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1.10 : 价键理论和杂化轨道

根据价键理论,当满足以下条件时,就会形成共价键:(1) 一个原子上的轨道与第二个原子上的轨道发生重叠; (2) 每个轨道中的单电子结合形成电子对。 共价键的强度取决于所涉及轨道的重叠程度。 当轨道在两个原子核之间的直线上重叠时,可以实现最大重叠。

σ键(路易斯结构中的单键)是电子密度集中在核间轴的上共价键。 π 键是由两个 p 轨道并排重叠产生的共价键。 在 π 键中,轨道重叠区域位于核间轴的相对两侧,而沿轴有一个节点(没无电子存在的平面)。 所有单键都是σ键,而多重键由σ键和π键组成。

当原子结合成分子时,原子轨道的波函数可以结合,产生具有新形状的数学描述。 这个过程称为杂化,通过原子轨道的线性组合完成, 由此产生的新轨道称为杂化轨道。

杂化轨道仅在共价键合的原子中形成,其形状和方向与孤立原子中的原子轨道不同。 杂化轨道的数量等于生成它们的原子轨道数量。 一组杂化轨道中的所有轨道在形状和能量上等效,并且其方向由VSEPR理论预测。 杂化轨道重叠形成σ键,而未杂化轨道重叠形成π键。

例如,在碳的激发态下,一个 2s 和三个 2p 轨道发生杂化,产生四个四面体取向的简并杂化 sp3 轨道。 在甲烷分子中,四个氢原子各自的 1s 轨道与碳原子的四个 sp3 轨道之一重叠,形成σ键。

类似地,碳的1个2s和2个2p轨道的混合产生三个具有三角平面几何结构的等效sp2杂化轨道,而1个2s和1个2p轨道的杂化产生两个彼此成180°取向的sp轨道。

对于在其价层中具有 d 轨道的原子,五个价层原子轨道(一个 s、三个 p 和一个 d 轨道)的杂化给出了五个sp3d 杂化轨道,呈三角双锥几何形状。 通过混合六个价层原子轨道(一个s、三个p和两个d轨道),可以获得六个sp3d2杂化轨道,形成八面体排列。

本文改编自 Openstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory and Section 8.2 Hybrid Atomic Orbitals.

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Valence Bond TheoryHybridized OrbitalsCovalent BondElectron PairOverlapInternuclear AxisSigma BondPi BondAtomic OrbitalsHybridizationHybrid Orbitals

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