雜化軌道理論圖解

1、雜化軌道理論(圖解）一、原子軌道角度分布圖二、共價(jià)鍵理論和分子結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵理論簡(jiǎn)介、 經(jīng)典的化學(xué)鍵電子理論：1916年德國(guó)化學(xué)家柯塞爾(Kossel)和1919年美國(guó)化學(xué)家路易斯(Lewis)等提出了化學(xué)鍵的電子理論。他們根據(jù)稀有氣體原子的電子層結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定這一事實(shí)，提出各元素原子總是力圖（通過得失電子或共用電子對(duì)）使其最外層具有電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?？氯麪栍秒娮拥牡檬Ы忉屨?fù)離子的結(jié)合。路易斯提出，原子通過共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵稱為共價(jià)鍵(covalent kuveilentbondbnd)。用黑點(diǎn)代表價(jià)電子（即最外層s，p軌道上的電子），可以表示原子形成分子時(shí)共用一對(duì)或若干對(duì)電子以滿足稀有氣體

2、原子的電子結(jié)構(gòu)。為了方便，常用短線代替黑點(diǎn)，用“”表示共用對(duì)電子形成的共價(jià)單鍵，用“”表示對(duì)電子形成的共價(jià)雙鍵，“”表示對(duì)電子形成的共價(jià)叁鍵。原子單獨(dú)擁有的未成鍵的電子對(duì)叫做孤對(duì)電子(lonelunpairpelectronilektrn)。Lewis結(jié)構(gòu)式的書寫規(guī)則又稱八隅規(guī)則（即電子結(jié)構(gòu)）。評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)：Lewis共價(jià)概念初步解釋了一些簡(jiǎn)單非金屬原子間形成共價(jià)分子的過程及其與離子鍵的區(qū)別。局限性：、未能闡明共價(jià)鍵的本質(zhì)和特性；、八隅規(guī)則的例外很多。PCl5SF6BeCl2BF3NO，NO2中心原子周圍價(jià)電子數(shù)101246含奇數(shù)價(jià)電子的分子、不能解釋某些分子的性質(zhì)。含有未成對(duì)電子的分子通常是順磁

3、性的（即它們?cè)诖艌?chǎng)中表現(xiàn)出磁性）例如O2。、1927年德國(guó)的海特勒Heitler和美籍德國(guó)人的倫敦London兩位化學(xué)家建立了現(xiàn)代價(jià)鍵理論，簡(jiǎn)稱VB理論（電子配對(duì)法）。1931年，鮑林在電子配對(duì)的基礎(chǔ)上提出了雜化軌道理論的概念，獲1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。、1928年1932年，德國(guó)的洪特(F.Hund)和美國(guó)的馬利肯(R.S.Mulliken)兩位化學(xué)家提出分子軌道理論，簡(jiǎn)稱MO理論。馬利肯(R.S.Mulliken)由于建立和發(fā)展分子軌道理論榮獲得1966年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。MO法和VB法是兩種根本不同的物理方法；都是電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的近似描述；在一定條件下它們具有等價(jià)性。l O2 ：2 O原子電子

4、組態(tài) 1s2 2s2 2p4 O2，8×2=16個(gè)電子， 外層電子：12個(gè)電子，l KK(2s)2(*2s)2(2pz)2 (2px)2(2py)2(*2px)1 (*2py)1MO理論認(rèn)為價(jià)電子為12，其中成鍵電子，(2s)2 (2pz)2 (2px)2 (2py)2 共8個(gè)電子 反鍵電子，(*2s)2 (*2px)1 (*2py)1共4個(gè)電子 - - - 單鍵， 3電鍵，3電子鍵+3+3，由于每個(gè)3只相當(dāng)于半個(gè)鍵，故鍵級(jí)=2。盡管該鍵級(jí)與傳統(tǒng)價(jià)鍵理論的結(jié)論一致，但分子軌道理論圓滿解釋了順磁性(由于分子中存在未成對(duì)電子引起的)，價(jià)鍵理論則不能解釋。O2分子的路易斯結(jié)構(gòu)式，價(jià)鍵結(jié)構(gòu)式

