杂化轨道理论
论杂化轨道理论与分子结构
分子作为物质结构的最基本单位之一，自古一来就吸引着无数科学家去遐想，去钻研它的结构。所以历史上，涌现出好几种关于分子结构的模型。其中较为成功的是波尔的原子模型与量子模型。
波尔原子模型认为，电子是在一个绕原子核的特定轨道上运功，其能量与其轨道半径有关。当一个电子既不吸收能量，又不放出能量的情况下，他只能在一个特定的轨道上运动，犹如地球绕太阳运动一样。先假设对任意原子，设其原子核带电量为Z*e，e为元电荷电量。 则设一个电子的能量为E。在此电子既不吸收能量，又不放出能量的情况下，他的轨道半径必为一个定值。
设该电子的轨道半径为r，
则其受力为： Fke*(Ze).设其运动速度为v， 2r
mev2ke*(Ze)∴F。 2rr
1kZe2
2解之，得：Ek*mev 22r
kZe2而该电子的电势能为：Ep r
kZe2kZe2kZe2
∴EEkEp， 2rr2r
kZe21∴r，其中，k 2E40
因此可知，核外电子的轨道半径只与该电子的能量有关。
以上结论为经典的轨道理论，但在解释一些分子结构时就显得无
能为力。此时，量子理论就显示了其无穷的魅力。
物理学家薛定谔在苏黎世大学任教授时，提出了著名的薛定谔方程。该方程指出了一个电子的运动情况由四个量子数决定，分别为主量子数，角量子数，自旋量子数和磁量子数。其中，主量子数反映了一个电子所在的能量层次，越远了原子核，能量越高；自旋量子数反映了该电子自旋方向，分左旋与右旋两种；角量子数决定了电子的角动量，以及电子的电子云形状；磁量子数决定电子云的取向。 下图为各种电子云的形状示意图：
S电子云 P电子云 d电子
按照这个原子模型理论，在核外的每一个电子层内都有许多不同的电子亚层，按照s，p，d，f电子轨道能量依次上升。例如碳原子其核外共有两个电子层，6个电子。第一层有两个1s电子，第二层有两个2s电子，两个2p电子。
此图表示碳原子第二个电子层内的电子分布。
如此，就会出现一个问题，考虑CH4分子结构。如果甲烷中的碳
原子以第二电子层的四个价电子分别与四个氢原子电子云重叠形成共价键的话，则由于四个碳原子价电子能量不同，使得形成的四个碳氢键长短不同，且共价键之间的夹角也不同，但是事实证明，甲烷中的四个共价键完全相同，构成标准的正四面体，夹角为10928/。
怎么解释如此问题呢？Linus Carl Pauling于1931年提出杂化轨道理论，解释了这个问题。
杂化轨道理论认为，在形成甲烷分子时，C原子上的一个2s电子可被激发到2p空轨道上，形成四个单键，在成键过程中，这4个不同的轨道重新组合成4个能量相等的新轨道，由于是由1个s与3个p轨道组合而成，因而新轨道称作sp3杂化轨道。每一个sp3杂化轨道含1/4s成分和3/4p成分这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键，形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。四个轨道均有相同的能量，故为满足能量最低原理，四个轨道之间的夹角必然相同，所以甲烷为正四面体。
上图表示了杂化的完成过程。
杂化轨道理论解决了在有机分子中的结构问题，对于烯，炔 类物质的结构也有很完美的解释，分别称之为sp2，sp3杂化。
下图为乙烯分子的结构图。
在乙烯分子中，碳原子采用的是sp2杂化，即使用一个2s轨道与两个2p轨道杂化形成3个新的sp2杂化轨道，处于一个平面上，夹角为120。另一个没有参与杂化的2p轨道垂直于三个sp2轨道所形成的平面。乙烯中两个碳原子分别以两个杂化轨道与两个氢原子结合，另一个为参与杂化的p轨道平行重合一部分，形成一个特殊的共价键，键，相对的，那种头对头重合形成的共价键叫做键。
键的形成使得乙烯中两个碳原子之间形成两个共价键，其中键键能较弱，这使得该键很容易断裂，产生亲电加成反应。
同理，在炔类物质中，杂化方式为sp杂化。一个s轨道与一个p轨道杂化形成两个新的sp杂化轨道，为满足能量最低原理，两轨道在一条直线上。另外两个未参与杂化的p轨道分别形成两个相互垂直的键，构成炔键。如图。
杂化轨道理论在量子化分子模型的基础上，通过大胆的猜想，解决了有机化学中一系列关于分子结构的问题。杂化轨道理论在无机化合物的结构分析，特别是副族元素形成的化合物中也有十分重要的应用。下面简单介绍几种。
1. 氨结构
氨分子(NH3)的结构如下图。
氨分子的电子排布如下：
氨分子在进行轨道杂化时，先将一个2s电子激发，使之跃迁至一个2p轨道，先假设其跃迁至2Px轨道中，然后4个轨道经行
杂化，生成的4个杂化轨道中三个只有一个电子的轨道与氢原子结合形成键，另一个不与其他原子成键。因此氨分子中的4个共价键键能不同，形成一个不规则的四面体，如上图所示，其夹角发生变化。
2.SF6分子。
此分子中硫分子的3s，3p，和3d轨道共同发生杂化，形成6个完全相同的杂化轨道，分别与氟原子结合，形成SF6分子。杂化方式
如下图。
图中，一个3s电子和一个3p电子被激发，跃迁到3d轨道内。之后一个3s，三个3p，两个3d轨道发生杂化，形成了6个sp3d2轨道，形成该分子。分子结构如下图。
杂化轨道理论在分析结构中产生重要影响，也给我们给了一些启发。电子云是核外电子的统计学产物，他是有电性存在的。既
然不同共价键之中的相互作用都可以改变分子的结构，那么，我
们是不是可以用电磁场影响其电子云的走向，从而改变其在化学反应中的性质，来产生一些传统催化剂所达不到的效果呢？让我们拭目以待。