基礎(chǔ)化學(xué)雜化軌道理論-課件

基礎(chǔ)化學(xué)

THEBASICCHEMISTRY化工與制藥學(xué)院基礎(chǔ)化學(xué)學(xué)科部程清蓉基礎(chǔ)化學(xué)

THEBASICCHEMISTRY1雜化軌道理論一、雜化軌道理論的提出以甲烷分子的結(jié)構(gòu)為例：簡單的電子配對法和價鍵理論在應(yīng)用中會碰到許多問題。2p2sEC原子軌道據(jù)價鍵理論：C原子只有兩個未成對電子，只能形成兩個共價鍵。且兩個C-H鍵角互為90o。109o28′甲烷的分子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：在甲烷分子中，每個C原子分別與四個H原子結(jié)合，是一個正四面體結(jié)構(gòu)，C原子位于正四面體的中心，四個氫原子占據(jù)四面體的四個頂點(diǎn)。而且四個C-H鍵的鍵長，鍵能、鍵角均相同。C原子是四價態(tài)的。

雜化軌道理論一、雜化軌道理論的提出以甲烷分子的結(jié)構(gòu)為例：簡單22s2pE基態(tài)2s2p激發(fā)態(tài)激發(fā)假設(shè)：按照激發(fā)態(tài)成鍵，甲烷分子的四個共價鍵中，三個相同，第四個不同。事實(shí)上，甲烷的四個鍵完全相同。雜化雜化軌道2s2pE基態(tài)2s2p激發(fā)態(tài)激發(fā)假設(shè)：按照激發(fā)態(tài)成鍵，甲烷分3在形成分子時，中心原子中能量相近的軌道經(jīng)過混雜平均化，重新分配能量和調(diào)整空間伸展方向，組成數(shù)目相同、能量相等的新的原子軌道，這種混雜平均化的過程稱為原子軌道的“雜化”，所得到新的原子軌道稱為“雜化軌道”。二、雜化軌道理論的概念雜化2s2pE基態(tài)2s2p激發(fā)態(tài)激發(fā)雜化軌道C原子軌道的雜化過程如下：

分子結(jié)構(gòu)雜化軌道形狀在形成分子時，中心原子中能量相近的軌道經(jīng)過混雜4三、雜化軌道理論的基本要點(diǎn)1）在形成分子時，同一原子中能量相近的原子軌道之間通過混合疊加，形成成鍵能力更強(qiáng)的新軌道，即雜化軌道。

由于雜化后軌道形狀變得一頭大一頭小,成鍵時能夠更好地與其它原子軌道重疊,所以成鍵能力更強(qiáng)。這樣形成共價鍵放出的能量更多!形成的共價鍵更加穩(wěn)定。三、雜化軌道理論的基本要點(diǎn)1）在形成分子時，同一原子中能量相53).一定數(shù)目的原子軌道雜化后可得到數(shù)目相同，能量相等的各類雜化軌道。2).原子軌道雜化時，一般成對電子激發(fā)到空軌道而形成單電子，這個過程所需要的能量完全由成鍵時放出的能量予以補(bǔ)償。如：C原子軌道的雜化過程獲得能量釋放能量3).一定數(shù)目的原子軌道雜化后可得到數(shù)目相同，能量相等的各6四、s和p原子軌道雜化1、sp雜化軌道

sp雜化軌道是由一個s軌道和一個p軌道雜化得到的雜化軌道。例如：BeCl2分子：Be原子軌道s和p原子軌道雜化有三種方式：sp、sp2、sp3雜化。四、s和p原子軌道雜化1、sp雜化軌道Be原子軌道s和p原子7

雜化軌道形狀

sp雜化軌道的特點(diǎn)：每個sp雜化軌道含有1/2s、1/2p軌道的成分，兩個sp雜化軌道間的夾角是180o，呈直線形型。由于軌道的雜化，雜化軌道具有一頭大另一頭小的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)更有利于原子軌道的重疊，所形成的化學(xué)鍵更穩(wěn)定。BeCl2分子結(jié)構(gòu)雜化軌道形狀sp雜化軌道的8分子結(jié)構(gòu):CO2原子軌道形狀:分子軌道形狀:OO分子結(jié)構(gòu):CO2原子軌道形狀:分子軌道形狀:OO9