5、、價(jià)鍵法（VB法）價(jià)鍵理論一：、要點(diǎn)：、共價(jià)鍵的形成條件：、先決條件：原子具有未成對(duì)電子；、配對(duì)電子參與成鍵的原子軌道要滿足對(duì)稱匹配、能量相近以及最大重疊的原則；、兩原子具有成單的自旋相反的電子配對(duì)，服從保里不相容原理。、共價(jià)鍵的本質(zhì)：是由于原子相互接近時(shí)軌道重疊，原子間通過共用自旋相反的電子使能量降低而成鍵。、共價(jià)鍵的特征：、飽和性，一個(gè)原子有幾個(gè)未成對(duì)電子（包括激發(fā)后形成的未成對(duì)電子），便和幾個(gè)自旋相反的電子配對(duì)成鍵；而未成對(duì)電子數(shù)是有限的，故形成化學(xué)鍵的數(shù)目是有限的。、根據(jù)原子軌道最大重疊原理，原子軌道沿其角度分布最大值方向重疊，即共價(jià)鍵具有一定的方向性。、共價(jià)鍵的類型：?jiǎn)捂I、雙鍵和叁鍵

6、。、鍵和鍵。重疊方式重疊方向重疊部分重疊程度鍵能電子能量鍵的強(qiáng)度化學(xué)活潑性鍵“頭碰頭”沿鍵軸方向重疊圓柱形對(duì)稱，集中在兩核之間沿鍵軸分布，可繞鍵軸旋轉(zhuǎn)大小較低較大不活潑，比鍵穩(wěn)定鍵“肩并肩”原子軌道的對(duì)稱軸互相平行分布在通過鍵軸的一個(gè)平面上下方，鍵軸處為零，不可繞軸旋轉(zhuǎn)，“上下”形狀對(duì)稱（像“兩塊冬瓜”），垂直于鍵軸。小大較高較小活潑，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、鍵：沿鍵軸方向重疊，呈圓柱形對(duì)稱，稱為軌道，生成的鍵稱為鍵是希臘字母，相當(dāng)于英文的s，是對(duì)稱Symmetrysimitri這個(gè)字的第一個(gè)字母）。鍵形成的方式：、鍵：兩個(gè)p軌道彼此平行地重疊起來，軌道的對(duì)稱面是通過鍵軸的平面，這個(gè)對(duì)稱面就叫節(jié)面，這

7、樣的軌道稱為軌道，生成的鍵稱為鍵（相當(dāng)于英文的p，是平行parallelpærlel的第一個(gè)字母）。鍵的形成過程：，鍵和鍵只是共價(jià)鍵中最簡(jiǎn)單的模型，此外還有十分多樣的共價(jià)鍵類型。如苯環(huán)的pp大鍵，硫酸根中的dp鍵，硼烷中的多中心鍵l 鍵：若原子軌道以面對(duì)面（如dxy與dxy）方式重疊，為鍵（在金屬原子間成鍵或多核配合物結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)）。、配位鍵：成鍵兩原子必須共用一對(duì)電子。這一對(duì)電子也可以由一個(gè)原子提供出來，與另一原子（提供空軌道）共用，這樣形成的共價(jià)鍵叫做配位鍵。通常用AB表示。形成配位鍵必須具備兩個(gè)條件：、A是提供共用電子對(duì)的原子，其價(jià)電子層有未共用的電子對(duì)，即必須有孤對(duì)電子。、B是

8、接受共用電子對(duì)的原子，其價(jià)電子層必須有可利用的空軌道。含有配位鍵的離子或化合物是相當(dāng)普遍的，如Cu(NH3)42+、Ag(NH3)2+、Fe(CN)64-、Fe(CO)5。電子對(duì)給予體稱為路易斯堿，電子對(duì)接受體稱為路易斯酸。、價(jià)鍵理論二：雜化軌道理論鮑林(Pauling)1931年提出,為了解釋鍵角的變化。價(jià)鍵理論簡(jiǎn)明地闡明了共價(jià)鍵的形成過程和本質(zhì)，成功解釋了共價(jià)鍵的方向性和飽和性，但在解釋一些分子的空間結(jié)構(gòu)方面卻遇到了困難。例如CH4分子的形成，按照價(jià)鍵理論，C原子只有兩個(gè)未成對(duì)的電子，只能與兩個(gè)H原子形成兩個(gè)共價(jià)鍵，而且鍵角應(yīng)該大約為90°。但這與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符，因?yàn)镃與H可形成C

