动画模拟碳原子的杂化过程

sp 三杂化与甲氨成见甲氨是最简单的有机分子，一个碳四个氢，构成了完美的四面体结构。 碳原子本来只有两个未成对电子，按理说他只能形成两个键，可甲丸里碳却稳稳当当的抓住了四个氢。更神奇的是，这四个碳氢键完全一样，键长相等，键角也完全相同，一百零九度二十八分，一个完美的正四面体。 这是怎么做到的？故事得从碳原子的电子排布讲起。碳在基态时，电子是二 s 二二 p 二 二 s 轨道已经满了，二 p 轨道上只有两个未成对电子，按理说它只能和两个倾成键生成 ch 二，但实际不是这样。 为了让四个氢都能连上，碳原子在成建前做了一个小动作，他把二 s 轨道上的一个电子激发到空的二 p 轨道上。 这一步需要消耗一点能量，但换来的是四个未成对电子，这还没完。这四个轨道并不相同，一个是二 s， 三个是二 p， 如果直接用它们成建，形成的建会有差异。 可实验告诉我们，甲完的四个碳氢键是完全等价的。所以碳原子又做了第二件事，他把这四个轨道混合起来，重新组合成四个一模一样的新轨道，这就是 sp 三杂化轨道。 每个 sp 三轨道形状都相同，能量也相同，它们指向正四面体的四个顶点，互成一百零九度二十八分。 现在每个 s p 三轨道上都有一个未成对电子，它们分别和氢原子的 e s 电子头碰头重叠，形成四根 sigma 键。这种重叠是沿着两个原子核的连线进行的，电子云集中在核尖，所以键非常牢固， 而且 sigma 键可以自由旋转，因为旋转不会改变电子云的重叠程度。 这就是假玩分子的诞生过程，从电子激发到杂化，再到 c 个麦键的形成，每一步都精准而巧妙。正是这种 s p 三杂化，赋予了玩听分子四面体的结构特征。 想亲眼看看轨道是怎么变形的吗？你可以在这里一步步操作，从基钛碳到激发钛再到砸化成件，全过程可视化模拟，动手试试，才能真正理解这个微观世界。

杂化轨道与共价键，你有没有想过，碳这个地球上最普通的元素，凭什么能构建出最复杂的生命体？ 今天我用这个视频带你看懂碳原子是如何变形自己的轨道，然后又如何用 sigma 键搭骨架，再用派键赋予了分子不同的性格。 在这一切开始之前，碳得先做一件反常的事。碳的基态电子排布是一 s 二二 s 二二 p 二。 这时二 s 轨道已经满了，它只有两个未成对的二 p 电子。按理说它只能形成两个键，但实际上，碳总是有四根键。为什么？因为碳在成件前的一瞬间，它的二 s 轨道上那个不安分的电子会被激发到空的二 p 轨道。 电子跃迁的代价是消耗了一点能量，但换来的是四个未成对电子。这笔交易碳赌赢了，成建后释放的能量远超激发电子时付出的成本。 现在碳准备好了，先看甲完电子激发之后，碳的二 s 轨道和三个二 p 轨道混合，重新洗牌成四个完全一样的 s p 三杂化轨道。它们指向正四面体的四个顶点，互成一百零九度二十八分。 然后四个氢原子靠近，每个氢带着一个 e s 电子沿着轨道轴向正面撞向 s p 三的大半。这不是擦肩而过，而是迎头相撞，轨道重叠区域正好落在两核之间， 这就是 sigma 键。从正面头碰头，重叠强度拉满，四次碰撞形成四根碳氢 sigma 键，一个完美的甲氨分子就诞生了。 再来看以稀，同样，先是二 s 上的一个电子跃迁到二 p 空轨道，这样就有了四个未成对电子。 但这次碳只混合了三个轨道，一个二 s 加两个二 p， 形成三个共面的 s p 二杂化轨道，一百二十度均匀分布。还剩一个 p 轨道没被杂化，垂直于平面竖着，他在等着干别的事。 先是 sigma 骨架搭建，两个探个出一个 s p 二轨道，正面碰撞探探 sigma 键搭好了，剩下的 s p 二轨道和氢的 e s 轨道重叠，形成四根碳氢 sigma 键。 六个原子全部固定在了同一个平面上，然后那个竖着的 p 轨道开始行动， 两个屁轨道平行相对，从侧面肩并肩靠拢。注意，这里不是正面撞，而是侧面贴。电子云不再集中在两核之间，而是弥散在平面的上方和下方，形成两半，这就是派件 探探双件其实是一根 sigma 键加一根派件， sigma 键锁住骨架，派件锁住了旋转，所以西听的顺反异构才会存在。 接着是以缺碳先从基态过渡到激发态。这次碳只混合了两个轨道，一个二 s 加一个二 p， 得到两个 s p 杂化轨道，直线排列一百八十度，剩下的两个 p 轨道互相垂直，等着干大事。 sigma 骨架先搭两个碳的 s p 轨道连清，构成碳清 sigma 键， 这四个原子共线，然后那两个未杂化的屁轨道开始表演了，一个朝上，一个朝侧面， 朝上的那对屁轨道肩并肩重叠在轴线上方和下方，形成第一根派件。朝侧面的那对屁轨道垂直重叠，形成第二根派件。两根派件互相垂直，包裹着中间的 sigma 键，形成一个圆柱形的电子云。 