2、sp2雜化軌道sp2雜化軌道是由1個ns軌道和2個np軌道雜化而成。例如BF3：雜化軌道形狀分子結(jié)構(gòu)每個sp2雜化軌道的形狀也是一頭大一頭小，每個雜化軌道含1/3s和2/3p成分。雜化軌道相互成1200角，是平面結(jié)構(gòu)。例如:BCl3,BBr3,BI3,NO3-,CO32-等都是采用sp2雜化軌道成鍵2、sp2雜化軌道雜化軌道形狀分子結(jié)構(gòu)每個sp10HHHH·········

分子結(jié)構(gòu)CC········

分子軌道形狀乙烯分子C原子軌道HHCCsp2雜化sp2雜化軌道HHHH·········分子結(jié)構(gòu)CC11sp3雜化軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化而形成的，例如：CH4分子：

分子結(jié)構(gòu)雜化軌道形狀特點(diǎn)：每個sp3雜化軌道的形狀也是一頭大一頭小，含有1/4s和3/4p軌道的成分。sp3雜化軌道相互間的夾角為109.50，空間構(gòu)型為正四面體。

3、sp3雜化軌道另外，SiH4,CCl4,GeH4,NH4+等分子中，中心原子都是以sp3雜化軌道成鍵的。

必須指出的是：不僅s,p原子軌道可以雜化，d軌道也可以參與雜化。sp3雜化軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化而形成的12

1956年我國結(jié)構(gòu)化學(xué)家唐敖慶提出了d軌道參與雜化的新概念。使得雜化軌道理論更加完善。五、等性雜化和不等性雜化軌道

在s-p雜化的過程中，每一種雜化軌道所含

s和p的成分相同（p軌道還有剩余的空軌道，以便s電子的激發(fā)進(jìn)入）這樣的雜化軌道稱為等性雜化軌道。

在s-p雜化過程中形成一個新雜化軌道所含s和p的成分不同，這樣的雜化軌道稱為不等性雜化軌道。1956年我國結(jié)構(gòu)化學(xué)家唐敖慶提出了d軌道參與雜化的13

N：2s22p3,由于這種電子構(gòu)型就是激發(fā)也不能使電子成單，所以必將有一對電子不能參與成鍵，成為孤對電子。在進(jìn)行sp3雜化時，4個sp3雜化的s和p成分并不相同，這時采用sp3不等性雜化，成鍵時，只有3個sp3雜化軌道與H原子成鍵，成鍵電子對的鍵角為107°，NH3分子呈三角錐結(jié)構(gòu)，而雜化軌道成四面體構(gòu)型。

如圖所示：NH3注意：已無空軌道供s電子進(jìn)入H不是直接進(jìn)入p軌道，而是在四個軌道先整體不等性雜化后再進(jìn)入sp3不等性雜化1、NH3分子結(jié)構(gòu)N：2s22p3,由于這種電子構(gòu)型就是激發(fā)也不能使電子14

2、H2O分子結(jié)構(gòu)

H2O分子結(jié)構(gòu)：O：2s22p4,即3個p軌道上已經(jīng)填了4個電子。那么，無論s電子激發(fā)到哪個p軌道上，都將有兩對不能成鍵的孤對電子，所以它只能采用不等性sp3雜化。

O原子軌道雜化后成鍵2、H2O分子結(jié)構(gòu)H2O分子結(jié)構(gòu)：O：151.判斷下列分子的雜化軌道類型（A）NH3

（B）BCl3

（C）PCl3

（D）H2S1s2s2pN雜化1s1s2s2pB雜化1s3s3pP雜化3s不等性sp3不等性sp3等性sp21.判斷下列分子的雜化軌道類型1s2s2pN雜化1s1s2s16不等性sp23s3pS雜化2.已知∠ClCCl=120°，∠OCCl=120°，COCl2中的雜化軌道類型。不等性sp23s3pS雜化2.已知∠ClCCl=1217

