轨道杂化

杂化轨道理论杂化轨道理论 主讲人 蒋毅民教授主讲人：蒋毅民教授 知识回顾：价键理论的基本要点知识回顾：价键理论的基本要点。 问题：在H2S分子中两个S-H键的夹角为什么 是90º 而不是180º ？ H HS H 109 5º O C H H H 109.5º H H 104 5º CH 的分子结构 H O的分子结构 H H 104.5 CH4的分子结构 C 原子的基态为 H2O的分子结构 O 原子的基态为 1s22s22px12py12pz0 1s22s22px12py12pz2 二 杂化轨道理论二 杂化轨道理论二、杂化轨道理论二、杂化轨道理论 1 SP3杂化（以甲烷的分子结构为例）1、SP 杂化（以甲烷的分子结构为例） 基态 激发态  杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，CC原子原子 上的 个上的 个2s2s电子可被激发到电子可被激发到2p2p空轨道上 形成空轨道上 形成上的一个上的一个2s2s电子可被激发到电子可被激发到2p2p空轨道上，形成空轨道上，形成 四个单键，这时虽然解决了四个单键，这时虽然解决了44个共价键的问题，个共价键的问题， 但是如果这但是如果这44个轨道，即个轨道，即11个个ss轨道和轨道和33个个pp轨道，轨道，但是如果这但是如果这44个轨道，即个轨道，即11个个ss轨道和轨道和33个个pp轨道，轨道， 分别与分别与44个氢原子结合，形成个氢原子结合，形成44个键能量是不同的，个键能量是不同的， 这与事实不符。这与事实不符。 杂化 激发态 杂化态 杂化  杂化轨道还认为：在成键过程中，这杂化轨道还认为：在成键过程中，这44个不同的轨个不同的轨 道重新组合成道重新组合成44个能量相等的新轨道，由于是由个能量相等的新轨道，由于是由11个个 激发态 杂化态 道重新 合成道重新 合成 个能量相等的新轨道 由于是由个能量相等的新轨道 由于是由 个个 ss与与33个个pp轨道组合而成，因而新轨道称作轨道组合而成，因而新轨道称作spsp33杂化轨杂化轨 道。每一个道。每一个spsp33杂化轨道含杂化轨道含1/4s1/4s成分和成分和3/4p3/4p成分成分.. 杂化态  这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键， 杂化态 形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。 H H C H HH H  问题：问题： 问题：问题： 在在CHCH44分子形成过程中，分子形成过程中，CC原子的轨原子的轨在在CHCH 分子形成过程中，分子形成过程中，CC原子的轨原子的轨 道为什么要激发，杂化？激发过程所道为什么要激发，杂化？激发过程所 需的能量从哪里来？需的能量从哪里来？需的能量从哪里来？需的能量从哪里来？ 尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量 但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形 成两个C-H键放出的能量要大得多，这些能量足 以补偿电子激发所需的能量而有余 因此 C与以补偿电子激发所需的能量而有余，因此，C与 H形成化合物时生成CH4而不是CH2 轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键。因 为杂化后电子云分布更为集中，可使成键的原子 轨道间的重叠部分增大，成键能力增强，因此C 与H原子能结合成稳定的CH4 SS轨道轨道 pp轨道轨道 SpSp杂化轨道杂化轨道pp CHCH44分子的空间结构分子的空间结构CHCH44分子的空间结构分子的空间结构 以上是用杂化轨道理论来解释CH4的结构，  杂化 在形成分子时 由于原子的相互影响 若干杂化 在形成分子时 由于原子的相互影响 若干 得到了满意的结论。从这里我们也可以看出：  杂化：在形成分子时，由于原子的相互影响，若干杂化：在形成分子时，由于原子的相互影响，若干 不同类型不同类型能量相近能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成的原子轨道混合起来，重新组合成 一组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。一组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。  杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。 杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。  注意两点：注意两点： (1)(1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生(1)(1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生；原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生； (2)(2)能量相近通常是指：能量相近通常是指：nsns与与npnp、、ns,npns,np与与ndnd或（或（nn--1)d1)d。。 杂化杂化2.sp2.sp22杂化杂化 激发激发 SpSp22杂化杂化 重叠重叠 形成形成33个个(sp2(sp2--p) p) σσ键键 BFBF33分子形成过程分子形成过程 一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三个等同 的 2杂化轨道 2杂化轨道间夹角 BFBF33分子形成过程分子形成过程 的sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120º， 呈平面三角形。 