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原子轨道为什么要进行杂化？

杂化是指在形成分子时， 由于原子的相互影响， 若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来， 重新组合成一组新轨道。 这种轨道重新组合的过程叫杂化， 所形成的新轨道就称为杂化轨道。杂化轨道理论认为在形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。如 CH₄分子的形成过程：碳原子2s轨道中1个电子吸收能量跃迁到 2p空轨道上，这个过程称为激发， 但此时各个轨道的能量并不完全相同， 于是1个2s轨道和3个2p轨道“混合”起来，形成能量相等、成分相同的 4个sp³杂化轨道。然后 4个sp³杂化轨道上的电子间相互排斥，使四个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点， 碳原子的 4个sp³杂化轨道分别与 4个H原子的1s轨道形成4个相同的σ键，从而形成 CH₄分子。由于四个 C－H键完全相同，所以形成的 CH₄分子为正四面体，键角 109°28＇。

什么是原子杂化轨道？为什么要杂化？

在形成分子的过程中， 由于原子间的相互影响， 若干类型不同而能量相近的 原子轨道相互混杂，重新组合成一组能量相等， 成分相同的新轨道， 这一过程称为杂化。 经过杂化而形成的新轨道叫做杂化轨道，杂化轨道与其他原子轨道重叠时形成 σ共价键。原子在形成分子的过程中，为了使所成化学键强度更大，更有利于体系能量的降低， 总趋向于将原来的原子轨道 进一步线性组合，以形成新的原子轨道。

价键理论对共价键的本质和特点做了有力的论证， 但它把讨论的基础放在共用一对电子形成一个共价键上， 在解释许多分子、 原子的价键数目及分子空间结构时却遇到了困难。 例如C原子的价电子是2s²2p²，按电子排布规律，2个S电子是已配对的， 只有2个p电子未成对，而许多含碳化合物中 C都呈4价而不是 2价，可以设想有 1个s电子激发到 p轨道去了。那么 1个s轨道和3个p轨道都有不成对电子，可以形成 4个共价键，但s和p的成键方向和能量应该是不同的。而实验证明： CH₄分子中，4个C－H共价键是完全等同的， 键长为 114pm，键角为 109°28'。BCl₃，BeCl₂，PCl₃等许多分子也都有类似的情况。为了解释这些矛盾， 1928年鲍林(Pauling)提出了杂化轨道概念 ，丰富和发展了的价键理论。他根据量子力学的观点提出：在同一个原子中， 能量相近的不同类型的几个原子轨道在成键时，可以互相叠加重组，成为相同数目、能量相等的新轨道，这种新轨道叫杂化轨道。 C原子中1个2s电子激发到 2p后，1个2s轨道和3个2p轨道重新组合成 4个sp³杂化轨道，它们再和 4个H原子形成4个相同的 C－H键，C 位于正四面体中心，4个H 位于四个顶角。

杂化轨道种类很多，如 三氯化硼(BCl₃)分子中 B有sp²杂化轨道，即由 1个s轨道和2个 p 轨道组合成 3 个 sp² 杂化轨道，在氯化铍 (BeCl₂) 中有 sp 杂化轨道，在 过渡金属 化合物中还有 d 轨道参与的 sp³d 和 sp³d² 杂化轨道等。以上几例都是阐明了共价单键的性质，至于乙烯和 乙炔分子中的双键和三键的形成， 又提出了 σ键和 π键的概念。 如把两个成键原子核间联线叫键轴， 把原子轨道沿键轴方向 “头碰头 ”的方式重叠成键， 称为 σ键。把原子轨道沿键轴方向 “肩并肩 ”的方式重叠，称为 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。

这3个sp²杂化轨道中有 2个轨道分别与 2个H原子形成σ单键，还有1个sp²轨道则与另一个 C的sp²轨道形成头对头的 σ键，同时位于垂直方向的 pz轨道则以肩并肩的方式形成了π键。也就是说碳碳双键是由一个 σ键和一个π键组成，即双键中两个键是不等同的。

π键原子轨道的重叠程度小于 σ键，π键不稳定，容易断裂，所以含有双键的 烯烃很容易发生加成反应，如乙烯(H₂C=CH₂)和氯(Cl₂)反应生成氯乙烯(Cl—CH₂—CH₂—Cl)。

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。即碳碳叁键是由一个 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，所以含叁键的炔烃 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。