成鍵與內聚

雜化

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想像一位畫家手裡有幾管形狀不同的顏料,他決定把它們調成一套全新的、形狀相同、間隔均勻的畫筆。原來的顏料沒了;取而代之的,是一套為這項活計量身定做的新筆。原子也能對它電子所居住的那些區域(叫做軌道)做類似的事,這種調和就是雜化:把原子的軌道混合起來,造出一套朝便於成鍵方向伸出的新軌道。

孤立原子的電子佔據著幾種形狀不同的軌道,而這些軌道天然並不指向需要成鍵的地方。當原子成鍵時,把這些不匹配的軌道組合成一套全新的、形狀相同、均勻鋪開、筆直瞄準近鄰的雜化軌道,往往更為有利。比如碳,會把一個圓鼓鼓的軌道與三個帶瓣的軌道調和,造出四個相等的雜化軌道,朝四面體的四個角張開。

雜化之所以重要,是因為它乾淨利落地解釋了我們實際測到的固定鍵角——甲烷裡的109度、石墨裡平坦的120度、某些分子裡的筆直直線——這一切都源於有多少軌道被混合在了一起。一個誠實的提醒:雜化是一種記帳的模型,是一種便於想像和預測形狀的方法,而不是軌道真的物理合併的實際事件。它之所以是個強大的工具,恰恰因為它的預測與現實吻合得極好,儘管軌道本身只是一種近似。

碳在兩種著名的形態裡展示了雜化。在金剛石中,它把四個軌道調成四個朝四面體四角伸出的雜化軌道,給出堅硬的三維網絡;在石墨中,它只調和三個,留下一片片由六邊形組成的平坦薄片,外加一個多出來的軌道讓電子四處遊走——這正是石墨導電而金剛石不導電的原因。

不同的雜化讓碳成為堅硬的金剛石或導電的石墨。

雜化是理解方向性鍵合的一種方式,而不是另一種獨立的力。它描述的是原子如何重塑自己的軌道,好讓它的共價鍵指向正確的方向和角度。

又稱
orbital hybridization轨道杂化軌道雜化