这就是三键，一根 sigma 键加两根派件，碳碳之间塞满了电子密度键，长短，强度极高，乙炔能在三千多摄氏度燃烧，就是因为这两根派件里充满了能量。 最后是本，虽然同样是 s p 二杂化，但玩法升级了。六个碳，每个都是 s p 二杂化。三个共面轨道，一个竖着的屁轨道。 sigma 骨架先搭成六边形，所有原子共面，然后六个屁轨道全部平行，间距相等。 如果按凯库勒的模式，它们会一对一配对成三根双键。但真实情况不是这样，这六个屁轨道，每一个都和左右两个邻居重叠， 电子不再定域在某两个碳之间，而是铺满整个环，形成一个甜甜圈状的粒子云笼照在本环平面的上方和下方。 这就是离域大派件。六根探探件完全等价，件长一百四十匹米，介于单双件之间。本特别稳定，因为他不舍得破坏这个完整的电子环。 到这里，规律就很清晰了。杂化轨道负责搭建， c 哥们骨架为杂化的屁轨道负责派件。而派件才是一个分子性格的塑造者，他决定了分子的刚性反应、活性、颜色，甚至芳香性。 在 vectorry one 这些过程都有分布动画，你可以打开 sigma 键，高亮派件，发光效果键，类型，图层控制，亲眼看着轨道变形，靠近融合成建的全过程。

今天我们将跟拍一个探源子，看看他都干了些什么。这个探源子在一个长长的探链中，他们被加热了，所以躁动不安。 我们要追踪的探源子就是最黑的那个，他们都在跳动，整个探链也在扭动，扭着扭着就断开了，分离出一个小探链。 碳原子之间的连线代表化学键，按照反应立场 react 计算出来的键级分为单键、双键、三键。可以看见键级不是固定不变的，也是需要平级的，级别够了就变成双键， 不够了就降级为单键。 ar 跑掉一个碳三角形，现在只剩两个碳了。 远处一对对的红色小球是氧气分子，它们处在常温下， 它们组成了一条链。 一个氧原子被甩出去不见了，因为他到了边界之外。现在两个碳两个氧组成的链条比刚才相对稳定了。跳着微观世界流行的扭腰舞， 这时闯入一个流浪的探源子，哇，干净利落，一下子捕获了一个碳，一个氧，组成一个三角形。再来看一遍， 闯进来一搭一按，然后一扯，几乎是一气呵成，擀的漂亮。这是一个三元环结构，是环氧乙完的主要结构，加上四个清就是环氧乙完，有毒且易燃易爆。

sp 杂化与乙缺成键乙缺是最简单的缺听，它只有两个碳和两个氢，但它的碳碳之间藏着一根三键，这是有机化学里最强的碳碳键， 而且整个分子是笔直的，四个原子排成一条直线，键角一百八十度。为什么乙缺非要长成一根棍子？碳原子又是怎么变出三根键的？ 故事还是要从碳原子的杂话方式说起。和甲完以稀一样，碳原子在成建前先做了一个小动作，把一个二 s 电子激发到二 p 轨道上，变成了四个未成对电子。 但这一次，他只动用了一个二 s 轨道和一个二 p 轨道混合成两个能量完全相同的新轨道，这就是 sp 杂化轨道。这两个 sp 轨道沿着同一条直线方向相反，互成一百八十度。每个 sp 轨道上各有一个未成对电子， 而剩下的两个屁轨道完全没有参与杂化，它们互相垂直，像一对翅膀一样架在 sp 轨道的两侧，每个屁轨道上也各有一个垫子。现在两个碳原子开始成键。 第一步，每个碳拿出一个 sp 轨道，沿着轴向头碰头重叠形成碳碳 c 个键，这根 c 个键把两个碳牢牢连在一条直线上。 第二步，每个碳剩下的那个 sp 轨道与清原子的 e s 轨道迎面重叠，形成碳氢 sigma 键。 第三步，也是最精彩的，每个碳上的两个未杂化的屁轨道开始肩并肩侧向重叠，碳的一个屁轨道与另一个碳平行的屁轨道重叠，形成一根派件，同时另一个互相垂直的屁轨道也对应重叠，形成第二根派件， 两根派件互相垂直，包裹在 sigma 键的周围，这样一来，探探之间就形成了一根 sigma 键和两根派键，这就是探探三键。 整个派电子云像一个圆柱形的套管，把 sigma 键完全包围在中间。电子密度高度集中，所以键长短键能高，于是以缺成了一个完美的直线分子，所有原子共线键角一百八十度。 这根三箭不仅让乙缺结构刚直，还赋予了它巨大的能量储备。当乙缺燃烧时，三箭断裂，释放出惊人的热量，这就是它能切割金属的秘密。 打开乙缺的交互模拟，你可以从肌肽碳开始一步步激发杂化。再看轨道逼近重叠成件，转动视角，从各个方向观察那个圆柱形的派电子云。

碳的燃烧，我们一起来看一下碳是怎么燃起来的？两个碳呢？搭到了两个氧原子，也是氧气分子，他们一起往前走，然后不小心又掉了，但是他们又搭到了一个氧原子， 那也是氧气分子跑掉了一个，只剩一个氧原子了，压紧，他们又搭到了两个，哎，又跑掉了啊，这里呢是分子重力学模拟用的什么引力场？他们继续往前走，又搭到了一对氧气分子，啊，一个氧气分子， 他们在联系，哎，两元碳原子分家了，一个变成一氧化碳，一个变成二氧化碳。让我们再来看一遍，他搭到了一个氧原子，然后呢？这个分丢掉了啊，继续往前走 啊，然后呢就会连到了一个氧原子上啊，然后呢？经过一番的这个博弈，两个碳原子被分开了，那可以看见一氧化碳那个呢？那个双键很稳定， 因为温度比较高，所以二氧化碳的那个键啊是不稳定的，所以他一直在变来变去。

