碳原子的杂化轨道及其在分子中的应用？ ¹

包林（Linus Pauling）在1935年提出了价键理论，该理论认为不同性质的原子轨道可以通过杂化形成一组相同性质的轨道，这些杂化轨道的取向决定了分子或离子的几何结构。尽管该理论使用原子轨道而不是分子轨道，但在分子结构的确定方面仍然非常有用。下面将介绍一些特定化合物的例子。

每个原子轨道可以容纳两个自旋相反的电子。根据洪特规则，在电子配对之前，电子会单独进入各个给定类型的轨道。因此，碳原子在基态中只有两个单电子，其电子结构为1s²2s²p¹p¹。根据这个结构，人们会预期碳原子只能形成两个共价键，但实际上碳的二价化合物并不像四价化合物那样普遍。那么碳如何获得四个单电子并用它们形成四个共价键呢？答案是：碳原子将2s轨道中的一个电子激发到第三个2p轨道中，其电子结构变为1s²2s¹p¹p¹。需要注意的是，电子激发所需的能量被价键形成时释放出来的能量所抵消。因此，在电子激发和价键形成之后，能量状态比这两步之前更低，对应于一种更稳定的状态。

碳原子在基态和电子激发后的电子分布可以用图示表示，其中用小圆圈代表各原子轨道，用箭头代表电子。三个p轨道在空间中相互成90°角，而s轨道没有方向性。

在形成甲烷分子时，四个氢原子通过与碳原子的原子轨道重叠，各提供一个电子。实验事实表明，甲烷的四个键在键长和键强度上都是相等的，并且它们都指向一个正四面体的角顶。根据量子力学计算，碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道杂化起来形成四个新的等性轨道，它们在空间中的排布使其突出部分指向一个正四面体的角顶。这些轨道被称为sp³杂化轨道，表示一个s轨道和三个p轨道的杂化。sp³杂化使分子形成四面体构型。

甲烷分子的四个氢原子的18个轨道与碳原子的sp³轨道发生重叠形成sp³-s键。这种重叠与形成分子轨道的重叠类似。这样的重叠结果就形成了四个极强的共价键，产生甲烷分子CH₄。

在乙烷C₂H₆中，碳原子的一个sp³轨道与另一个碳原子的sp³轨道以头碰头的方式互相重叠形成一个σ键。碳原子的另外三个sp³轨道与氢原子的1s轨道重叠形成额外的σ键。乙烷分子由两个共享一个角顶的四面体构成。

杂化过程只能在能量非常接近的轨道之间发生，例如2s和2p或3s和3p可以发生杂化，但是2s和3s不能发生杂化。