2Py和2Pz轨道，它们平行地相互重叠，进而形成2个π键。
弯键：
在杂化轨道中，其极大值方向通常与键轴方向保持一致，从而形成具有圆柱对称性的σ键。然而，有时这一极大值方向会偏离分子中成键两原子间的连线方向。以环丙烷为例，其键角为60°，而碳原子则采用sp³杂化轨道进行成键，这意味着轨道间的夹角为105°。由此可以看出，轨道叠加的最大区域实际上位于三角形的外侧。因此，所形成的σ键并非沿键轴方向呈圆柱对称，而是呈现出一种弯曲的形态。这类弯曲的σ键被称为弯键。值得注意的是，四面体结构的P4分子中也存在这种弯键。