我们可以通过球棍模型的方式再来简单理解一下乙稀的杂化轨道，中心的紫色小球就是碳原子。首先我们观测到了乙稀是一个平面图形，而且中心的碳原子形成了三条键， 那么就意味着中心的碳原子在杂化时利用了三条轨道，且三条轨道位于同一个平面。我们现在让两个氢原子分别和杂化轨道之间成见， 以这种头碰头的形式形成的，我们称为习个马键。还有一条尚未利用的散化轨道，它会和另外一个碳原子在一起成建，形成一条习个马键。那么此时对于紫色的这个碳小球来说，这三条 sp 二散化轨道就已经填满了。 我们在杂化的时候，还有一条尚未利用的 pc 轨道，它是垂直于这个 sp 二杂化轨道的，那么当这两个碳原子在一起进行成见的时候，这两条 pc 轨道也会不断的靠近， 那么最终的结果就是在乙炔的这个平面分子的上下方会形成派件，因为最后这两个位置会进行重叠，以肩并肩的形式重叠形成的就是派件，这个就是乙烯分子的形成过程。 另外的这个碳小球，它在和这个碳原子形成习个马键之后，这两个位置还可以再结合两个氢原子 形成两条习个马键，所以在乙稀的分子构型中，它存在五条习个马键，一条派件。另外还要和大家再强调一下，为什么碳原子能够形成双键，它的同族兄弟龟却不能， 本质上是由于碳原子它的半径比较小，它对于核外电子的束缚能力比硅要强一些，所以它可以束缚住这对电子。虽然派件在成件的时候重叠程度要小一些，但由于碳的原子半径小，派件之间还是可以碰得到的。 大家可以想象一下，如果现在是两个胖胖的人在一起，肩并肩的话，肩膀和肩膀之间是很难挨在一起的，所以对于原子半径更大的硅原子来说，他就很难形成太监，因为肩膀和肩膀之间碰不到一起， 但是对于碳原子来说，他比较瘦小，比较瘦小的碳原子还是有能够形成派件的基础的，所以这也就意味着原子半径小才有可能形成双键。原子半径如果过大的话，就没有形成双键的前提了。 掌握了乙酰的结构，我们下节课会从结构的角度出发去分析为什么他能够发生加成反应，氧化反应，而且我们还会从结构的角度帮助大家进一步去分析什么乙酰分子在发生加成反应的时候条件都是不同的，我们又怎么去辨别这些条件？

hello， 各位同学，大家好，今天我们来讲杂化轨道理论啊，那今天这节课要解决的这样的一个三个问题，以及完成我们两道点例啊，那么接下来我们就开始今天的一个新课， 那么前面的话，我们讲了这个架层电子对护齿模型对不对？那么通过这个模型你会发现这个假丸它应该是一个正四面体， 对吧？而且实际的啊，测定结果也表明，甲完确实是一个正四面体结构，见角的话是一百零九到二十八分，但是的话，现在话又说回来啊，如果你从碳原子的价层 电子数你去分析，你会发现有问题，对吧？为什么呢？因为碳原子四个价层 电子的话，它是什么呀？它是有三个相互垂直的二 p 轨道和一个球形的二 s 轨道，那么在这里的话啊，如果和氢原子去进行一个重叠的话，那不可能得到一个 这样的一个正四面体的结构，对吧？因为根据我们前面的理论的话，这个里面的话只有两个未成对， 对不对？是不是两个未成对？那么对应的话，它如果形成分子的话，就只能有两根共加键， 这是一个问题。第二个啊，如果说这四个最外层电子都能够成键的话，那么由于有两个电子是在 s 轨道上， s 轨道和 s 轨道重叠，以及 p 轨道和 s 轨道重叠的话，那不可能得到一个正四面体啊， 对不对？那么这样的话就会产生这样的一个问题，那么为了解决这个问题的话，那么豹林啊就提出了一个杂化轨道理论来解释， 所以这里要搞清楚啊，这个杂化轨道理论他相当于是一个什么呢？是一个马后炮，就事后诸葛亮嘛，对不对？等事情已经有了结果，然后他再来解释，那暴理是怎么解释的呢？ 啊？他是这样说的，在外界影响条件下，中心原子能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成新轨道的一个过程， 对吧？具体的内容的话就是怎么样呢？当这个碳原子和四个氢原子在形成甲胺分子的时候，碳原子二 s 轨道和三个二 p 轨道会发生一个啊混杂，那么在混杂的过程当中，轨道数是保持不变的， 最后就得到了四个能量相同，方向不同的杂化轨道。那么看完这句话的话，相信大家是比较就是模糊的，那么具体的话啊，我来给大家啊，解剖一下这个东西到底是什么意思。 首先第一个啊，我们要搞清楚杂化的目的是为了什么？