雜化軌道理論很好地解釋了分子的形狀、鍵長、鍵角等現(xiàn)象。但不能解釋分子的光譜和磁性等現(xiàn)象。前章我們討論了光電效應(yīng)，光是由于電子從高能級跳回低能級釋放能量的一種形式。而磁性是與電子自旋有關(guān)的，如果分子中電子全部成對，則分子沒有磁性。分子的磁性用磁矩表示，它成單電子數(shù)有如下關(guān)系：

實(shí)驗(yàn)測得氧分子的磁矩為2.83MB，按上式計(jì)算n=2，有兩個孤對電子，氧是順磁性的物質(zhì)，按價鍵理論氧原子沒有孤對電子。另外，一些奇電子分子也能穩(wěn)定存在，這些都是價鍵理論無法解釋的。其主要原因是由于價鍵理論過分強(qiáng)調(diào)成鍵電子定域在成鍵原子兩核之間。實(shí)際上，電子是在整個分子中運(yùn)動，而不是固定在某一個區(qū)域內(nèi)運(yùn)動的。雜化軌道理論很好地解釋了分子的形狀18基礎(chǔ)化學(xué)

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THEBASICCHEMISTRY19雜化軌道理論一、雜化軌道理論的提出以甲烷分子的結(jié)構(gòu)為例：簡單的電子配對法和價鍵理論在應(yīng)用中會碰到許多問題。2p2sEC原子軌道據(jù)價鍵理論：C原子只有兩個未成對電子，只能形成兩個共價鍵。且兩個C-H鍵角互為90o。109o28′甲烷的分子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：在甲烷分子中，每個C原子分別與四個H原子結(jié)合，是一個正四面體結(jié)構(gòu)，C原子位于正四面體的中心，四個氫原子占據(jù)四面體的四個頂點(diǎn)。而且四個C-H鍵的鍵長，鍵能、鍵角均相同。C原子是四價態(tài)的。

雜化軌道理論一、雜化軌道理論的提出以甲烷分子的結(jié)構(gòu)為例：簡單202s2pE基態(tài)2s2p激發(fā)態(tài)激發(fā)假設(shè)：按照激發(fā)態(tài)成鍵，甲烷分子的四個共價鍵中，三個相同，第四個不同。事實(shí)上，甲烷的四個鍵完全相同。雜化雜化軌道2s2pE基態(tài)2s2p激發(fā)態(tài)激發(fā)假設(shè)：按照激發(fā)態(tài)成鍵，甲烷分21在形成分子時，中心原子中能量相近的軌道經(jīng)過混雜平均化，重新分配能量和調(diào)整空間伸展方向，組成數(shù)目相同、能量相等的新的原子軌道，這種混雜平均化的過程稱為原子軌道的“雜化”，所得到新的原子軌道稱為“雜化軌道”。二、雜化軌道理論的概念雜化2s2pE基態(tài)2s2p激發(fā)態(tài)激發(fā)雜化軌道C原子軌道的雜化過程如下：

分子結(jié)構(gòu)雜化軌道形狀在形成分子時，中心原子中能量相近的軌道經(jīng)過混雜22三、雜化軌道理論的基本要點(diǎn)1）在形成分子時，同一原子中能量相近的原子軌道之間通過混合疊加，形成成鍵能力更強(qiáng)的新軌道，即雜化軌道。

由于雜化后軌道形狀變得一頭大一頭小,成鍵時能夠更好地與其它原子軌道重疊,所以成鍵能力更強(qiáng)。這樣形成共價鍵放出的能量更多!形成的共價鍵更加穩(wěn)定。三、雜化軌道理論的基本要點(diǎn)1）在形成分子時，同一原子中能量相233).一定數(shù)目的原子軌道雜化后可得到數(shù)目相同，能量相等的各類雜化軌道。2).原子軌道雜化時，一般成對電子激發(fā)到空軌道而形成單電子，這個過程所需要的能量完全由成鍵時放出的能量予以補(bǔ)償。如：C原子軌道的雜化過程獲得能量釋放能量3).一定數(shù)目的原子軌道雜化后可得到數(shù)目相同，能量相等的各24四、s和p原子軌道雜化1、sp雜化軌道

sp雜化軌道是由一個s軌道和一個p軌道雜化得到的雜化軌道。例如：BeCl2分子：Be原子軌道s和p原子軌道雜化有三種方式：sp、sp2、sp3雜化。四、s和p原子軌道雜化1、sp雜化軌道Be原子軌道s和p原子25

