
杂化轨道可分为等性杂化和不等性杂化两种。不等性杂化指参加杂化的各原子轨道中所含的未成对电子数不相等,杂化后所生成的杂化轨道的形状和能量不完全等同,或者说在每个杂化轨道中所含s成分和p成分的比例不完全相等。
杂化轨道理论是为了解释多原子分子的空间构型问题,于1931年由鲍林和斯莱脱根据电子具有波性,波可以互相叠加的量子力学原理,在价键理论的基础上建立起来的。该理论不仅成功地解释了许多分子的几何构型,而且还加深了人们对分子构型的理解。它既直观, 又易于接受, 所以, 在《无机化学》分子结构一章中将该理论作为重点介绍的内容。
不等性杂化的特点是参加杂化的各原子轨道中所含的未成对电子数不相等,杂化后所生成的各杂化轨道的形状和能量不完全等同。或者说每个杂化轨道中所含s成分和p成分的比例不相等,这类杂化叫做不等性杂化。
在杂化过程中形成的各新杂化轨道所含s 和 p 的成分不相等,这样的杂化称为不 等性杂化,形成的杂化轨道为不等性杂化轨道。
、、O、S 等分子中的中心原子N、P、O 、S 原子在成键时均采用 sp3不等性杂化。分子中的N原子的外层电子构型为2S22P3, 成键时进行sp3杂化。但由于原先s 轨道中已含一对孤对电子,因此杂化后4 个 Sp3杂化轨道所含s、P 的成分不完全相等。成键时,N 原子用 3 个各含一个未成对电子的sP3成键杂化轨道分别与3 个 H 原子的1s 轨道重叠,形 成 3 个 N- H 键 ,而一个含孤对电子的sp3杂化轨道没有参加成键,由于孤 电子对在N 原子核外占据较大空间,对其他3 个成键电子云有排斥作用,使 N—H 键之间 的 键 角 小 于 109°28',而 是 107° 18',因 此 ,NH3分 子的 几 何 构 型 为 三 角 锥 形。
分子中的基态O 原子的外层电子构型为2s22p4,已含两对孤对电子,在 形 成 分子时,在 H 原子的影响下, O原子采取sp3不等性杂化,得到能量不同的两组sp3杂化轨 道。成键时, O 原子用两个各含有1 个未成对电子的sp3成键杂化轨道分别与两个H 原 子的1S 轨道重叠,形成两个O—H 键,而两个含孤对电子的杂化轨道没有参与成键。 由于两对孤对电子对成键电子云的排斥作用更大,使 O—H 键之间的键角更小,故 分子中O—H 键之间的键角是104°45',因此,分子的几何构型为 V 形。
众所周知,将同一个原子的若干不同类型的原子轨道“ 混合” 起来, 重新组成一组新原子轨道的过程叫原子轨道的杂化,而形成的一组新轨道叫杂化轨道。当形成的一组杂化轨道完全等同(成分相等,能量相同时,这种杂化又叫等性杂化,否则为不等性杂化。对于这一点,各种教科书中的说法是相一致的。但是,对于如何引起杂化轨道中成分不等而形成不等性杂化却各有评说。
第一种观点认为:凡是由于杂化轨道中有不参加成键的孤电子对的存在,而形成不完全等同的杂化轨道,这种杂化叫不等性杂化。这也是多种《无机化学》教科书上较普遍的说法。
第二种观点则认为:对于不等性杂化,不仅要考虑中心原子是否有孤对电子,而且还要考察与中心原子相互作用的其它原子的影响。若中心原子A 与完全相同的原子或基团B形成共价键,由于所形成的键都一样,A 原子轨道一般采取等性杂化,若中心原子A 与不相同的其它原子或基团B和C同时结合,就会形成不同的键而出现不等性杂化。
第三种观点是:当中心原子参与杂化的轨道除了有被成单电子占据的外,在还有空轨道时, 则认为中心原子也采取了不等性杂化。如分子中每个B原子采取了不等性杂化,其中三个杂化轨道各占有一个成单电子,而有一个杂化轨道是空的。
第四种观点认为:不等性杂化又分为有孤对电子参加的杂化和没有孤对电子参加的杂化(又叫部分杂化)两种类型。所谓部分杂化是指中心原子成键的原子轨道只有一部分原子轨道参加杂化,且生成
键,而未杂化的原子轨道形成π键。在杂化过程中形成的每一种杂化轨道所含的s 及 p 的 成分相等, 这样的杂化称为等性杂化,形成的杂化轨道为等性杂化轨道。
如
、、等分子为等性杂化。基 态 Be的外层电子构型为2s2,在成键时先发生激发,成为激发态2s12p1。随即发生杂化,即Be的1个2s 轨道和1个2p轨道进行sp杂化,形成两个sp杂化轨道,每个杂化 轨道中各有一个未成对电子。两个C1原子的3p1轨道以“头顶头”方式与各杂化轨道大的一端重叠,形成两个σ键。由于Be的两个sp杂化轨道间的夹角是180°,因此所形成的 BeCI2的几何构型为直线形。基态C原子只有两个未成对电子,在形成时 ,在H的影响下,C的1个2S轨道和3个2p轨道进行sp3杂化,形成4个sp3杂化轨道,每个Sp3杂化轨道中各有一个未成对电子。C用4个Sp3杂化轨道分别与4个H的1s轨道重叠形成4个σ键。由于C的4个sp3杂化轨道间的夹角为109°28',所以生成的的几何构型为正四面体。