基本介紹
- 中文名：混成軌域
- 外文名：Hybrid orbital
- 別名：雜化軌道
- 提出者：鮑林
- 套用學科：化學
簡介,發展史,要點,混成軌域的類型,
簡介
所謂混成軌域，即為二種或二種以上的原子軌域混合，所產生的新軌域。
混成軌域的形狀和方向性行(directional properties)都與原來的單純原子軌域不同，例如2s軌域與2p軌域結合會產生二個新的sp混成軌域。
發展史
這個概念原本是為了解釋簡單的化學系統而開發的，但是這種方法後來被廣泛套用，至今天它仍然是一種解釋有機化合物結構的有效理論。
軌道是描述電子在分子中的行為的一個模型。
對於較簡單的原子，如氫原子，薛丁格方程可以被精確求解。在較重的原子（如碳、氮、氧）中，原子使用了2s和2p軌道，類似氫原子的激發態軌道，混成軌域被認為是這些原子軌道以不同的比例互相疊加而成的混合。
要點
1.在成鍵的過程中，由於原子間的相互影響，同一原子中幾個能量相近的不同類型的原子軌道（即波函式），可以進行線性組合，重新分配能量和確定空間方向，組成數目相等的新原子軌道，這種軌道重新組合的方式稱為雜化（Hybridization），雜化後形成的新軌道稱為混成軌域（Hybrid Orbital）。
2.混成軌域的角度函式在某個方向的值比雜化前的大得多，更有利於原子軌道間最大程度地重疊，因而雜化軌道比原來軌道的成鍵能力強（軌道是在雜化之後再成鍵）。
3.混成軌域之間力圖在空間取最大夾角分布，使相互間的排斥能最小，故形成的鍵較穩定。不同類型的雜化軌道之間夾角不同，成鍵後所形成的分子就具有不同的空間構型。
4.只有最外電子層中不同能級中的電子可以進行軌道雜化，且在第一層的兩個電子不參與反應。
5.不同能級中的電子在進行軌道雜化時，電子會從能量低的層躍遷到能量高的層，並且雜化以後的各電子軌道能量相等又高於原來的能量較低的能級的能量而低於原來能量較高的能級的能量。當然的，有幾個原子軌道參加雜化，雜化後就生成幾個雜化軌道。
6.混成軌域成鍵時，要滿足原子軌道最大重疊原理。
雜化後的電子軌道與原來相比在角度分布上更加集中，從而使它在與其他原子的原子軌道成鍵時重疊的程度更大，形成的共價鍵更加牢固。
混成軌域的類型
(1)sp雜化
同一原子內由一個ns軌道和一個np軌道發生的雜化，稱為sp雜化。雜化後組成的軌道稱為sp雜化軌道。sp雜化可以而且只能得到兩個sp雜化軌道。實驗測知，氣態BeCl2中的鈹原子就是發生sp雜化，它是一個直線型的共價分子。Be原子位於兩個Cl原子的中間，鍵角180°，兩個Be－Cl鍵的鍵長和鍵能都相等。
(2)sp2雜化
同一原子內由一個ns軌道和二個np軌道發生的雜化，稱為sp2雜化。雜化後組成的軌道稱為sp2雜化軌道。氣態氟化硼（BF3）中的硼原子就是sp2雜化，具有平面三角形的結構。B原子位於三角形的中心，三個B－F鍵是等同的，鍵角為120°。
(3)sp3雜化
同一原子內由一個ns軌道和三個np軌道發生的雜化，稱為sp3雜化，雜化後組成的軌道稱為sp3雜化軌道。sp3雜化可以而且只能得到四個sp3雜化軌道。CH4分子中的碳原子就是發生sp3雜化，它的結構經實驗測知為正四面體結構，四個C－H鍵均等同，鍵角為109°28′。這樣的實驗結果，是電子配對法所難以解釋的，但雜化軌道理論認為，激發態C原子（2s12p3）的2s軌道與三個2p軌道可以發生sp3雜化，從而形成四個能量等同的sp3雜化軌道。
(4)sp3d雜化
等性雜化為三角雙錐結構，如PCl5
(5)sp3d2雜化
等性雜化為正八面體結構，如SF6
說明：以上只是常見的雜化軌道類型，在配位化合物中還有更多的雜化類型。
“頭碰頭”的方式重疊成σ鍵，“肩並肩”的方式重疊為π鍵。
例如在乙烯(CH2= CH2)分子中有碳碳雙鍵(C=C)，碳原子的激發態中2px，2py和2s形成sp2雜化軌道，這3個軌道能量相等，位於同一平面並互成120℃夾角，另外一個pz軌道未參與雜化，位於與平面垂直的方向上。碳碳雙鍵中的sp2雜化如下所示。
乙炔分子(C2H2)中有碳碳叄鍵(HC≡CH)，激發態的C原子中2s和2px軌道形成sp雜化軌道。這兩個能量相等的sp雜化軌道在同一直線上，其中之一與H原子形成σ單鍵，另外一個sp雜化軌道形成C原子之間的σ鍵，而未參與雜化的py與pz則垂直於x軸並互相垂直，它們以肩並肩的方式與另一個C的py，pz形成π鍵。即碳碳三鍵是由一個σ鍵和兩個π鍵組成。這兩個π鍵不同於σ鍵，軌道重疊也較少並不穩定，因而容易斷開，所以含三鍵的炔烴也容易發生加成反應。
雜化軌道限於最外層電子，而在第一層的兩個電子不參與反應，而在其他層上有許多的軌道，電子會從能量低的層“躍遷”到能量高的層，而原來能量低的層是因為電子的運動方向相反，而躍遷以後電子就只向一種方向運動，所以能量會高。並且反應以後組成的能量介於原來的S軌道和P軌道能量之間。
幾種雜化軌道之後的分子空間形態：
sp雜化：直線型
sp2雜化：平面三角形（等性雜化為平面正三角形）
sp3雜化：空間四面體（等性雜化為正四面體）