如果碳他不进行杂化，按照我们刚刚那个理解，他只能形成几根键，只能形成两根键吧，因为他只有 啊，只有两个未成对电子，对吧？那么如果啊，如果他进行了杂化，那么首先的话，他的一个目的是为了干嘛呢？是为了成见 啊，主要的一个目的是为了成建，那么既然成建的话，是成 sigma 键还是形成派键呢？啊，那肯定是 sigma 键了，对吧？因为 sigma 键重叠的更怎么样？更多嘛，对不对？那么第二个， 是不是所有的原子轨道都能够进行转化呢？不是的，这里的话有条件啊，刚刚豹林已经说过了，什么条件呢？能量相近的 原子轨道啊，不是说所有的原子轨道都能够进行杂化， 那么接下来第三个啊，这个杂化的规则又是怎么样的？ 嗯，刚刚鲍林说到了杂化前后怎么样，他的一个原子轨道数是不变的，所以这里最重要的一点啊， 杂化前后原子轨道数， 原子轨道数和什么呢？对吧？你杂化前后电子肯定也不可能多一个，少一个，和电子数 均不变， 对吧？这个也没问题。那么杂化之后呢 啊，杂化后得到了什么呢？得到了能量相同的，对吧？那就是杂化后形成的 杂化轨道能量相同 啊，这样的一个规则。那接下来的话，我们就以碳原子为例啊，来分析一下这个杂化的这个过程以及它的类型。 好，我们来看碳的话是六号元素，它的一个价层电子十四个，二 s 上面有有几个，有两个，然后二 p 上面有三个 原子轨道，但是他只有几个，只有两个电子，对吧？那么在这里的话，根据我们之前说的，这里有一个问题需要解决，就是你能够形成几根共加键，你必须有几对 啊？必须有几个未成对电子，所以在这里的话，他不是先进行杂化，先进行怎么样呢啊？先解决他的一个未成对电子的问题，那怎么样才能解决呢？很简单啊，从二 s 上面有一个 电子跑到这来，所以这一步的话，电子要从低能级跑到高能级，我们把它称之，为什么呢？把它称之为激发 啊，激发，那么激发之后，那么这个二 s 这个碳的话，也不是原来的碳了，因为电子动能能量不一样了，二 s 上面就怎么样， 二 s 上面就还剩下一个电子，然后二 p 上面三个原子轨道啊，本来是两个电子，由于有一个电子激发过来了，所以在这里 对不对？先激发，现在解决了啊，有四个未成的电子，接下来再干嘛呢？再进行杂化， 杂化的话什么意思？杂化前后原子轨道数和电子数均不变，而且杂化后形成的杂化轨道能量相同，所以在这里的话，这个杂化什么意思呢啊？其实简单的来理解就是这么个意思，先怎么样呢？先混合 对吧？再怎么样再分割啊，就这个意思 啊，先给你混到一起，再给你进行分割，那么接下来来看，先要混到一起，你这里的话有二 s 和什么和二 p， 二 p 上面有三个啊，原子轨道，所以你在混合的时候有几种情况呢？ 你可以是一个 s 和三个屁，也可能是一个 s 和两个屁，也可能是一个 s 和一个屁，所以在这里的话，我们根据它的一个混合啊，混合的这个原子轨道的不一样，我们把它分成了不同的类型，那么接下来我们一起来看啊， 如果你是拿了一个 s 和三个 p， 那 么你是拿了四个原子轨道，所以杂化完之后，你依旧要有四个原子轨道吧，对不对？那么杂化完之后，轨道要能量是相同的，所以要划到一起， 对吧？所以的话，如果你是拿了啊，拿了一个 s 和三个 p， 那 么最后形成的就是四个啊，能量相同的 sp 三杂化轨道，所以这个类型的话，我们就称之，为什么呢？杂化类型 啊，杂化的类型我们就称之为 s p 三杂化，对吧？那么大家来看一下啊，如果是 s p 三杂化，请问它如果形成分子啊，可以形成 sigma 键多少个？ 可以形成几个 sigma 键？嗯，几个 sigma 键不就是四个嘛，对不对？因为杂化的目的是为了干嘛？是为了形成 sigma 键呐，对不对？所以在这里的话啊，可乘 sigma 键数是多少呢？是四个 对吧？那么他四个原子轨道全都用于城建了，那请问有没有过电子？对，是没有的，所以四个 sigma 键就相当于中心原子架层电子对是几对？是四对，所以他对应的一个键角是多少度啊？ 哎，很多同学一下就反应过来了，是不？对应的键角是一百零九度二十八分，那么对应的一个模型 vsc 啊，什么模型啊？是不就是正四面体 啊？对应的就是一个正四面体 这样子用的，那么在这里的话就是 s p 三杂化。那么接下来大家再来看， 如果我拿一个 s 和两个 p 呢？一个 s 和两个 p， 那 么在这里的话啊，就是 s p 二杂化 对不对？是不是 s p r 杂化？你拿了一个 s 和两个 p， 所以 最终杂化之后，它的轨道数应该是多少啊？是多少？是不是应该是三个？三个能量相同的 啊？三个能量相同的杂化轨道对不对？三个 s p 二杂化轨道，那么因为你只拿了两个 p， 还剩余了一个 p 吧，所以在这里还会剩余一个啊，二 p， r p y 啊， r p z 吧， r p z 对 不对？