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杂化轨道理论
主讲人：蒋毅民 教授


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知识回顾：价键理论的基本要点。
问题：在H2S分子中两个S-H键的夹角为什么
是90º 而不是180º ？

H

S

H


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H

O
1 0 9 .5

º
H
C

H

H
H

1 0 4 .5 º

CH4的分子结构

H2O的分子结构

C 原子的基态为

O 原子的基态为

1s22s22px12py12pz0

1s22s22px12py12pz2

H


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二、杂化轨道理论
1、SP3杂化（以甲烷的分子结构为例）

基态

激发态

 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，这时虽然解决了4个共价键的问题，
但是如果这4个轨道，即1个s轨道和3个p轨道，
分别与4个氢原子结合，形成4个键能量是不同的，
这与事实不符。


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杂化
激发态

杂化态

 杂化轨道还认为：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
3
s与3个p轨道组合而成，因而新轨道称作sp 杂化轨
3
道。每一个sp 杂化轨道含1/4s成分和3/4p成分.

杂化态


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。


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H

H
C
H

H


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 问题：
在CH4分子形成过程中，C原子的轨
道为什么要激发，杂化？激发过程所
需的能量从哪里来？


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尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量
但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形
成两个C-H键放出的能量要大得多，这些能量足
以补偿电子激发所 需的能量而有余，因此，C与
H形成化合物时生成CH4而不是CH2
轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键。因
为杂化后电子云分布更为集中，可使成键的原子
轨道间的重叠部分增大，成键能力增强，因此C
与H原子能结合成稳定的CH4


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S轨道

p轨道

CH4分子的空间结构

Sp杂化轨道


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以上是用杂化轨道理论来解释CH4的结构，
得到了满意的结论。从这里我们也可以看出：


杂化：在形成分子时，由于原子的相互影响，若干
不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成
一组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。

 杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。
 注意两点：
(1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生；
(2)能量相近通常是指：ns与np、ns,np与nd或（n-1)d。


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2.sp2杂化
激发

Sp2杂化

重叠

形成3个(sp2-p) σ键

BF3分子形成过程

一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三个等同
的sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120º，
呈平面三角形。


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sp2杂化轨道示意图
F

F

B

F

BF3分子的结构示意图


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3.sp杂化
激发

sp杂化

重叠

形成2个(sp-s) σ键

BeCl2分子形成过程

进行sp杂化时，每个杂化轨道由 ½ S 轨道和 ½ P 轨道组合
而成，两个杂化轨道之间的夹角为180°。因此由sp杂化轨
道构成的分子具有直线形的构型。


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sp杂化轨道示意图

Cl

Be
BeCl2分子结构示意图

Cl


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4.sp3d2杂化
sp3d2杂化轨道是由一个s轨道、三个p轨道
和两个d轨道组合而成，其特点是6个sp3d
杂化轨道指向正八面体的六个顶点，相
邻的夹角为90º 。
激发

杂化

重叠


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sp3d2杂化轨道示意图

F

F

F
S

F

SF6分子的空间结构
F

F


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5. 等性杂化与不等性杂化
以H2O为例：
价键理论：两个2p轨道分别与两个氢原子形成两

个 P-S σ键
键角为 90º
杂化理论：O原子的2s和2p采取sp3杂化，O原子最外层
有6个电子，四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据，
其余两个轨道被两个单电子占据，与两个H形成两个sp3s共价键。


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杂化

O氧子基态

sp3杂化态

H2O分子


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课堂思考题：推断、解释NH3的结构？
杂化

N氧子基态

sp3杂化态

NH3分子


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H

109.5

N

H
C
H

H

CH4

孤电子对数： 0
夹

H

H

角：109.5º

空间结构： 正四面体

H

NH3

1

O
H
H

H 2O

2

107.3º

104.5º

三角锥

V形

结论：在CH4、NH3和H2O分子中，中心原子都
取sp3杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。


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6. 杂化轨道要点
(1 ) 轨道杂化是指同一个原子中相关轨道的混合,由
此产生的杂化轨道也是原子轨道。
(2)参与杂化的轨道中电子所处的能级略有不同，
而杂化轨道中的电子则处于相同能级。杂化后
能级相当于杂化前有关电子能级的中间值。
(3) 杂化只能发生在能级接近的轨道之间，如主量
子数相同的s、p、d轨道之间，或(n-1)d与ns、np
之间，能量也是相近的。亚层符号按能级升高的
顺序排列，例如d2sp3和sp3d2代表不同杂化轨道。


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(4) 各种杂化轨道的“形状”均为葫芦形，由分
布在原子核两侧的大小叶瓣组成，轨道的伸
展方向是指大叶瓣的伸展方向，为简明起见
往往不给出小叶瓣。
(5) 杂化轨道的数目等于参与杂化的轨道的总数
(6) 杂化轨道可分为等性杂化轨道与不等性杂化
轨道两种。
(7) 杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原
理，键角越大，排斥力越小。杂化轨道类型不
同，成键时键角不同，分子的空间结构也不同。


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杂化轨道的类型与空间结构的关系
杂化类型

sp

sp2

sp3

sp3d2

用于杂化的
原子轨道数

2

3

4

6

杂化轨道数

2

3

4

6

空间构型

直线型

平面三角形

四面体

八面体

实例

BeCl2

BF3

CH4

SF6

CO2

BCl3

CCl4

SiF62-


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本节课结束！

谢谢！