9、H4分子，其空間構(gòu)型為正四面體，HCH = 109°28。為了更好地解釋多原子分子的實(shí)際空間構(gòu)型和性質(zhì)，1931年鮑林和斯萊脫(Slater)在電子配對(duì)理論的基礎(chǔ)上，提出了雜化軌道理論(hybrid orbital theory)，豐富和發(fā)展了現(xiàn)代價(jià)鍵理論。、雜化軌道理論的基本要點(diǎn)u 原子在形成分子時(shí)，為了增強(qiáng)成鍵能力，同一原子中能量相近的不同類型（s、p、d）的幾個(gè)原子軌道可以相互疊加進(jìn)行重新組合，形成能量、形狀和方向與原軌道不同的新的原子軌道。這種原子軌道重新組合的過程稱為原子軌道的雜化，所形成的新的原子軌道稱為雜化軌道。注意：、只有在形成分子的過程中，中心原子能量相近的原子軌道

10、才能進(jìn)行雜化，孤立的原子不可能發(fā)生雜化。、只有能量相近的軌道才能互相雜化。常見的有：ns np nd，(n-1)d ns np；、雜化前后，總能量不變。但雜化軌道在成鍵時(shí)更有利于軌道間的重疊，即雜化軌道的成鍵能力比未雜化的原子軌道的成鍵能力增強(qiáng)，形成的化學(xué)鍵的鍵能大。這是由于雜化后軌道的形狀發(fā)生了變化，電子云分布集中在某一方向上，成鍵時(shí)軌道重疊程度增大，成鍵能力增強(qiáng)。、雜化所形成的雜化軌道的數(shù)目等于參加雜化的原子軌道的數(shù)目，亦即雜化前后，原子軌道的總數(shù)不變。、雜化軌道的空間構(gòu)型取決于中心原子的雜化類型。不同類型的雜化，雜化軌道的空間取向不同，即一定數(shù)目和一定類型的原子軌道間雜化所得到的雜化軌道

11、具有確定的空間幾何構(gòu)型，由此形成的共價(jià)鍵和共價(jià)分子相應(yīng)地具有確定的幾何構(gòu)型。什么叫雜化？同一原子的能量相近的原有的原子軌道“混雜”起來，重新組合形成新軌道的過程，叫做雜化。什么叫雜化軌道？新組合的原子軌道叫做雜化軌道。為什么要雜化？雜化軌道形成的化學(xué)鍵的強(qiáng)度更大，體系的能量更低。雜化的動(dòng)力：受周圍原子的影響。為什么雜化后成鍵，體系的能量降低？雜化軌道在一個(gè)方向上更集中，便于軌道最大重疊。雜化軌道的構(gòu)型決定了分子的幾何構(gòu)型：雜化軌道有利于形成鍵，但不能形成鍵。由于分子的空間幾何構(gòu)型是以鍵為骨架，故雜化軌道的構(gòu)型就決定了其分子的幾何構(gòu)型。l 雜化的規(guī)律l 雜化前后軌道數(shù)目不變，空間取向改變 ；l

12、雜化軌道能與周圍原子形成更強(qiáng)的鍵，或安排孤對(duì)電子，而不會(huì)以空的雜化軌道存在。l 雜化后軌道伸展方向、形狀發(fā)生改變，成鍵能力增強(qiáng)，成鍵能力大小順序（s成分越多成鍵能力越強(qiáng)）sp<sp2<sp3<dsp2<sp3d<sp3d2、雜化軌道的特點(diǎn)、所組成的幾個(gè)雜化軌道具有相同的能量；、形成的雜化軌道數(shù)目等于原有的原子軌道數(shù)目；、雜化軌道的空間伸展方向一定（亦即，雜化軌道的方向不是任意的，雜化軌道之間有一定的夾角）；、雜化軌道的成分：每個(gè)雜化軌道的成分之和為；每個(gè)參加雜化的原子軌道，在所有雜化軌道中的成分之和為（單位軌道的貢獻(xiàn)）。雜化軌道基本類型spsp2sp3參加雜化的原

