化学杂交：SP，SP2，SP3 - 化学

所述化学杂交是“混合”的原子轨道，其概念是由化学家鲍林于1931年引入，以覆盖价键（TEV）的理论的缺陷。有什么缺点？它们是：分子几何形状和类似甲烷（CH ₄）的分子中的等效键长。

根据TEV，在甲烷中，C原子轨道与四个H原子形成四个σ键，C的形态形状（底部图像）的2p轨道彼此垂直，因此H应该是几个与其他人成90度角。

此外，C的2s（球形）轨道与H的1s轨道相对于其他三个H的角度为135º 。但是，通过实验发现，CH ₄中的角度为109.5º，并且此外，C – H键的长度相等。

为了解释这一点，必须考虑原始原子轨道的组合以形成四个简并的（等能量的）杂化轨道。在这里化学杂交开始起作用。混合轨道是什么样的？这取决于产生它们的原子轨道。而且，它们表现出其电子特性的混合。

Sp杂交

对于CH ₄，C的杂交是sp ³。通过这种方法，用四个在109.5º处分开并指向四面体顶点的sp ³轨道解释了分子的几何形状。

在上图中，您可以看到sp ³轨道（绿色）如何在原子（A，对于CH ₄为C ）周围建立四面体电子环境。

为什么要109.5º而不是其他角度才能“绘制”不同的几何图形？原因是因为该角度使与A结合的四个原子的电子排斥最小化。

因此，CH ₄分子可以表示为四面体（四面体分子几何形状）。

如果C代替H与其他原子团形成键，那么它们的杂化是什么？只要碳形成四个σ键（C – A），它们的杂化作用就会是sp ³。

因此可以假定在其他有机化合物如CH ₃ OH，CCl ₄，C（CH ₃）₄，C ₆ H ₁₂（环己烷）等中，碳具有sp ³杂化。

这对于草绘有机结构至关重要，在有机结构中，单键碳代表了发散点。即，该结构不保留在单个平面中。

在不解决数学方面（波动函数）的情况下，这些混合轨道最简单的解释是什么？sp ³轨道暗示它们是由四个轨道起源的：一个s和三个p。

因为假定这些原子轨道的组合是理想的，所以生成的四个sp ³轨道是相同的，并且在空间（例如p _x，p _和 p _z轨道）中占据不同的方向。

以上适用于其余可能的杂化：形成的杂化轨道的数量与组合的原子轨道的数量相同。例如，sp ³ d ²杂化轨道由六个原子轨道组成：一个s，三个p和两个d。

根据瓦伦西亚壳牌电子对排斥理论（RPECV），一对自由电子比键合原子占据更多的体积。这会导致链节分开，从而降低电子电压并使角度偏离109.5º：

例如，在水分子中，H原子与sp ³轨道（绿色）键合，并且未共享的电子对“：”也占据了这些轨道。

这些电子对的排斥通常表示为“带眼的两个地球”，由于其体积，它们排斥两个σO-H键。

因此，在水中，结合角实际上为105º，而不是四面体几何形状预期的109.5º。

那么H ₂ O具有什么几何形状？它具有角度几何形状。为什么？因为尽管电子几何形状是四面体，但两对非共享电子将其扭曲为一个有角的分子几何形状。

当一个原子结合两个p和一个s轨道时，它会生成三个sp ²杂化轨道。但是，一个p轨道保持不变（因为其中有三个），在上图中以橙色条表示。

这里，所有三个sp ²轨道都被涂成绿色，以突出显示它们与橙色条的区别：“纯” p轨道。

具有sp ²杂化的原子可以可视化为平坦的三角形底面（用sp ²轨道绘制为绿色的三角形），其顶点之间相隔120º角并垂直于条形。

纯粹的p轨道起什么作用？形成双键的（=）。sp ²轨道允许形成三个σ键，而纯p轨道一个π键（双键或三键涉及一个或两个π键）。

例如，要绘制羰基和甲醛分子的结构（H ₂ C = O），请按照下列步骤操作：

C和O 的sp ²轨道形成σ键，而它们的纯轨道形成π键（橙色矩形）。

可以看出，其余的电子基团（H原子和不共享的电子对）如何位于彼此间隔120º 的另一个sp ²轨道中。

上图显示了具有sp杂交的A原子。在此，一个s轨道和一个p轨道组合形成两个简并的sp轨道。但是，现在两个纯p轨道保持不变，这允许A形成两个双键或一个三键（≡）。

换句话说：如果在一个结构中C符合上述条件（= C =或C≡C），则其杂交为sp。对于其他较少说明的原子-例如过渡金属-电子和分子几何结构的描述很复杂，因为还考虑了d轨道和f到f轨道。

混合轨道以180º的角度分开。因此，键合的原子以线性分子几何形状（BAB）排列。最后，在下图中，可以看到氰化物阴离子的结构：