Question

为什么碳碳单键是SP3杂化，碳碳双键是SP2杂化，碳碳三键是SP杂化? sp2和sp3杂化有什么不同？

最好有图解

Answer 1

sp杂化：以乙炔为例，碳原子用一个2s轨道和一个2p轨道进行杂化，形 成两个相等的sp杂化轨道。每个sp杂化轨道包含1/2s轨道成分和1/2p轨道成分，这两个sp杂化轨道的对称轴形成180度的夹角，处于同一直线。

sp2： 在乙烯中，碳原子用一个2s轨道和两个2p轨道进行杂化，重新组成三个相等的sp2杂化轨道。每个sp2杂化轨道包含1/3s轨道成分和2/3p轨道成分。三个相等的sp2杂化轨道对称地分布在碳原子的周围，且处于同一平面上，对称轴之间的夹角为120度。

sp3：烷烃中，碳原子在成键时，能量相近的2s轨道中的一个电子跃迁到2pz轨道中，然后一个2s轨道和三个2p轨道进行杂化，形成四个能量相等的杂化轨道，称为sp3杂化轨道。两个轨道对称轴之间的夹角为109.5度 首先要明白一个轨道能级的概念。电子在围绕核放置时，其能量是固定的，按能量级大小分别可以分为S、P、D、F四个能级。其中第一层最多有两个电子，即只有一个S轨道；第二、三层最多有8个电子，包含一个S轨道和一个P轨道；第四层最多的18个电子，包含一个S、一个P、一个D轨道；……依次类推，目前已知的原子中电子最多的一层包含32个电子，包含SPDF轨道各一个。
在各轨道中，S轨道包含一个轨道，最多可有两个自旋方向相反的电子，当轨道电子为零空或满时处于稳定状态，即类似氢离子和氦原子的状态。P轨道包含三个轨道，最多可容纳6个电子,当三个轨道为全空、全満时为稳定状态，当三个轨道各只有一个电子时，由于电子自旋方向相同时，也处于一种稳定状态，称为亚稳定状态；D轨道有五个轨道，最多容纳10个电子，稳定状态理由同上；F轨道有7个轨道，最多容纳14个电子，稳定状态理由也同上。
当原子失去电子时，它首先失去的是外层的电子，当电子由高层轨道向低层轨道转移时，称为“跃迁”，此时多余的能量将被释放出，这就是化学反映中发光、发热的原因。同理，当电子吸收了外界能量，使其轨道由低层次向高层次转移时，称为“激发”，处于激发态的电子很不稳定，很快便会向低轨道（正常轨道）“跃迁”，同时放出恒定的能量，如果是发光，同发出的是单纯的色光，即“激光”。激光就是利用一些物质（如红宝石）能够稳定的被激发→跃迁的原理进行的。
至于成键能力，这只是有关于化合价的一些概念。明白了轨道杂化的概念，共价键等概念就太好理解了。
最后举一个例子，可能对你理解上述这些概念有好处
碳（C）是第6位元素，在其原子中含有6个电子，其电子轨道是1s2 2s2 2p2，其中第2级轨道形成杂化轨道，在2S和2P轨道中四个电子呈自旋方向相同状态，即形成类似2S1 2P3的状态，此时原子处于亚稳定状态。这就是碳为何稳定的原因。