13、子軌道1個(gè)s和1個(gè)p1個(gè)s和2個(gè)p1個(gè)s和3個(gè)p雜化軌道數(shù)目2個(gè)sp雜化軌道3個(gè)sp2雜化軌道4個(gè)sp3雜化軌道每個(gè)雜化軌道的成分s，ps，ps，p雜化軌道間的夾角180°120°109°28幾何構(gòu)型直線型平面三角形正四面體形實(shí)例BeCl2，HgCl2BF3CH4，SiF4中心原子Be，HgBC，Si、最常見的雜化軌道類型簡(jiǎn)介雜化軌道類型spsp2sp3dsp2d(x2-y2)與s、px、py空間幾何構(gòu)型直線型平面三角形正四面體形平面正方形雜化軌道數(shù)目2344雜化軌道類型sd3s與dxy、dxz、dyzsp3ddz2dsp3d(x2-y2)空間幾何構(gòu)型正四面體形三

14、角雙錐形四方錐形雜化軌道數(shù)目455雜化軌道類型d2sp3,sp3d2dz2,d(x2-y2)sp3d3空間幾何構(gòu)型正八面體形五角雙錐形雜化軌道數(shù)目67雜化軌道類型dpsddp2，d2sd3s空間幾何構(gòu)型直線型彎曲型，平面三角形正四面體形雜化軌道數(shù)目2234雜化軌道類型d4s,d2sp2d3p3d4spd4sp3空間幾何構(gòu)型四方錐形反三角雙錐形三棱柱型十二面體形雜化軌道數(shù)目5668MX2spMX3sp2MX4sp3MX5dsp3MX6d2sp3dsp2d2sp2sp3d2 sp雜化軌道：是1個(gè)ns 軌道與1個(gè) np 軌道雜化形成2個(gè)sp雜化軌道。BeCl2的成鍵過程，Be原子的雜化。兩個(gè)sp 雜

15、化軌道的夾角為180º，空間構(gòu)型：直線型。、SP2雜化軌道：是一個(gè)原子的1個(gè)nS軌道和2個(gè)nP軌道之間進(jìn)行雜化，形成3個(gè)等價(jià)的SP2雜化軌道。3個(gè)SP2雜化軌道互成120°，sp2雜化形成平面正三角形分子。例如BCl3的成鍵過程，B原子的雜化。 、SP3雜化軌道：是一個(gè)原子的1個(gè)S軌道和3個(gè)P軌道之間進(jìn)行雜化，形成4個(gè)等價(jià)的SP3雜化軌道。4個(gè)SP3雜化軌道互成109.5°，sp3雜化形成正四面體結(jié)構(gòu)分子。例如CH4 的成鍵過程，C原子的雜化。 相關(guān)鏈接： BeCl2是共價(jià)化合物，在氣態(tài)為雙聚分子(BeCl2)2(在773873K下)，溫度再高時(shí)，二聚體解離為單體

16、BeCl2，在1273K完全離解。固態(tài)BeCl2具有無限長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。在BeCl2(g)中Be為sp雜化，直線型。在雙聚體(BeCl2)2 (g)中Be為SP2雜化。在固態(tài)BeCl2中Be為SP3雜化。直線型：CO2，BeCl2，Ag(NH3)2+，HgCl2，ZnCl2，HCCH（C原子sp雜化）；平面三角形：BF3，SO3(g)，NO- 3，CO2- 3，H2C=CH2（C原子sp2雜化）；正四面體形：CH4，SO2- 4，SiF4，NH4+，Zn(NH3)42+；ClO4-，MnO- 4，MnO2- 4(Mn原子d3s雜化）；平面正方形：Cu(NH3)42+，Zn(CN)42-，PdCl42

17、-；三角雙錐形：PCl5，F(xiàn)e(CO)5；四方錐形：Sb(C6H5)5；正八面體形：SF6，F(xiàn)e(CN)63-，F(xiàn)eF3- 6，AlF3- 6；五角雙錐形：IF7；、等性雜化與s-p型不等性雜化、等性雜化：由不同類型的原子軌道“混合”起來，重新組合成一組完全等同的雜化軌道的過程稱為等性雜化，形成的軌道為等性雜化軌道。各個(gè)雜化軌道的形狀和能量完全相同。條件：當(dāng)成鍵原子中參與雜化的原子軌道上的電子數(shù)目等于雜化軌道數(shù)目，且與之成鍵的原子也完全相同，其雜化就是等性雜化。例如，CH4和CCl4與中心原子鍵合的是同一種原子，分子呈高度對(duì)稱的正四面體構(gòu)型，其中的4個(gè)sp3雜化軌道自然沒有差別，這種雜化類型叫

