轨道杂化理论（上篇·科普版）

原子轨道简单重叠可以形成分子，但是这样的情况并不多见。更多时候是杂化了的轨道进行交叠形成分子。这样的形式可以降低分子的能量，使分子更加稳定。轨道杂化是一个原子自己的轨道之前的杂化（不同原子轨道的交叠叫分子轨道，就是成键了），这些杂化轨道的几何结构有助于我们解释在有机化合物中观察到的实际结构和键角。

s轨道是球对称的，p轨道是空间xyz三方向的，所以sp杂化轨道也是xyz三方向？显然不是，我们都知道甲烷四面体构型。这不难理解，电子都带负电，互相排斥，在空间上怎么互相离得最远怎么待着。

“轨道”形象地描绘了电子的在空间各个地方出现的概率，用数学方法表示就是一个空间上的函数，也就是波函数。波可以叠加，即波函数的加和，即各个描述电子运动物理量的矢量和。分别处于两个原子上面的电子的波函数叠加就是分子轨道（即成键了），同一个原子上面电子波函数叠加就是原子轨道杂化。

· sp 杂化轨道

由于波函数相同相位相加，相反相位相消，使得杂化轨道是一头大一头小的。所以才不是像p轨道一样两两垂直，而是三个“大头”互相排斥，达到互相离得最远的位置。注意！正负号是相位，不是电性正负！电子肯定都是带负电的。

多远最远呢？只有两个大头，头背着头，对着待着最远，也就是180°的时候最远，这时候分子是个线性分子：

比如上面这个 BeH_{2} 分子， Be 原子（ 1s^{2}2s^{2} ）外层只有2个电子， H 原子（ 1s^{1} ）总共就只有俩电子，这都加一块还都不到8呢，不都用上肯定更不行。这时候， Be 原子和 H 原子要最大程度交叠，更多地把电子密度高的区域放到两原子核之间的区域（根据分子轨道理论这样形成化学键比较强），同时又要保证两块高密区域（紫色）远离，越远越好，这样电子互斥的劲儿小，分子更稳定。 sp 杂化轨道实现了这两点：①让电子密度不再围着 Be 原子核球对称，而是偏向了一头，更接近成键区域了；②两个大头岔开成180°，电子互斥劲儿很小。注意 Be（1s^{2}2s^{2}2p^{0}） 是 2s 轨道和 2p 轨道形成的杂化轨道，这俩轨道离得近，能量接近。但是 H（1s^{1}2s^{0}2p^{0}） 不行， 1s 和 2p 能量差太远了。所以最终是 Be 原子的sp 杂化轨道和 H 原子的 1s 轨道成键。

· sp^{2} 杂化轨道

刚才是，两个大头想相互远离，所以成180°角待着了。那要是有仨大头呢？要想互相离得最远，肯定是夹角120°了。 sp^{2} 杂化就是这样的情况。刚才说的 sp 杂化轨道是线型轨道，那么 sp^{2} 轨道就是三角形轨道。由于杂化只用了两个 p轨道（一共有仨： p^{x}/p^{y}/p^{z} ） ，所以杂化后还剩一个没杂化的 p^{z} 轨道，垂直于杂化轨道平面。

值得注意的是，杂化用了几个轨道，杂化出来就是几个轨道。因为电子总数是不变的，一个轨道最多装俩电子的原理更是不能违背的。杂化用了仨原子轨道（ s、p^{x}、p^{y} ），杂化出来也是仨 sp^{2} 杂化轨道。

比如上面这个 BH^{3} 分子，就是三个 H 原子的 1s 轨道和 B 原子的 sp^{2} 杂化轨道交叠形成的三角形分子。 B 原子电子比 Be 多1个，别的一样。所以这里的成键过程我就不再多啰嗦一次了，原理和 BeH_{2} 一样。

· sp^{3} 杂化轨道

这个就比较常见了，饱和碳原子就是这样的。甲烷正四面体构型想必大家已经很熟悉了：

这里 C、H 两个原子之间的化学键就是由 H 原子的 s 轨道和 C 原子的 sp^{3} 杂化轨道交叠而成的。杂化的原理和之前也一样，只不过 C 原子又比 B 原子多了一个电子。

以上就是科普版本的杂化轨道理论啦！如果大家需要我还可以写一个数理版本的，留言就好。在这个基础上把数学的内容加上去，通过方程式的表述，我们可以更加透彻地看到杂化过程的本质。