那么接下来你再来看啊，杂化了三个，形成了三个能量相同的杂化轨道，那么它可以形成多少个 sigma 键数？是不是应该是三个， 对吧？那么三个，三个 sigma 键对应中心原子，它的一个价层电子，对，是多少呢？是多少？ 你来看已经是三个 sigma 键了，还剩一下一个 p 轨道上面有一个电子吧，那么这个电子在形成的时候，它就只能形成什么键？嗯，它就对应的只能形成派键 啊，只能形成派件，所以它上面有没有固定电子呢？是没有的，那么架层电子数是三对，那么对应那个键角是多少度？嗯，对应那个键角是不是一百二十度？空间结构就是平面三角形 啊，平面三角形。好，那第三种情况，什么情况呢？ 是不是拿一个 s 和一个 p， 对 吧？那么你拿了两个啊，所以最后的杂化轨道数应该是两个，所以这里的话，你拿一个 s， 一个 p， 我 们称之为 s p 杂化 啊。 s p 杂化最后得到的一个杂化轨道应该是两个能量相同的啊。 s p， 那 么还剩余什么？还是不是还剩余两个 p 轨道？剩余两个 p 轨道， 对吧？剩余两个 p 轨道啊，分别是二 p、 二 p， 什么二 p x、 二 p y。 那 么你来看一下 这个杂化之后的 sp 轨道，它是用于干嘛？用于形成 sigma 键吧，所以在这里的话，它可以形成两个 sigma 键，那么剩下这两个呢？剩下未参与杂化的，它就用于形成派件 啊。为什么是形成派件？等一下啊，会给大家讲到。那么派件的话是不影响他的一个价层电子对数的，所以在这里的话，如果是 sp 杂化，他对应那个价层电子数应该是两对，那么对应的键角有多少？就是一百八十度， 对吧？对应的一个空间结构就是直线形， 对不对？这个没有问题吧？好，那么接下来的话，我们就来解释一下为什么是派件啊？那么在这里的话，我们首先来看到第一个 sp 三杂化， sp 三杂化的话，是一个 s 轨道和三个 p 轨道吧，那么 s 轨道是什么形状？ s 轨道是一个球形对不对？三个 p 轨道分别是沿 x、 y、 z 三个轴伸展对吧？先给你怎么样呢？先给你把三个给它混合，混合之后再怎么样？再进行分割 对不对？那么混合前后以及分割前后，它的原子轨道数是不变的，电子数也不变的，但是大家来看一下啊，杂化完了之后，这个原子轨道的形状有没有改变呢？ 嗯，是不是改变了？既不像 p 轨道，也不像 s 轨道，这是第一个，第二个，它的一个生长方向呢？ 原来的话，球形是沿四周伸展， p、 x、 p、 y、 p、 z 分 别是沿对应的坐标轴伸展，但是你砸画之后，它的方向是不是就变了？一个是向上，一个是对吧？另外三个是这个方向我不好描述啊。所以在这里的话，大家还要注意个点， 就是砸画前后原子轨道数和电子数是不变的，但是啊，但形状 形状和什么呢？和伸展方向改变， 这个一定要注意啊，是会改变的。 ok， 这个是 sp 三杂化，那接下来我们再来看到 sp 二杂化， sp 二杂化的话，拿出一个 s 轨道和两个二 p 轨道，对吧？先给它混合 啊，混合就是就像你做米八一样，你把它放在手上揉到一起，然后再进行分割，对不对？分割之后的话，你看到没有？ 他这个形状也变了，方向也变了，对不对？然后啊，这里的话就是一个平面三角形，还剩一个什么？还剩一个 p z 吗？所以你把这个 p z 画过来，是不是应该是这样的一个形状？ 是不是垂直于这个面的？是不是垂直于这个面的？那么你在形成 sigma 键的过程当中，这三个形成 sigma 键，那对应的这个 p z 不 就形成了 pi 键吗？ 是不是这样的一个过程，对不对？所以在这里的话，这里要注意啊，剩余的这一个二 b z， 它是垂直于什么呢？垂直于 垂直于该平面啊，就是你砸花之后三个轨道形成的一个平面， 对吧？那么接下来再来看到 sp 砸花， sp 砸花的话，就是先拿出一个 s， 再拿出一个，再拿出一个什么，再拿出一个二 p， 先混合， 对不对？混合之后再给他拆分，拆分之后你看到没有？形状和方向都变了，对吧？这个时候他就是沿什么沿什么轴，嗯， 沿什么轴不重要啊，你既可以沿 x 轴，也可以沿 y 轴，也可以沿 z 轴，那么为了我们和后面的对应，那么假设啊，它是沿 z 轴，那么你来看一下 p x、 p y 和这个杂化之后的是一个什么关系？ 是不是一个相互垂直的关系？所以在这里的话要注意了啊，剩余的这两个二 p 轨道怎么样啊？相 相互垂直，是不是相互垂直怎么样？然后的话还和该直线怎么样啊？相互垂直且与 该直线垂直， 对不对？所以你来看一下的话，就是它如果去形成啊，这两个去形成 sigma 键的时候，另外两个是相互垂直的关系，那不就肩并肩形成了派件吗？