杂交——定义、类型、规则、例子

杂化的概念被定义为结合两个原子轨道以创建一种新型杂化轨道的过程。这种混合通常会导致形成具有完全不同的能量、形状等的混合轨道。杂化主要由相同能级的原子轨道进行。然而，如果它们的能量相等，完全填充和半填充的轨道都可以参与这个过程。杂化的概念是价键理论的延伸，它帮助我们理解键的形成、键能和键长。

When two atomic orbitals combine to form a hybrid orbital in a molecule, the energy of the orbitals of individual atoms is redistributed to give orbitals of equivalent energy. This is known as hybridization. The atomic orbitals of comparable energies are mixed together during the hybridization process, which mostly involves the merging of two orbitals or two ‘p’ orbitals or the mixing of an ‘s’ orbital with a ‘p’ orbital as well as an ‘s’ orbital with a ‘d’ orbital.

混合轨道是该过程形成的新轨道。更重要的是，杂化轨道可用于解释原子键合性质和分子几何形状。例如，碳形成四个单键，其中价壳 s 轨道与三个价壳 p 轨道结合。这种组合产生四种等效的 sp ³混合物。这些将围绕碳以四面体图案排列，碳与四个不同的原子键合。

杂交的特点

1. 杂化发生在具有相等能量的原子轨道之间。
2. 形成的混合轨道的数量等于混合的原子轨道的数量。
3. 不需要所有半满轨道都参与杂交。即使是完全充满但能量略有不同的轨道也可以参与。
4. 杂化仅在键形成期间发生，而不是在单个气态原子中发生。
5. 如果分子的杂交已知，则可以预测分子的形状。
6. 混合轨道的大叶总是正的，而对面的小叶总是负的。

杂交类型

根据参与混合的轨道类型，杂交可分为 sp ³ 、sp ² 、sp、sp ³ d、sp ³ d ²或 sp ³ d ³ 。

sp杂交

当原子主壳层中的一个 s 和一个 p 轨道结合形成两个新的等效轨道时，就会发生这种情况。新形成的轨道称为 sp 杂化轨道。它产生具有 180° 角的线性分子。它需要结合一个轨道和一个能量相等的“p”轨道，以产生一个新的混合轨道，称为 sp 杂化轨道。

• 它也被称为对角杂交。
• 每个 sp 杂化轨道包含相同数量的 s 和 p字符。
• BeF ₂ 、BeH ₂和BeCl ₂等所有铍化合物都是示例。

sp-轨道

sp ²杂交

当同一原子壳层的一个 s 和两个 p 轨道结合形成三个等效轨道时，就会发生这种情况。新形成的轨道被称为 sp ²杂化轨道。它也被称为三角杂交。它需要将一个轨道与两个能量相等的“p”轨道结合起来，以创建一个新的混合轨道，称为 sp ² 。 s 和 p 轨道的三角对称混合保持在 120 度。所有三个混合轨道都保持在同一平面上，并彼此形成 120° 角。

• 形成的每个混合轨道都有 33.33% 和 66.66% 的“p”字符。
• 具有三角形平面形状的分子具有一个中心原子，该原子与三个其他原子相连并且是 sp ²杂化的。硼化合物就是例子。

sp ²轨道

sp ³杂交

当来自同一原子壳的一个's'轨道和三个'p'轨道结合形成四个新的等效轨道时，这种杂化称为四面体杂化或sp ³ 。新形成的轨道被称为 sp ³杂化轨道。它们指向正四面体的四个角，彼此形成 109°28' 角。

• sp3 杂化轨道形成 109.28 度角。
• 每个混合轨道都有 25% 的 s字符和 75% 的 p字符。
• 乙烷和甲烷是两个例子。

sp ³轨道

sp ³ d 杂交

1s 轨道、3p 轨道和 1d 轨道的混合产生 5 个等能量的 sp3d 杂化轨道。它们的几何形状是三角双锥体。 s、p 和 d 轨道的组合导致三角双锥对称。赤道轨道是三个混合轨道，彼此成 120° 角并位于水平面上。

• 其余两个轨道，称为轴向轨道，位于赤道轨道的 90 度平面的垂直平面内。
• 在五氯化磷中杂交，例如 (PCl ₅ )。

sp ³ d 轨道

sp ³ d ²杂交

它具有 1s、3p 和 2d 轨道，它们结合形成 6 个相同的 sp ³ d ²杂化轨道。这六个轨道指向八面体的角。它们彼此倾斜 90 度角。

sp ³ d ²轨道

杂交的形状

• 线性：sp杂化是由两个电子基团的相互作用引起的；轨道角为180°。
• 三角平面：涉及三个电子基团，产生sp ²杂化；轨道相距120°。
• 四面体：涉及四个电子基团，产生sp ³杂化；轨道角为109.5°。
• 三角双锥：涉及五个电子基团，产生sp ³ d 杂化；轨道角为 90° 和 120°。
• 八面体：涉及六个电子基团，产生sp ³ d ²杂化；轨道相距90°。

本特法则

A central atom bonded to multiple groups in a molecule will hybridise so that orbitals with more s character are directed towards electropositive groups and orbitals with more p character are directed towards electronegative groups.

观察杂交类型的规则

要了解化合物或离子中的杂交类型，必须遵循以下规则。

1. 计算价电子总数。
2. 计算双工或八位字节的数量或
3. 孤对电子数
4. 使用的轨道数 = 双链或八位组的数量 + 孤对电子的数量
5. 如果没有孤对电子，那么轨道和分子的几何形状就会不同。

示例问题

问题1：在sp、sp2和sp3中，哪个杂化轨道的电负性更大？

回答：

The percentage of s character in sp, sp², and sp³ hybridised carbon is 50%, 33.33%, and 25%, respectively. Because of the spherical shape of the s orbital, it is attracted evenly from all directions by the nucleus. As a result, an s-character hybrid orbital will be closer to the nucleus and thus more electronegative. As a result, the sp hybridised carbon is the most electronegative.

问题2：什么是混合轨道？

回答：

Hybrid orbitals are formed by combining standard atomic orbitals and resulting in the formation of new atomic orbitals.

问题3：杂交的五种形状是什么？

回答：

Linear, trigonal planar, tetrahedral, trigonal bipyramidal, and octahedral are the five basic shapes of hybridization.

问题 4：为什么酰胺分子看起来是 sp ³杂化，但实际上是 sp ² ？

回答：

If the atom is either enclosed by two or more p orbitals or has a lone pair capable of jumping into a p orbital, the general process of hybridization will change. As a result, in the case of an amide molecule, the lone pair enters a p orbital, resulting in three adjacent parallel p orbitals.

问题 5：Bent 规则是什么？

回答：

A central atom connected to numerous groups in a molecule will hybridise, causing orbitals with more s character to be directed towards electropositive groups and orbitals with more p character to be directed towards electronegative groups.