化學教學中的分子雜化軌道學習

潘育才

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2016）08-261-01

高中化學中物質結構專題三中的分子軌道雜化形式是學生比較頭痛的一個問題，現在針對這幾年的教學中分子軌道雜化方式闡述如下：

一、引入分子雜化軌道理論的必要性：

由于分子軌道理論如甲烷CH4中碳原子的四個共用電子對處于相同位置，但如果從分子軌道來看我們可以看出四個共價鍵則應該是S-S所組成的σ鍵以及三個P-P形成的三個σ鍵，但如果這樣看的話四個鍵則有一個不同，所以分子軌道理論不能有效的解釋這種情況，因此為了解釋甲烷的正四面體結構。說明碳原子四個鍵的等價性，鮑林在1928一1931年，提出了雜化軌道的理論。該理論的根據是電子運動不僅具有粒子性，同時還有波動性。而波又是可以疊加的。所以鮑林認為，碳原子和周圍口個氫原子成鍵時，所使用的軌道不是原來的s軌道或p軌道，而是二者經混雜、疊加而成的“雜化軌道”，這種雜化軌道在能量和方向上的分配是對稱均衡的。雜化軌道理論，很好地解釋了甲烷的正四面體結構。那么向學生介紹這些之后我們自然而然的引入的分子雜化軌道理論。

二、分子雜化軌道理論介紹

在形成多原子分子的過程中，中心原子的若干能量相近的原子軌道重新組合，形成一組新的軌道，這個過程叫做軌道的雜化，產生的新軌道叫做雜化軌道以CH4分子的形成為例。

基態C原子的外層電子構型為2s22px12py1。在與H原子結合時，2s上的一個電子被激發到2pz軌道上，C原子以激發態2s12px12py12pz1參與化學結合。當然，電子從2s激發到2p上需要能量，但由于可多生成二個共價鍵，放出更多的能量而得到補償。

在成鍵之前，激發態C原子的四個單電子分占的軌道2s、2px、2py、2pz會互相“混雜”，線性組合成四個新的完全等價的雜化軌道。此雜化軌道由一個s軌道和三個p軌道雜化而成，故稱為sp3雜化軌道。經雜化后的軌道一頭大，一頭小，其方向指向正四面體的四個頂角，能量不同于原來的原子軌道形成的四個sp3雜化軌道與四個H原子的1s原子軌道重疊，形成（sp3-s）σ鍵，生成CH4分子。

由于雜化軌道的電子云分布更為集中，雜化軌道的成鍵能力比未雜化的各原子軌道的成鍵能力強，故形成CH4分子后體系能量降低，分子的穩定性增強。

雜化類型軌道雜化一般發生在s軌道與p軌道之間，簡稱為sp型雜化

1、SP3雜化：如CH4，NH3，H2O 空間四面體（等性雜化為正四面體）

2、sp2雜化：如：BCl3、平面三角形（等性雜化為平面正三角形）

3、sp雜化：如：CO2、CS2直線型

三、雜化軌道計算：

方法一，電子計算法

雜化軌道數=（中心原子最外層電子數+配位原子的價電子數）/2

其中氫原子與鹵素均算1，氧硫算0

如：H2O中心原子氧最外層6，氫算1：故雜化軌道數為（6+2）/2=4 所以為SP3雜化，形成軌道為SP3雜化軌道

NH3中心原子氮最外層5，氫算1：故雜化軌道數為（5+3）/2=4所以為SP3雜化，形成軌道為SP3雜化軌道

SO2中心原子硫最外層6， 氧算0：故雜化軌道數為（6+0）/2=3所以為sp2雜化形成軌道為sp2雜化軌道

CO2中心原子碳最外層4，氧算0：故雜化軌道數為（4+0）/2=2，

方法二，中心原子計算法

雜化軌道數=中心原子孤電子對數位+中心成鍵原子數

如：H2O中心原子氧的孤電子對數位為2成鍵原子數為2所以雜化軌道數為4所以為SP3雜化，形成軌道為SP3雜化軌道

NH3中心原子氮的孤電子對數位為1，成鍵原子數為3，所以雜化軌道數為4所以為SP3雜化，形成軌道為SP3雜化軌道

SO2中心原子硫孤電子對數位為1，成鍵原子數為2，所以為sp2雜化形成軌道為sp2雜化軌道

CO2中心原子碳孤電子對數位為0，成鍵原子數為2，所以為sp雜化形成軌道為sp雜化軌道

四、 雜化軌道模型與分子模型的區別

1、SP3雜化：如CH4，NH3，H2O 空間四面體（等性雜化為正四面體）

2、sp2雜化：如：BCl3、平面三角形（等性雜化為平面正三角形）

3、sp雜化：如：CO2、CS2直線型

電子雜化軌道模型是固定的。

但分子模型卻要考慮實際原子數如：

同樣是SP3雜化CH4四個軌道結合四個氫所以形成正四面體，但是NH3只有三個氫占用三個軌道一個沒有原子，所以只能形成在角錐形。而H2O只有兩個氫，因此有兩個軌道沒有原子，所以只能形成V形。再如SO3和SO2同樣是sp2但是形成的分子模形卻不一樣，因為軌道模型都是平面三角形，但是SO3三個軌道有三個氧所以為平面三角形，但SO2中只兩個氧占用兩個軌道，另一個軌道為孤電子對，所以SO2為V形。