啊，是这样来的， 最后的话再总结一点，计算考的啊，就是怎么样去判断碳原子的杂化类型？ 怎么样判断碳的杂化类型， 这里怎么去判断呢？这里的话你就找 sigma 键数就可以了，能听得懂意思吗？找 sigma 键数， 找 sigma 键数来看啊，如果是四个 sigma 键，它对应的就是什么， 对应的就是啊， sp 三杂化，如果是三个 sim 键，对应的就是 sp 二杂化，如果是两个 sim 键对应的就是 sp 杂化啊，具体的话我们来看一道例题就知道了， 那么大家来看一下这个例题，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是中间，大家来看一下这个碳几个 sim 键， 嗯，是不是三个 sigma 键，对不对？然后两边我给你划清楚一点啊，这个样子 对吧？这个碳几个 sigma 键呢？ 是不是四个 sigma 键，对吧？所以中间的话，三个 sigma 键对应的是 s p 二，四个 sigma 键对应的是 s p 三，所以这道题选 c 嘛， 就这么简单啊。那么这个是碳原子的一个杂化方式以及他的杂化类型，我们先讲到这里，等下接着讲啊，其他原子的一个杂化类型的一个判断。

碳燃烧是生活与工业领域中最常见的化学反应之一，宏观火焰的背后藏着碳原子与氧原子相互作用的微观奥秘。我们将通过分子动力学模拟，从原子尺度为大家直观展现碳燃烧的完整过程。 画面中灰色小球代表碳原子，红色小球代表氧原子。这个模拟采用适配真实物理尺度的单位体系，在三维空间中构建了周期性边界的反应体系，以此模拟无限大的反应环境， 避免边界效应对反应过程的干扰，同时充分考虑原子电核效应，对精准还原化学反应奠定基础。初始状态下，碳原子与氧原子在三维空间中形成稳定的初始分布。 本次模拟核心采用 rex 反应立场，这一适用于碳氢氧体系的经典反应立场能够精准描述碳燃烧过程中碳氧键的断裂与生成，是还原真实化学反应的关键。 模拟前期通过共恶梯度法完成体系能量最小化，消除初始结构的硬力，同时采用实时动态电和平衡方法，实时计算反应过程中原子的电和分布，进一步保障模拟的准确性。 我们先为体系内所有原子赋予初始热运动速度，设定初始温度五百 k， 随后通过恒温调控系统调控体系温度， 使温度从五百 k 平稳升至幺五零零 k。 模拟炭受热触发燃烧的过程，模拟时间不长，设定为零点二五分秒，既保证计算稳定性，又能捕捉到原子间快速的化学反应瞬间。 本次模拟总时长达到十二点五 p 秒。随着温度不断升高，原子热运动持续加聚氧原子和碳原子相遇并形成新的化学键，碳氧燃烧反应有序发生。 这种原子尺度的碳燃烧模拟突破了实验观测的尺度限制，依靠精准的立场与参数设置还原真实的燃烧过程，为能源利用、燃烧效率优化等相关领域提供了重要的理论支撑。

咱们今天继续来讲解乙酰的空间结构，通过分析乙酰的空间结构，我们才能够明白为什么乙酰具有这样活泼的化学性质。 而且通过结构上的对比，我们可以更明显的发现乙酰和甲氨在发生反应类型上存在这么大的差别。分析乙酰的结构，我们要先从原子入手， 碳原子作为六号元素，它的最外层有四个电子，这个原子结构示意图并不能够在结构上给我们提供帮助，我们需要去观察电子的核外排布式， 当我们写完就可以知道碳的最外层是存在两个单电子的，那既然存在两个单电子的话，就意味着它需要再结合两个电子去形成共用电子。对， 那在理论上来讲，他此时只能够成两条箭。但对于有机物来说，必须要形成四条箭，这四条箭无论是四条单箭还是一条双箭和两条单箭，亦或是一条三箭和一条单箭，总数上一定要满足四条箭。 很明显，碳原子的核外电子排布如果不发生改变的话，它是很难满足有机物的成见条件的。到底在形成有机物甲氨或者是乙烯的过程中发生了哪些变化呢？我们可以从分子的真实结构入手。经过观测，科学家发现乙烯属于平面型分子， 这六个原子位于同一个平面上，键角大约为一百二十度。乙烯的分子式为碳二氢四 结构式，其实就是球棍模型，我们把它换成原子就可以了。碳碳之间是双键，碳氢之间是单键。我们为了更符合乙炔的这种空间结构，所以我们在画的时候，碳氢之间最好都带着键角，键角大约为一百二十度。 我们在书写结构简式的时候，把单键可以省略，但是双键或三键这些特殊的键是没有办法省略的，因为这些键代表的是这个有机物的身份，也就是你的身份证。 那从有机物的真实分子构成上，我们如何去反推碳原子？它的核外电子排布发生了哪些改变呢？对于甲氨分子来说，它所形成的这四条键是完全等同的。我们还是回到这个核心的矛盾问题上， 对于甲氨分子来说，他此时形成了四条完全等同的键，那就意味着中心的碳原子应该有四条完全一模一样的电子轨道。 