碳原子的结构及轨道的杂化
碳原子的结构及轨道的杂化
碳原子是构成有机化合物的基础元素，其独特的电子结构和轨道杂化方式赋予了有机化合物丰富的结构多样性。本文将深入探讨碳原子的电子结构、轨道杂化类型以及共价键的种类和属性，帮助读者理解这些基本概念在有机化学中的重要作用。
碳原子的电子结构与轨道杂化
碳元素位于元素周期表中第二周期第4主族，其电子结构为1s²、2s²、2p²。碳原子的最外层有4个电子，与其它原子结合时，不易得失电子，而通过电子对的共用与其它原子相结合。因此，有机化合物分子中的化学键主要是共价键。
在碳原子中，外层只有2个未成对的电子能形成共价键，所以碳原子应是2价。但实践证明，碳原子在有机化合物的结构中，一般都是4价，这是因为碳原子在成键时发生了电子的激发和轨道的杂化。即碳原子在成键时，其中有1个2s电子激发到同一个电子层能级相近的2p轨道上去，变成了4个未成对的电子，碳原子即从基态转变为激发态。
轨道的杂化
在电子激发的同时发生了原子轨道的杂化。不同类型、能级相近的原子轨道，可以“混杂”起来重新形成一组数目相等，能量相同的新的轨道，这种新轨道叫做“杂化轨道”，这种“混杂”的过程叫做杂化。杂化轨道电子云的能量、形状及方向均发生了改变。杂化后的电子云变得向一个方向集中，在成键时则有利于电子云最大限度的重叠，且杂化轨道的空间排列，是互相之间尽可能相距最远，以使相互间的斥力最小，可以形成更为稳定的键。
碳的杂化轨道有以下三种类型：
- sp³杂化轨道：由1个2s轨道和3个2p轨道杂化，形成能量、形状完全相等的4个sp³杂化轨道，4个sp³杂化轨道对称地指向正四面体的4个顶端，互相之间的夹角109°28′。杂化轨道的形状似葫芦形，一头大一头小，这样在成键时有利于电子云最大限度的重叠。
烷烃分子中碳的4个价键。都是由sp³杂化轨道形成的。如甲烷分子中的4个C—H健完全相同，健角都是109°28′，与理论推断相符。
（a）碳的sp³杂化轨道；（b）甲烷正四面体模型
- sp²杂化轨道：sp²杂化轨道由1个2s轨道和2个2p轨道发生杂化，形成能量、形状完全相同的3个sp²杂化轨道，形状与sp³杂化轨道类似，3个sp²杂化轨道间的夹角为120o，成平面正三角形。剩下的未参与杂化的1个p轨道垂直于sp²杂化轨道所在的平面。乙烯分子中的碳原子就是sp²杂化，所以乙烯分子为平面结构。
碳的sp²杂化轨道
- sp杂化轨道：由1个2s轨道与1个2p轨道发生杂化，形成能量、形状完全相同的2个sp杂化轨道，轨道形状大体同前，两个杂化轨道的对称轴在同一直线上，所以两个轨道间的夹角为180o。剩下的2个未参加杂化的p轨道与杂化轨道间相互垂直。乙炔分子中的碳原子就是sp杂化，乙炔分子为直线形结构。
碳的sp杂化轨道
共价键的种类
在有机化合物分子中，由于成键时原子轨道重叠方式不同，共价键可分为σ键和π键两种。
σ键：轨道沿着键轴（即成键两原子核之连线）方向相互重叠，轨道的重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布，在两原子核间电子云密度最大。所以键结合得比较牢固，不易断裂，它是构成分子的骨架。
π键：由2个相互平行的p轨道从侧面重叠，其重叠部分不呈圆柱形对称分布，而是具有1个对称面，由碳一碳键所在平面的上下两部分组成。而π键电子云重叠程度较小。也不象σ键电子云那样集中在2个原子核的连线上，而是垂直并对称地分布于σ键平面的上下，电子云流动性大，在外电场影响下较易极化并发生共价键的断裂，从而参与化学反应。
一般来说，共价单键是σ键，共价双键中有1个σ键和1个π键，共价叁键中则有一个σ键和2个π键。烷烃分子中碳氢键和碳碳键都是σ单键，重键化合物中均含有π键。
乙烷分子中σ键
乙烯分子中σ键和π键
共价键的属性
在有机化合物中，共价键有一些基本属性，如键长、键角、键能和键的极性等。根据这些属性，可了解有机化合物分子的结构以及性质。
键长：以共价键相结合的2个原子核之间的距离称为键长。它取决于电子云的重叠程度，重叠程度愈大，键长愈短。常见共价键的键长为：C—C154pmC=C134pmC≡C120pm
键角：分子中同一原子形成的2个共价键间的夹角称为键角。键角是决定有机化合物分子的空间结构和某些性质的重要因素。
键能：对于双原子分子，破坏其共价键时所需提供的能量，称为该共价键的离解能，也就是该共价键的键能。但对多原子分子，共价键的键能是指同类共价键的平均离解能。
共价键的极性和极化性
（l）共价键的极性：当2个相同原子成键时，其电子云对称分布于2个原子中间，这种键是无极性的，称为非极性共价键，简称非极性键。如H—H键、C—C键。但2个不同原子形成共价键时，由于成键两原子的电负性不同，吸引电子对的能力也就不同，电子云靠近电负性较大的原子，使其带上部分负电荷，一般用δ－符号表示，而电负性较小的原子则带部分正电荷，一般以δ＋符号表示。如氯甲烷分子中的碳氯键：δ＋δ－H3C—CI