2杂化轨道示意图 FF sp2杂化轨道示意图 B FF BF3分子的结构示意图 33 杂化杂化3.sp3.sp杂化杂化 激发激发 spsp杂化杂化 重叠重叠 形成形成22个个(sp(sp--s) s) σσ键键 进行sp杂化时 每个杂化轨道由 ½ S轨道和 ½ P轨道组合 BeClBeCl22分子形成过程分子形成过程 进行sp杂化时，每个杂化轨道由 ½ S 轨道和 ½ P 轨道组合 而成，两个杂化轨道之间的夹角为180°。因此由sp杂化轨 道构成的分子具有直线形的构型。 杂化轨道示意图 Be ClCl sp杂化轨道示意图 Be ClCl BeCl2分子结构示意图2 4 sp4 sp33dd22杂化杂化4.sp4.sp dd 杂化杂化 sp3d2杂化轨道是由一个s轨道、三个p轨道p p 和两个d轨道组合而成，其特点是6个sp3d 杂化轨道指向正八面体的六个顶点，相杂化轨道指向正八面体的六个顶点，相 邻的夹角为90º 。 激发激发 杂化杂化 重叠重叠 sp3d2杂化轨道示意图 F F F S SF6分子的空间结构 F F SF6分子的空间结构 F 5. 5. 等性杂化与不等性杂化等性杂化与不等性杂化 以以HH22OO为例：为例： 价键理论：两个价键理论：两个2p2p轨道分别与两个氢原子形成两轨道分别与两个氢原子形成两 个个 PP SSσσ键键 键角为键角为 9090ºº个个 PP--S S σσ键键 键角为键角为 9090ºº 杂化理论：杂化理论：OO原子的原子的2s2s和和2p2p采取采取spsp33杂化，杂化，OO原子最外层原子最外层 有有66个电子 四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据个电子 四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据有有66个电子，四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据，个电子，四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据， 其余两个轨道被两个单电子占据，与两个其余两个轨道被两个单电子占据，与两个HH形成两个形成两个spsp33-- ss共价键。共价键。 杂化杂化 OO氧子基态氧子基态 spsp33杂化态杂化态 HH OO分子分子 杂化杂化 OO氧子基态氧子基态 spsp33杂化态杂化态 HH22OO分子分子 课堂思考题 推断 解释课堂思考题 推断 解释NHNH 的结构？的结构？课堂思考题：推断、解释课堂思考题：推断、解释NHNH33的结构？的结构？ 杂化杂化 NN氧子基态氧子基态 spsp33杂化态杂化态 NHNH33分子分子 H C H N HH O 109.5 C H H HH H O H H CH4 NH3 H2O 孤电子对数：孤电子对数： 0 1 20 1 2 夹夹 角角 109 5109 5º 107 3107 3º 104 5104 5º夹夹 角：角：109.5109.5º 107.3107.3º 104.5104.5º 空间结构：空间结构：正四面体正四面体 三角锥三角锥 VV形形 结论：在结论：在CHCH44、、NHNH33和和HH22OO分子中，中心原子都分子中，中心原子都 取取spsp33杂化 其夹角随孤电子对数的增加而减少杂化 其夹角随孤电子对数的增加而减少取取spsp33杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。 66 杂化轨道要点杂化轨道要点6. 6. 杂化轨道要点杂化轨道要点 (1 ) 轨道杂化是指同一个原子中相关轨道的混合,由( ) 此产生的杂化轨道也是原子轨道。 (2)参与杂化的轨道中电子所处的能级略有不同(2)参与杂化的轨道中电子所处的能级略有不同， 而杂化轨道中的电子则处于相同能级。杂化后 能级相当于杂化前有关电子能级的中间值 (3)杂化只能发生在能级接近的轨道之间，如主量 能级相当于杂化前有关电子能级的中间值。 (3) 杂化只能发生在能级接近的轨道之间，如主量 子数相同的s、p、d轨道之间，或(n-1)d与ns、np 之间 能量也是相近的 亚层符号按能级升高的之间，能量也是相近的。亚层符号按能级升高的 顺序排列，例如d2sp3和sp3d2代表不同杂化轨道。 (4)各种杂化轨道的“形状”均为葫芦形 由分(4) 各种杂化轨道的 形状 均为葫芦形，由分 布在原子核两侧的大小叶瓣组成，轨道的伸 展方向是指大叶瓣的伸展方向 为简明起见展方向是指大叶瓣的伸展方向，为简明起见 往往不给出小叶瓣。 (5) 杂化轨道的数目等于参与杂化的轨道的总数 (6) 杂化轨道可分为等性杂化轨道与不等性杂化 轨道两种 (7) 杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原 轨道两种。 ( ) 理，键角越大，排斥力越小。杂化轨道类型不 同，成键时键角不同，分子的空间结构也不同。 杂化轨道的类型与空间结构的关系杂化轨道的类型与空间结构的关系杂化轨道的类型与空间结构的关系杂化轨道的类型与空间结构的关系 杂化类型 sp sp2 sp3 sp3d2杂化类型 sp sp2 sp3 sp3d2 用于杂化的 原子轨道数 2 3 4 6原子轨道数 杂化轨道数 2 3 4 6 空间构型 直线型 平面三角形 四面体 八面体 实例实例 BeCl2 BF3 CH4 SF6 CO2 BCl3 CCl4 SiF62-CO2 BCl3 CCl4 SiF6 本节课结束！本节课结束！ 谢谢！谢谢！