但是如果我们结合单个的碳原子来想的话，他的二 p 轨道上只有两个单电子，那就意味着他一定不能是以这种形式去和其他的原子成键的。所以科学家们设想， 碳原子在什么情况下才能够形成四条一模一样的轨道呢？因为只有四条完全相同的轨道之后，才能够形成四条等同的碳氢键。形成四条键的前提条件是我们需要拥有四个单电子，所以我们现在需要改变碳原子和外两个单电子的这种情况。 在进行设想的过程中，我们要先明确电子在不同的轨道上能量是不同的。位于 e s 上的电子能量是最低的，因为它受到原子核的束缚是最强烈的， 二 s 上电子的能量比二 p 轨道上要稍稍低一些。那如果我们现在想产生四个单电子的话，只能够假设二 s 轨道上成对的电子， 其中一个吸收了能量跃迁到了高能级，也就是二 p 轨道上。那为什么不是其他的轨道？因为在激发的过程中要符合能量相近的原则， 这样的话电子翘翘脚就可以从原来的位置跳到一个更高的位置上去。那电子被激发之后，现在就拥有了四个单电子，但如果 这个结果只进行到这的话，还不太可行，因为我们最后形成的四条线是完全等同的。如果现在电子既分布于二 s 轨道上，又分布在二 p 轨道上，那就意味着现在能量是不均等的。 所以我们还要进行杂化。什么是杂化？相当于揉面团一样，我们把二 s 和二 p 轨道现在进行混合，混合之后进行能量上的均分， 能量均分了之后，轨道的数目也不可以发生改变，所以经过杂化之后，我们就得到了 s p 三杂化轨道。 这个时候杂化理论就帮助我们解释了为什么甲氨分子中的碳可以形成四条完全等同的碳氢键。那我们是如何得知 s p 三杂化轨道的键角以及空间构型了呢？我们可以通过观测甲氨分子的键角和空间构型， 经过观测我们发现甲文是正四面体型，间角为一百零九度二十八分，那我们就可以反推，如果某个原子采取了 sp 三杂化的形式，那么它的间角就大约为一百零九度二十八分，它在空间上所形成的构型就应该是正四面体型。 只不过我们在放置这个电子的时候，杂化轨道可以放置单电子，也可以放置孤电子对，比如对于水来说，中心的氧， 它虽然也是 sp 三杂化轨道，但是它的杂化轨道中只有两个单电子，另外两个轨道容纳的是氧的箍电子对氧原子一共有两对箍电子对，全部位于 sp 三杂化轨道中。那么对于水分子来讲，它的真实构型为什么是微型？ 因为其中两个轨道放置的是箍电子对，我们在看分子的真实构型的时候，是不看箍电子对的，去掉这两个箍电子对，大家可以想象一下，这是不就是一个小微型？ 而且如果轨道上放置的电子种类不同的话，那么最后它形成的也不应该叫正四面体，我们应该称为四面体型。 而且如果轨道上放置的是箍电子对儿和承建电子对儿的话，箍电子对儿会对承建电子对儿产生排斥作用，使得原本的一百零九度二十八分被排斥为一百零五度， 就解释了为什么水分子的键角为一百零五度，而甲氨分子中的键角为一百零九度二十八分。虽然它们的 v、 s、 p、 r 模型都一样，但我们一定要考虑箍电子对儿、承建电子对儿的排斥作用。

在金刚丝的网状结构中，含有共价键形成的碳原子环，其中最小的环是六圆环。金刚丝晶体中每个碳原子连接几个六圆环呢？ 由于每个碳原子的结构环境是相同的，选择其中一个来突破。 例如标号为 o 点的探源值，它采用 s、 p 三扎化的方式连接四个探源值 a、 b、 c、 d 形成正四面体， 角为一百零九度二十八分。我们通过观察模型，采用从点到三角形再到六圆环循序渐进的方式构建六圆环。 例如，在正四面体 a、 b、 c、 d 中，先通过三角形 o、 a、 b 形成两个六圆环，一个横向右， 另一个纵向下。 但这两个六圆环均共用 o 点的探源值观察它们在金刚石晶体中所处的结构环境， 即 o 点的探源值。通过三角形 oab 形成两个六圆环。那么 o 点这一个探源子形成的正四面体 a、 b、 c、 d 中还有几个像 o、 a、 b 这样的三角形呢？ 按排列组合的方式，还有 c、 四、二等于六个。 除了三角形 o、 a、 b 以外，还有三角形 o、 c、 a、 o、 b、 c、 o、 c、 d、 o、 d、 a 和三角形 o、 b、 d。 所以 六个三角形总共形成六乘以二，等于十二个六圆环。接下来演示找出剩余的十个六圆环。 三角形 o、 c、 a 形成两个六圆环，一个横向右， 一个纵向下。 三角形 o、 b、 c 形成两个六圆环，一个横向右， 另一个纵向下。 三角形 o、 c、 d 形成两个六圆环，一个纵向下， 一个横向右。 三角形 o、 d、 a 形成两个六圆环，一个纵向下， 一个横向右。 三角形 o、 b、 d 形成两个六圆环，一个纵向下， 一个横向右， 这样共用 o 点碳原子的十二个六圆环都构建出来。 六圆环最多，有几个碳原子处于同一平面呢？ 取出一个六圆环 o、 b、 e、 f、 g、 a 来观察， 插入一个半透明的辅助平面来观察。 处于同一平面的探源指是 a、 b、 e 距 另外两个探源指 o、 f 分 居于这个平面的两侧。 为何是最多呢？因为还含有碳原子数更少的平面。 在平面 e、 f、 g 中有三个碳原子， 平面 o、 a、 b 中也有三个探原子，且这两个平面是平行的关系，间距为五十平米。 从这个角度观察，金刚石结构中的六圆环，就像环形环中最稳定的一式构像，多有意思啊！

