3.2　烯烃的结构

烯烃分子与烷烃分子相比在分子构造上最大的不同就是含有碳碳双键结构，因此只要分析烯烃的碳碳双键结构就可了解烯烃的性质与特点。烯烃中乙烯分子是最简单而且最具有代表性的分子，故以乙烯分子为例讨论烯烃碳碳双键结构特点。

经物理方法测试发现，乙烯分子的所有碳原子和氢原子都分布在同一平面上，如图3-1所示。

图3-1　乙烯分子的结构

乙烯分子的形成过程可以用图3-2来描述。

图3-2　乙烯分子中σ键和π键形成过程

乙烯分子中，每个碳原子核最外电子层都有4个电子，其中2s轨道有2个，2p轨道有2个电子分别占有2px和2py轨道。形成乙烯分子时，从外界获得能量后，2s轨道上的一个电子激发到2pz轨道上来，形成4个电子分占4个轨道（一个2s和3个2p轨道），如图3-2（a）所示。现代物理方法证明，乙烯分子的所有原子都在同一个平面上，每个碳原子只和三个原子相连。居于这个事实，科学家提出杂化轨道理论：乙烯分子生成时，碳原子要先杂化成等能量的轨道后才成键，即采用一个2s轨道和2个2p（2px和2py）轨道进行杂化形成等能量的3个sp2杂化轨道，它们的轨道对称轴的夹角为120°，即平面正三角形结构。这种杂化方式称为sp2杂化，如图3-2（a）所示。然后再和氢原子的1s轨道沿着键轴，头碰头重叠生成4个碳氢σ键，两个碳原子间也生成一个σ键，这5个σ键的对称轴都在同一个平面上。而两个碳原子的未杂化pz轨道则沿着键轴，肩并肩重叠生成π键。值得注意的是：①π键和σ键不同，它没有轴对称，不能自由旋转，如图3-3所示；②σ键电子云处于两核中间，受核的吸引力大，不容易极化，而π键电子云离核相对较远，受核的吸引力比较小，容易被极化，容易发生亲电加成反应，表现烯烃的不饱和性质；③π键电子受核的吸引力比较小，意味着这些电子容易失去，π键容易被氧化，表现出烯烃的氧化特性。

图3-3　乙烯的σ键和π键电子云

生成乙烯时，由于双键碳上生成的C—H σ键和C—C σ键不全等，此外还有碳碳π键存在的影响，因此，同一个碳原子上的这2个键角也并不全等，如：H—C—H夹角和H—C—C夹角分别为121.7°和116.6°。由于碳碳双键比碳碳单键多了一个π键力的作用，因此，双键键长比C—C单键键长稍短，分别是0.133nm和0.154nm；键能也各不相同，分别是611kJ/mol和347kJ/mol，由此可知C—C π键键能等于264kJ/mol，明显小于C—C σ键键能，表明π键比σ键更容易断裂而发生反应。