武汉工程大学基础化学杂化轨道理论.ppt

基基 础础 化化 学学 THE BASIC CHEMISTRYTHE BASIC CHEMISTRY杂化轨道理论一、杂化轨道理论的提出一、杂化轨道理论的提出以甲烷分子的结构为例：简单的电子配对法和价键理论在应用中会碰到许多问题2p2sEC原子轨道据价键理论：C 原子只有两个未成对电子，只能形成两个共价键且两个C-H键 角互为90o109o28′甲烷的分子结构现代实验测试结果表明：在甲烷分子中，每个C原子分别与四个H原子结合，是一个正四面体结构，C原子位于正四面体的中心，四个氢原子占据四面体的四个顶点而且四个C-H键的键长，键能、键角均相同C原子是四价态的 2s2pE基态2s2p激发态激发假设：按照激发态成键，甲烷分子的四个共价键中，三个相同，第四个不同事实上，甲烷的四个键完全相同杂化杂化轨道 在形成分子时，中心原子中能量相近的轨道经过在形成分子时，中心原子中能量相近的轨道经过混杂平均化，混杂平均化，重新分配能量和调整空间伸展方向，组成数目相同、能量相等的新重新分配能量和调整空间伸展方向，组成数目相同、能量相等的新的原子轨道，的原子轨道，这种混杂平均化的过程称为原子轨道的这种混杂平均化的过程称为原子轨道的“杂化杂化”，所，所得到新的原子轨道称为得到新的原子轨道称为“杂化轨道杂化轨道” 。

二、杂化轨道理论的概念二、杂化轨道理论的概念杂化2s2pE基态2s2p激发态激发杂化轨道C原子轨道的杂化过程如下：原子轨道的杂化过程如下： 分子分子结构结构杂化轨道杂化轨道形状形状三、杂化轨道理论的基本要点三、杂化轨道理论的基本要点1）在形成分子时，）在形成分子时，同一原子中能量相近的原子轨道之同一原子中能量相近的原子轨道之间通过混合叠加，形成间通过混合叠加，形成成键能力更强成键能力更强的新轨道，即的新轨道，即杂化轨道杂化轨道 由于杂化后轨道形状变得一头大一头小由于杂化后轨道形状变得一头大一头小,成键时能够更好地与其成键时能够更好地与其它原子轨道重叠它原子轨道重叠,所以成键能力更强这样形成共价键放出的能量所以成键能力更强这样形成共价键放出的能量更多更多!形成的共价键更加稳定形成的共价键更加稳定3). 一定数目的原子轨道杂化后可得到数目相同，能量相一定数目的原子轨道杂化后可得到数目相同，能量相等的各类杂化轨道等的各类杂化轨道2). 原子轨道杂化时，一般成对电子激发到空轨道而形原子轨道杂化时，一般成对电子激发到空轨道而形成单电子，这个过程所需要的能量完全由成键时放成单电子，这个过程所需要的能量完全由成键时放出的能量予以补偿。

出的能量予以补偿如：如：C原子轨道的杂化过程原子轨道的杂化过程获得能量获得能量释放能量释放能量四、四、s和和p原子轨道杂化原子轨道杂化1、、sp杂化轨道杂化轨道 sp杂化轨道是由一个杂化轨道是由一个s轨道和一个轨道和一个p轨道杂化得到的杂化轨道轨道杂化得到的杂化轨道例如：例如：BeCl2分子分子：Be原子轨道原子轨道s和和p原子轨道杂化有三种方式：原子轨道杂化有三种方式：sp、、sp2、、sp3杂化 杂化轨道形状杂化轨道形状 spsp杂化轨道的特点：每个杂化轨道的特点：每个spsp杂化轨道含有杂化轨道含有1/21/2s s、、1/2p1/2p轨道的成轨道的成分，两个分，两个spsp杂化轨道间的夹角是杂化轨道间的夹角是180º180º，呈直线形型呈直线形型由于轨道的杂由于轨道的杂化，杂化轨道具有一头大另一头小的结构，这种结构更有利于原子化，杂化轨道具有一头大另一头小的结构，这种结构更有利于原子轨道的重叠，所形成的化学键更稳定轨道的重叠，所形成的化学键更稳定BeCl2分子结构分子结构分子结构分子结构:CO2原子轨道形状原子轨道形状:分子轨道形状分子轨道形状:O O 2、、sp2杂化轨道杂化轨道sp2杂化轨道是由杂化轨道是由1个个ns轨道和轨道和2个个np轨道杂化而成。

例如轨道杂化而成例如BF3：：杂化轨道形状杂化轨道形状分子结构分子结构 每个每个sp2杂化轨道的形状也是一头大一头小，每个杂化轨道含杂化轨道的形状也是一头大一头小，每个杂化轨道含1/3 s和和2/3 p成分杂化轨道相互成成分杂化轨道相互成1200角，是平面结构角，是平面结构例如例如:BCl3, BBr3, BI3, NO3-, CO32-等都是等都是采用采用sp2杂化轨道成键杂化轨道成键HHHH     ·········   分子结构分子结构CC········ 分子轨道形状分子轨道形状乙烯分子乙烯分子C原子轨道原子轨道H HCCsp2杂化杂化sp2杂化轨道杂化轨道 sp3杂化轨道是由杂化轨道是由1个个s轨道和轨道和3个个p轨道杂化而形成的，轨道杂化而形成的，例如：例如：CH4分子：分子： 分子结构分子结构杂化轨道形状杂化轨道形状特点：特点：每个每个sp3杂化轨道的形状也是一头大一头小，含有杂化轨道的形状也是一头大一头小，含有1/4 s和和3/4 p轨道的成分轨道的成分sp3杂化轨道相互间的夹角为杂化轨道相互间的夹角为109.50，空，空间构型为正四面体。