雜化軌道形狀

sp雜化軌道的特點(diǎn)：每個sp雜化軌道含有1/2s、1/2p軌道的成分，兩個sp雜化軌道間的夾角是180o，呈直線形型。由于軌道的雜化，雜化軌道具有一頭大另一頭小的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)更有利于原子軌道的重疊，所形成的化學(xué)鍵更穩(wěn)定。BeCl2分子結(jié)構(gòu)雜化軌道形狀sp雜化軌道的26分子結(jié)構(gòu):CO2原子軌道形狀:分子軌道形狀:OO分子結(jié)構(gòu):CO2原子軌道形狀:分子軌道形狀:OO27

2、sp2雜化軌道sp2雜化軌道是由1個ns軌道和2個np軌道雜化而成。例如BF3：雜化軌道形狀分子結(jié)構(gòu)每個sp2雜化軌道的形狀也是一頭大一頭小，每個雜化軌道含1/3s和2/3p成分。雜化軌道相互成1200角，是平面結(jié)構(gòu)。例如:BCl3,BBr3,BI3,NO3-,CO32-等都是采用sp2雜化軌道成鍵2、sp2雜化軌道雜化軌道形狀分子結(jié)構(gòu)每個sp28HHHH·········

分子結(jié)構(gòu)CC········

分子軌道形狀乙烯分子C原子軌道HHCCsp2雜化sp2雜化軌道HHHH·········分子結(jié)構(gòu)CC29sp3雜化軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化而形成的，例如：CH4分子：

分子結(jié)構(gòu)雜化軌道形狀特點(diǎn)：每個sp3雜化軌道的形狀也是一頭大一頭小，含有1/4s和3/4p軌道的成分。sp3雜化軌道相互間的夾角為109.50，空間構(gòu)型為正四面體。

3、sp3雜化軌道另外，SiH4,CCl4,GeH4,NH4+等分子中，中心原子都是以sp3雜化軌道成鍵的。

必須指出的是：不僅s,p原子軌道可以雜化，d軌道也可以參與雜化。sp3雜化軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化而形成的30

1956年我國結(jié)構(gòu)化學(xué)家唐敖慶提出了d軌道參與雜化的新概念。使得雜化軌道理論更加完善。五、等性雜化和不等性雜化軌道

在s-p雜化的過程中，每一種雜化軌道所含

s和p的成分相同（p軌道還有剩余的空軌道，以便s電子的激發(fā)進(jìn)入）這樣的雜化軌道稱為等性雜化軌道。

在s-p雜化過程中形成一個新雜化軌道所含s和p的成分不同，這樣的雜化軌道稱為不等性雜化軌道。1956年我國結(jié)構(gòu)化學(xué)家唐敖慶提出了d軌道參與雜化的31

N：2s22p3,由于這種電子構(gòu)型就是激發(fā)也不能使電子成單，所以必將有一對電子不能參與成鍵，成為孤對電子。在進(jìn)行sp3雜化時，4個sp3雜化的s和p成分并不相同，這時采用sp3不等性雜化，成鍵時，只有3個sp3雜化軌道與H原子成鍵，成鍵電子對的鍵角為107°，NH3分子呈三角錐結(jié)構(gòu)，而雜化軌道成四面體構(gòu)型。

如圖所示：NH3注意：已無空軌道供s電子進(jìn)入H不是直接進(jìn)入p軌道，而是在四個軌道先整體不等性雜化后再進(jìn)入sp3不等性雜化1、NH3分子結(jié)構(gòu)N：2s22p3,由于這種電子構(gòu)型就是激發(fā)也不能使電子32

2、H2O分子結(jié)構(gòu)

H2O分子結(jié)構(gòu)：O：2s22p4,即3個p軌道上已經(jīng)填了4個電子。那么，無論s電子激發(fā)到哪個p軌道上，都將有兩對不能成鍵的孤對電