sp3杂化（轨道杂化方式）

sp3杂化

轨道杂化方式

同一原子内由1个ns轨道和3个np轨道参与的杂化称为sp3杂化，所形成的4个杂化轨道称sp3杂化轨道。各含有1/4的s成分和3/4的p成分，杂化轨道间的夹角为109°28'，空间构型为正四面体。sp3轨道杂化是基于轨道杂化理论的一个重要分支，是一种比较常见的轨道杂化方式。

简介

“杂化”是同一个原子（例如C原子）的能量相近的各个原子轨道平均混合成一组新的原子轨道的过程。杂化后的一组新轨道（仍是原子轨道），叫做“杂化轨道”。

以甲烷为例：基态C原子中已配对的2s电子拆开，其中1个电子跑到能量稍高的2p轨道中（Pz空轨道）去，这一过程叫电子跃迁；接着进行杂化，一个2S轨道和3个2P轨道杂化，生成4个能量相等的sp3杂化轨道。

因为是平均混合，每个sp3杂化轨道含有1/4s和3/4的p轨道的成份，其中各有1个成单电子。最后这4个电子再与4个H原子中的1s电子配对成σ（sigma）键，从而形成CH4。

原因

降低体系能量使之更加稳定。

能量相近的几个轨道结合在一起形成一种新的轨道以增强成键能力，使之更稳定。

例子

CH4、CCl4、（正四面体）、NH4+。

NH3（三角锥型）、H2O（V型）等也是sp3杂化，只不过是sp3不等性杂化。

原理研究

以强σ键连接的sp2和sp3杂化碳饱和簇模型，即金刚石和石墨两相和团簇模型为研究对象，通过分子结构、电荷分布、能带结构、电子态密度和分子轨道的第一性原理计算和分析，研究了类金刚石薄膜中sp2-sp3轨道杂化的空间结构稳定性的成键特性等。

结果表明，成键过程中由于微扰作用破坏了原子内部"吸引"与"排斥"的平衡关系，使电子云重新分布，而键能大小和电子云的重叠密切相关，因而两相共存对电荷分布和结构均有影响。

能带结构分析发现sp2杂化C原子将π键引入，产生π和π*能带使带隙变窄，说明类金刚石薄膜的半导体本质。电子态密度计算结果中费米能级附近出现杂质峰,说明存在中间杂化和/或π态和σ态的转化。

参考资料

1.类金刚石薄膜sp~2-sp~3轨道杂化的第一性原理研究·知网空间