[科普中国]-混成轨域

混成轨域（英语：Hybrid orbital），即杂化轨道，是指原子轨道经杂化（hybridization）后所形成的能量简并的新轨道，用以定量描述原子间的键结性质。与价层电子对互斥理论可共同用来解释分子轨道的形状。

杂化概念是莱纳斯·鲍林于1931年提出。

简介所谓混成轨域，即为二种或二种以上的原子轨域混合，所产生的新轨域。

混成轨域的形状和方向性行(directional properties)都与原来的单纯原子轨域不同，例如2s轨域与2p轨域结合会产生二个新的sp混成轨域。

发展史化学家莱纳斯·鲍林第一个提出了混成轨域理论来解释甲烷（CH4）等分子的结构。

这个概念原本是为了解释简单的化学系统而开发的，但是这种方法后来被广泛应用，至今天它仍然是一种解释有机化合物结构的有效理论。

轨道是描述电子在分子中的行为的一个模型。

对于较简单的原子，如氢原子，薛定谔方程可以被精确求解。在较重的原子（如碳、氮、氧）中，原子使用了2s和2p轨道，类似氢原子的激发态轨道，混成轨域被认为是这些原子轨道以不同的比例互相叠加而成的混合。

混成轨域理论给出了路易斯结构的量子力学解释，因而在有机化学里得到了广泛应用。

要点1.在成键的过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函数），可以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新原子轨道，这种轨道重新组合的方式称为杂化（Hybridization），杂化后形成的新轨道称为混成轨域（Hybrid Orbital）1。

2.混成轨域的角度函数在某个方向的值比杂化前的大得多，更有利于原子轨道间最大程度地重叠，因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强（轨道是在杂化之后再成键）。

3.混成轨域之间力图在空间取最大夹角分布，使相互间的排斥能最小，故形成的键较稳定。不同类型的杂化轨道之间夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。

4.只有最外电子层中不同能级中的电子可以进行轨道杂化，且在第一层的两个电子不参与反应。

5.不同能级中的电子在进行轨道杂化时，电子会从能量低的层跃迁到能量高的层，并且杂化以后的各电子轨道能量相等又高于原来的能量较低的能级的能量而低于原来能量较高的能级的能量。当然的，有几个原子轨道参加杂化，杂化后就生成几个杂化轨道。

6.混成轨域成键时，要满足原子轨道最大重叠原理。

杂化后的电子轨道与原来相比在角度分布上更加集中，从而使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更加牢固。

混成轨域的类型(1)sp杂化

同一原子内由一个ns轨道和一个np轨道发生的杂化，称为sp杂化。杂化后组成的轨道称为sp杂化轨道。sp杂化可以而且只能得到两个sp杂化轨道。实验测知，气态BeCl2中的铍原子就是发生sp杂化，它是一个直线型的共价分子。Be原子位于两个Cl原子的中间，键角180°，两个Be－Cl键的键长和键能都相等。

(2)sp2杂化

同一原子内由一个ns轨道和二个np轨道发生的杂化，称为sp2杂化。杂化后组成的轨道称为sp2杂化轨道。气态氟化硼（BF3）中的硼原子就是sp2杂化，具有平面三角形的结构。B原子位于三角形的中心，三个B－F键是等同的，键角为120°。

(3)sp3杂化

同一原子内由一个ns轨道和三个np轨道发生的杂化，称为sp3杂化，杂化后组成的轨道称为sp3杂化轨道。sp3杂化可以而且只能得到四个sp3杂化轨道。CH4分子中的碳原子就是发生sp3杂化，它的结构经实验测知为正四面体结构，四个C－H键均等同，键角为109°28′。这样的实验结果，是电子配对法所难以解释的，但杂化轨道理论认为，激发态C原子（2s12p3）的2s轨道与三个2p轨道可以发生sp3杂化，从而形成四个能量等同的sp3杂化轨道。

(4)sp3d杂化

等性杂化为三角双锥结构，如PCl5

(5)sp3d2杂化

等性杂化为正八面体结构，如SF6

说明：以上只是常见的杂化轨道类型，在配位化合物中还有更多的杂化类型。

“头碰头”的方式重叠成σ键，“肩并肩”的方式重叠为π键。

例如在乙烯(CH2= CH2)分子中有碳碳双键(C=C)，碳原子的激发态中2px，2py和2s形成sp2杂化轨道，这3个轨道能量相等，位于同一平面并互成120℃夹角，另外一个pz轨道未参与杂化，位于与平面垂直的方向上。碳碳双键中的sp2杂化如下所示。

乙炔分子(C2H2)中有碳碳叁键(HC≡CH)，激发态的C原子中2s和2px轨道形成sp杂化轨道。这两个能量相等的sp杂化轨道在同一直线上，其中之一与H原子形成σ单键，另外一个sp杂化轨道形成C原子之间的σ键，而未参与杂化的py与pz则垂直于x轴并互相垂直，它们以肩并肩的方式与另一个C的py，pz形成π键。即碳碳三键是由一个σ键和两个π键组成。这两个π键不同于σ键，轨道重叠也较少并不稳定，因而容易断开，所以含三键的炔烃也容易发生加成反应。

杂化轨道限于最外层电子，而在第一层的两个电子不参与反应，而在其他层上有许多的轨道，电子会从能量低的层“跃迁”到能量高的层，而原来能量低的层是因为电子的运动方向相反，而跃迁以后电子就只向一种方向运动，所以能量会高。并且反应以后组成的能量介于原来的S轨道和P轨道能量之间。

几种杂化轨道之后的分子空间形态：

sp杂化：直线型

sp2杂化：平面三角形（等性杂化为平面正三角形）

sp3杂化：空间四面体（等性杂化为正四面体）

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学