18、做等性雜化。、不等性雜化：由不同類型的原子軌道“混合”起來，重新組合成一組不完全等同的雜化軌道（形成的雜化軌道的能量不完全相等，所含的成分也不完全相同）的過程稱為不等性雜化，形成的軌道為不等性雜化軌道。參與雜化的原子軌道中存在孤對(duì)電子，則形成的雜化軌道的形狀和能量不完全相同。條件：、當(dāng)成鍵原子中參與雜化的原子軌道上的電子數(shù)目等于雜化軌道數(shù)目，但是與之成鍵的原子不完全相同，其雜化就是不等性雜化。例如，CHCl3和CH2Cl2(另一種看法是：等性雜化并不表示形成的共價(jià)鍵等同。例如，CHCl3為變形四面體，分子中三個(gè)CCl鍵與 CH鍵并不等同，但 C 采取的雜化方式仍是 sp3等性雜化。)、當(dāng)成鍵原

19、子中參與雜化的原子軌道上的電子數(shù)目多于雜化軌道數(shù)目，有的雜化軌道上必然會(huì)被孤對(duì)電子所占據(jù)，而被孤電子對(duì)占據(jù)的雜化軌道所含的s成分比單個(gè)電子占據(jù)的雜化軌道含的s成分略大，更靠近中心原子的原子核，對(duì)成鍵電子對(duì)具有一定的排斥作用，參與成鍵雜化軌道具有更多的p軌道特征，此時(shí)，雖然與之成鍵的原子完全相同，其雜化就是不等性雜化。例如，H2O中的O、NH3分子中的N和CH4分子中的C一樣，采取的是SP3雜化。 但由于H2O 、NH3分子中保留有孤對(duì)電子,四個(gè)雜化軌道中只有部分參與成鍵，為不等性雜化，因此分子的形狀是不對(duì)稱的。（CH4分子中的鍵角109°28，NH3分子中的鍵角107°18

20、，H2O分子中的鍵角104°45。）判斷是否等性雜化，要看各條雜化軌道的能量是否相等，不能看未參加雜化的軌道的能量。H2O“V”字形，NH3和H3O+三角錐形，CHCl3和CH2Cl2、CH3Cl變形四面體形、部分雜化、CO2，、乙烯分子中的C原子，用個(gè)2S軌道和2Px、2Py軌道進(jìn)行SP2雜化，SP2雜化軌道呈平面正三角形。成鍵的個(gè)C原子各以個(gè)SP2雜化軌道彼此重疊形成個(gè)CC鍵，并各以兩個(gè)SP2雜化軌道分別與個(gè)H原子的1S軌道形成個(gè)CH鍵，這個(gè)鍵其對(duì)稱軸都在同一平面內(nèi)。每個(gè)C原子余下的2Pz軌道彼此平行地重疊，形成鍵。C原子SP2雜化軌道未參加雜化的Pz軌道 SP2雜化軌道平面、乙

21、炔分子中的C原子，用個(gè)2S軌道和個(gè)2Px軌道進(jìn)行SP雜化，SP雜化軌道呈直線形。成鍵的個(gè)C原子各以個(gè)SP雜化軌道彼此重疊形成一個(gè)CC鍵，并各以另個(gè)SP雜化軌道分別與兩個(gè)H原子的1S軌道形成個(gè)CH鍵，這個(gè)鍵其對(duì)稱軸都在同一直線上。每個(gè)C原子余下2Py和2Pz軌道，個(gè)2Py和個(gè)2Pz分別平行地重疊，形成的鍵鍵共有2個(gè)。彎鍵：雜化軌道的極大值方向通常和鍵軸方向一致，形成圓柱對(duì)稱的鍵，但有時(shí)極大值方向卻與分子中成鍵兩原子間的連線方向不同。例：環(huán)丙烷中鍵角為60°，而碳原子利用sp3雜化軌道成鍵，軌道間的夾角為109.5°?？梢姡壍蜡B加最大區(qū)域在三角形外側(cè)，這時(shí)形成的鍵由于彎曲，不存在繞鍵軸的圓柱對(duì)稱性，這種彎曲的鍵稱