共
价
键
其
二
杂化轨道理论
我们知道，如果要形成共价键需要有未成对的电子。碳原子的价电子排布为2s22p2，即存在两个未成对的2p电子。由此看来，碳原子应与氢原子以1：2结合，生成CH。若需要以1：4结合，则需要1个2s轨道的电子受外界影响跃迁到2p空轨道，但此时2s12p3的电子排布也没办法形成正四面体结构。
为了解释这个问题，美国化学家鲍林提出了杂化轨道理论。他认为，在周围原子的影响下，碳原子中原有的2s轨道和三个2p轨道会进一步线性组合成新的、能量相等的原子轨道。这种在一个原子中不同原子轨道的线性组合，称为原子轨道的杂化。杂化后的原子轨道称为杂化轨道。接下来我们借助矩道化学3D融合创新实验室软件一起来观察原子的杂化。
图8：CH4
可以看出，在杂化时，轨道的数目不变，轨道在空间中的分布方向和分布情况会发生改变，在与周围其他原子的原子轨道成键时重叠程度更大，形成的共价键更牢固。像甲烷中的碳原子这样1个s轨道和3个p轨道的杂化称为sp3杂化，所生成的四个杂化轨道称为sp3杂化轨道。
由于这四个轨道能量相同，根据洪特规则，价电子会以自旋相同的状态占据各个轨道。因此，当碳与氢原子成键时，每个杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠生成一个共价键，这样所形成的四个共价键是等同的，从而使甲烷具有正四面体结构。
S轨道与p轨道的杂化除了sp3杂化外，还有其他情况，例如，一个s轨道和两个p轨道杂化可形成三个sp2杂化轨道，一个s轨道和一个p轨道杂化可形成两个sp杂化轨道。
形成乙炔分子时，碳原子采用sp杂化，两个sp杂化轨道和两个未参与杂化的p轨道各有一个未成对电子，两个碳原子各以一个sp杂化轨道重叠形成一个σ键，同时p轨道分别重叠形成两个π键；每个碳原子都以另一个sp杂化轨道与1个氢原子的1s轨道重叠形成一个σ键。
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