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在有机化合物当中都含有碳原子六号元素，碳原子盒外有六个电子，积碳时的排布为， e s r r s r r p x e 二 p y e r p z。 是空轨道， 受到激发时，二 s 上的一个电子会跃迁到二 p z 轨道上，这样就构成了激发肽的碳原子的排骨。 为了增加承建能力，能量相近的二 s 轨道和三个二 p 轨道会重新组合，像这样重新组合的过程称之为杂化。 四个杂化轨道调整形状和方向，形成了正四面体的 s p 三杂化轨道。 当两个采用 sp 三杂化的碳原子相互靠近时，会沿着轴向的方向头对头重叠形成了一个探探 sigma 键，键长一点五四 i。 每个碳原子上剩下的三个 s p 三杂化轨道分别跟三个氢原子形成碳氢，四个瓦件件长一点零九二。这样每个碳原子会跟 相邻的碳原子和氢原子构成了四个 sigma 键，形成了乙烷的分子结构。 这种杂化方式称之为 s p 三杂化。当然还存在着 s p 二杂化和 s p 杂化。现在以探探双界形成过程看一下 s p 二杂化。 碳原子的 s 轨道和两个 p 轨道相互杂化，形成的杂化方式称之为 sp 二杂化。 三个杂画轨道形状为平面三角形，建角为一百二十度。 杂化轨道的形状一头大一头小。没有参与杂化的 rpz 轨道依然是哑铃型，方向垂直于这个平面三角形。 当两个采用 sp 二杂化轨道的碳原子相互靠近时，又沿着轴向的方向头对头相互重叠，形成了一个探探 sigma 键。 没有参与杂化的 r p z 轨道肩并肩相互平行重叠，形成了位于 sigma 键上方和下方的太监。 每个碳原子上还有两个 s、 p、 r 杂化轨道， 他会分别再跟两个氢原子构成碳氢 c 个码件，这样就构成了乙烯的分子结构。 由于采用 sp 二杂化，所以是平面型分子。 sp 杂化是一个 s 轨道和一个 p 轨道相互杂化形成的杂化轨道是 直线型，箭角为一百八十度。两个没有参与杂化的二 p z 和二 p y 垂直于杂化轨道。两个相 同的碳原子相互靠近时， sp 砸坏轨道又会沿着轴向的方向头对头重叠，形成了一个探探 c 的码件。 没有参与杂画的二 pz 和二 py， 两个 p 轨道肩并肩， 又形成了两个派件，这样两个碳原子之间有一个 sigma 键和两个派件， 剩下的一个 sp 轨道再分别跟两个氢原子形成两个碳氢 c 个马键，这样就构成了乙缺分子。 由于采用的是 sp 杂化，所以分子构行为直线型分子。 在有机物中，如果碳原子形成了四个 sigma 键，这样的碳原子采用的杂化方式就是 s、 p 三杂化。 如果在有机物当中，碳原子形成了三个司马健和一个派件，它采用的就是 sp 二杂化。 如果形成两个 segm 键和两个派件，这样的碳原子就采用的是 sp 一。

碳是地球上所有生命的基石，也是宇宙中极具传奇色彩的元素。它的诞生与恒星演化紧密相连，而其同位素家族更藏着诸多奥秘。根据 b 平方 f h 理论，碳并非宇宙大爆炸初期直接形成，而是诞生于恒星内部的核熔炉中， 大爆炸后仅形成氢、氩等氩元素，这些物质聚集形成恒星后，在高温高压下发生核聚变。当恒星演化成红巨星时，通过三 alpha 过程，三个氩原子核会先后聚变，最终形成碳原子核，这是宇宙中碳元素的主要起源。 恒星末期的超新星爆炸将碳等元素抛向宇宙，最终成为地球等行星的组成部分。 碳的同位数家族共有十四种，质量数范围为八至二十二。它们质子数相同，中子数不同，化学性质相似，但物理性质有差异。其中碳十二和碳十三是稳定同位数， 碳十二占自然界碳总量的百分之九点八，八九是构成有机物的核心，碳十三占百分之一点一一，广泛用于地质生态研究。碳十四是最具代表性的放射性同位素，半衰期约五千七百三十年， 由宇宙射线轰击大气中的氮原子形成，可用于考古、测年、环境适综。其余同位素均为人工合成，具有放射性，应用于医疗、科研等领域。 二零二四年，我国实现碳十四批量生产，打破进口依赖，彰显了相关技术的突破。 从恒星内核到生命基体，从远古化石到现代科技，碳及其同位素始终陪伴着宇宙与人类的演化，解锁它们的奥秘，能帮助我们更好的认识世界。