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杂化

物理术语

在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函数），可以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的原子轨道，这种轨道重新组合的过程称为杂化（hybridization），杂化后形成的新轨道称为 杂化轨道（hybrid orbital）。杂化，是原子形成分子过程中的理论解释，具体有sp（如BeCl2）、sp2（如BF3）、sp3（如CH4）、sp3d（如PCl5）、sp3d2（如SF6） 杂化等等。

杂化理论概要
核外电子在一般状态下总是处于一种较为稳定的状态，即基态。而在某些外加作用下，电子也可以吸收能量变为一个较活跃的状态,即激发态。在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，在能量相近的两个电子亚层中的单个原子中，能量较低的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的电子亚层中，即所谓的跃迁现象，从而形成一个或多个能量较高的电子亚层。此时，这一个与多个原来处于较低能量的电子亚层的电子所具有的能量增加到和原来能量较高的电子亚层中的电子相同。这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。
简言之，即某原子成键时，在键合原子的作用下，价层中若干个能级相近的原子轨道有可能改变原有的状态，混杂起来并重新组合成一组有利于成键新轨道，称为杂化轨道。这一过程称为原子轨道的杂化，简称杂化。
同一原子中能量相近的n个原子轨道.组合后只能得到n个杂化轨道。例如，同一原子的1个s轨道和1个px轨道，只能杂化成2个sp杂化轨道。杂化轨道与原来的原子轨道相比，其角度分布及形状均发生了变化，能量也趋于平均化。但比原来未杂化的轨道成键能力强，形成的化学键的键能大，使生成的分子更稳定。
分类
等性杂化：杂化后所形成的杂化轨道中所含原来轨道的成分（实际是参与杂化的轨道上的电子数）完全相同，能量完全相等，这种杂化称为等性杂化。
不等性杂化：杂化后所形成的杂化轨道中所含原来轨道的成分不完全相同，能量不相等，这种杂化称为不等性杂化。
杂化轨道的类型取决于原子所具有的价层轨道的种类和数目以及成键数目等。常见的有：
sp杂化：sp杂化是指由原子的一个ns和一个np轨道杂化形成两个sp杂化轨道，每个sp杂化轨道各含有1/2s成分和1/2p成分，两个轨道的伸展方向恰好相反，互成180度夹角。
sp2杂化：原子以一个ns和两个np轨道杂化，形成三个能量相同sp2杂化轨道，每个杂化轨道各含1/3s成分和2/3p成分。三个杂化轨道间的夹角为120度。
sp3杂化：由一个ns和三个np轨道杂化形成四个能量等同的sp3杂化轨道。每个sp3轨道都含有1/4s成分和3/4p成分，构型为正四面体。
sp3d杂化：由一个ns、三个np轨道和一个nd轨道杂化形成五个能量等同的sp3d杂化轨道。每个sp3d轨道都含有1/5个s、3/5个p和1/5个d成分，构型为三角双锥。
sp3d2杂化：由一个ns、三个np轨道和二个nd轨道杂化形成六个能量等同的sp3d2杂化轨道。每个sp3d2轨道都含有1/6个s、1/2个p和1/3个d成分，构型为八面体。
判断方式
判断中心原子的杂化方式一般可以用公式:
k=m+n (m指中心原子的孤电子对数，n指与中心原子成键结合的基团数量)
m=(e-Σdi)/2
e：中心原子价电子数（价电子数就是最外层电子数）
di：与中心原子成键结合的基团最多能接收的电子数（需要接收di个电子达到稳态）
k=2，有两个轨道参与杂化，sp杂化；
k=3，有三个轨道参与杂化，sp2杂化；
k=4，有四个轨道参与杂化，sp3/dsp2杂化；
k=5，有五个轨道参与杂化，sp3d/d4s杂化；
k=6，有六个轨道参与杂化，sp3d2/d2sp3杂化；
以下以H2S为例，H2S的中心原子为硫，e=6；与硫相连的氢需要接收1个电子达到稳态。
于是，H2S的k=m+n=[6-(1+1)]/2+2=4　故H2S是sp3杂化。
局限性
杂化轨道理论可以用于解释简单的成键形式，而对于成键方式复杂的化合物则难以解释。例如铜配合物的价态问题、化合物光谱性质问题、以及反应的立体选择性问题等。这些问题随着晶体场、配位场、分子轨道和前线分子轨道理论的提出，得到了更好的解释。随着化学不断的发展，相信会有更合理统一的理论等待人们去发掘。
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