间构型为正四面体 3、、sp3杂化轨道杂化轨道另外，另外，SiH4, CCl4, GeH4, NH4+等分子中，中心原子都是以等分子中，中心原子都是以sp3杂杂化轨道成键的化轨道成键的 必须指出的是：不仅必须指出的是：不仅s, p原子轨道可以杂化，原子轨道可以杂化，d轨道也可以参轨道也可以参与杂化 1956年我国结构化学家唐敖庆提出了年我国结构化学家唐敖庆提出了d轨道参与杂化的新概念轨道参与杂化的新概念使得杂化轨道理论更加完善使得杂化轨道理论更加完善五、五、等性杂化和不等性杂化轨道等性杂化和不等性杂化轨道 在在s-p杂化的过程中，每一种杂化轨道所含杂化的过程中，每一种杂化轨道所含 s 和和p 的成分相同（的成分相同（p轨道还有剩余的空轨道，以便轨道还有剩余的空轨道，以便s电子的激发进入）这样的杂化轨电子的激发进入）这样的杂化轨道称为道称为等性杂化轨道等性杂化轨道 在在s-p杂化过程中形成一个新杂化轨道所含杂化过程中形成一个新杂化轨道所含s和和p的成分不同，的成分不同，这样的杂化轨道称为这样的杂化轨道称为不等性杂化轨道不等性杂化轨道 N：：2s22p3, 由于这种电子构型就是激发也不能使电子成单由于这种电子构型就是激发也不能使电子成单，，所以必将有一所以必将有一对电子不能参与成键，成为孤对电子。

在进行对电子不能参与成键，成为孤对电子在进行sp3杂化时，杂化时，4个个sp3杂化的杂化的s和和p成分并不相同，这时采用成分并不相同，这时采用sp3不等性杂化，成键时，只有不等性杂化，成键时，只有3个个sp3杂化杂化轨道与轨道与H原子成键，成键电子对的键角为原子成键，成键电子对的键角为107°，，NH3分子呈三角锥结构，分子呈三角锥结构，而杂化轨道成而杂化轨道成四面体构型四面体构型 如图所示：如图所示：NH3注意：已无注意：已无空轨道供空轨道供s电子进入电子进入H不是直接进入不是直接进入p轨道，轨道，而是在四个轨道先整体而是在四个轨道先整体不等性杂化后再进入不等性杂化后再进入sp3不等性杂化不等性杂化1、、NH3分子结构分子结构 2、、H2O分子结构分子结构 H2O分子结构：分子结构：O：：2s22p4,即即3个个p轨道上已经填了轨道上已经填了4个电子那么，无论个电子那么，无论s电子激发电子激发到哪个到哪个p轨道上，都将有两对不能成键的孤对电子，所以它只能采轨道上，都将有两对不能成键的孤对电子，所以它只能采用不等性用不等性sp3杂化 O原子轨道原子轨道杂化后成键杂化后成键1.1.判断下列分子的杂化轨道类型判断下列分子的杂化轨道类型（A）NH3 （B）BCl3 （C）PCl3 （D）H2S1s2s2pN杂化1s1s2s2pB杂化1s3s3pP杂化3s不等性sp3不等性sp3等性sp2不等性sp23s3pS杂化2. 已知已知 ∠∠ClCCl = 120°，，∠∠OCCl =120°，， COCl2中的杂化轨中的杂化轨 道类型。

道类型  杂化轨道理论很好地解释了分子的形状、键长、键角等现象但不能解释分子的光谱杂化轨道理论很好地解释了分子的形状、键长、键角等现象但不能解释分子的光谱和磁性等现象前章我们讨论了光电效应，光是由于电子从高能级跳回低能级释放能量的和磁性等现象前章我们讨论了光电效应，光是由于电子从高能级跳回低能级释放能量的一种形式而磁性是与电子自旋有关的，如果分子中电子全部成对，则分子没有磁性分一种形式而磁性是与电子自旋有关的，如果分子中电子全部成对，则分子没有磁性分子的磁性用磁矩表示，它成单电子数有如下关系：子的磁性用磁矩表示，它成单电子数有如下关系： 实验测得氧分子的磁矩为实验测得氧分子的磁矩为2.83MB2.83MB，按上式计算，按上式计算n=2n=2，有两个孤对电子，氧是，有两个孤对电子，氧是顺磁性的物质，按价键理论氧原子没有孤对电子另外，一些奇电子分子也能稳顺磁性的物质，按价键理论氧原子没有孤对电子另外，一些奇电子分子也能稳定存在，这些都是价键理论无法解释的其主要原因是由于价键理论过分强调成定存在，这些都是价键理论无法解释的其主要原因是由于价键理论过分强调成键电子定域在成键原子两核之间。

实际上，电子是在整个分子中运动，而不是固键电子定域在成键原子两核之间实际上，电子是在整个分子中运动，而不是固定在某一个区域内运动的定在某一个区域内运动的。