原子杂化轨道理论.ppt

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1、杂化轨道理论 主讲人：蒋毅民 教授知识回顾：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90 而不是180？CH4的分子结构C 原子的基态为1s22s22px12py12pz0H2O的分子结构O 原子的基态为1s22s22px12py12pz2 二、杂化轨道理论1、SP3杂化（以甲烷的分子结构为例）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，C C原子原子 上的一个上的一个2 2s s电子可被激发到电子可被激发到2 2p p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4 4个共价键的问题，个共价键的问题，但是如

2、果这但是如果这4 4个轨道，即个轨道，即1 1个个s s轨道和轨道和3 3个个p p轨道，轨道，分别与分别与4 4个氢原子结合，形成个氢原子结合，形成4 4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。基态基态激发态激发态 杂杂化化轨道还认为：在成键过程中，这轨道还认为：在成键过程中，这4 4个不同的轨个不同的轨道重新组合成道重新组合成4 4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1 1个个s s与与3 3个个p p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spsp3 3杂化轨杂化轨道。每一个道。每一个spsp3 3杂化轨道含杂化轨道含1/41/

3、4s s成分和成分和3/43/4p p成分成分.激发态激发态杂化态杂化态杂化杂化这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键，形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。杂化态杂化态 问题：在CH4分子形成过程中，C原子的轨道为什么要激发，杂化？激发过程所需的能量从哪里来？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

4、，因此C与H原子能结合成稳定的CH4S S轨道轨道p p轨道轨道SpSp杂化轨道杂化轨道CHCH4 4分子的空间结构分子的空间结构vv 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。vv 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。vv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

5、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,ns,npnp与与ndnd或（或（n-1)dn-1)d。以上是用杂化轨道理论来解释CH4的结构，得到了满意的结论。从这里我们也可以看出：2.sp2杂化一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三个等同的sp2杂化轨道,sp2杂化轨道间夹角120，呈平面三角形。激发激发激发激发SpSp2 2杂化杂化杂化杂化重叠重叠重叠重叠形成形成形成形成3 3个个个个(sp2-p)(sp2-p)键键键键BFBF3 3分子形成过程分子形成过程分子形成过程分子形成过程sp2杂化轨道示意图BF3分子

6、的结构示意图3.sp杂化进行sp杂化时，每个杂化轨道由 S 轨道和 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。重叠重叠重叠重叠激发激发激发激发spsp杂化杂化杂化杂化BeClBeCl2 2分子形成过程分子形成过程分子形成过程分子形成过程 形成形成形成形成2 2个个个个(sp-s)(sp-s)键键键键sp杂化轨道示意图BeCl2分子结构示意图4.sp3d2杂化sp3d2杂化轨道是由一个s轨道、三个p轨道和两个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，相邻的夹角为90。激发激发激发激发杂化杂化杂化杂化重叠重叠重叠重叠s

7、p3d2杂化轨道示意图SF6分子的空间结构5.等性杂化与不等性杂化以以H H2 2OO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 P-S P-S 键键键键 键角为键角为键角为键角为 90 90 杂化理论：杂化理论：杂化理论：杂化理论：OO原子的原子的2s2s和和2p2p采取采取spsp3 3杂化，杂化，OO原子最外层原子最外层有有6 6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H H形成两个形成两个spsp

8、3 3-s s共价键。共价键。OO氧子基态氧子基态spsp3 3杂化态杂化态H H2 2OO分子分子杂化杂化杂化杂化课堂思考题：推断、解释NH3的结构？N N氧子基态氧子基态spsp3 3杂化态杂化态NHNH3 3分子分子杂化杂化杂化杂化孤电子对数：孤电子对数：0 1 2 0 1 2夹夹 角：角：109.5109.5 107.3 107.3 104.5 104.5 空间结构：空间结构：正四面体正四面体 三角锥三角锥 V V形形结论：在结论：在CHCH4 4、NHNH3 3和和H H2 2OO分子中，中心原子都分子中，中心原子都取取spsp3 3杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。杂化，其夹角

9、随孤电子对数的增加而减少。6.杂化轨道要点(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顺序排列，例如d2sp3和sp3d2代表不同杂化轨道。(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，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。(7)杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理，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。(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。杂化轨道的类型与空间结构的关系杂化类型spsp2sp3sp3d2用于杂化的原子轨道数2346杂化轨道数2346空间构型直线型平面三角形四面体八面体实例BeCl2BF3CH4SF6CO2BCl3CCl4SiF62-本节课结束！谢谢！