Transcript 杂化轨道理论
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杂化轨道理论
主讲人:蒋毅民 教授
Slide 2
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
S
H
Slide 3
H
O
1 0 9 .5
º
H
C
H
H
H
1 0 4 .5 º
CH4的分子结构
H2O的分子结构
C 原子的基态为
O 原子的基态为
1s22s22px12py12pz0
1s22s22px12py12pz2
H
Slide 4
二、杂化轨道理论
1、SP3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,C原子
上的一个2s电子可被激发到2p空轨道上,形成
四个单键,这时虽然解决了4个共价键的问题,
但是如果这4个轨道,即1个s轨道和3个p轨道,
分别与4个氢原子结合,形成4个键能量是不同的,
这与事实不符。
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杂化
激发态
杂化态
杂化轨道还认为:在成键过程中,这4个不同的轨
道重新组合成4个能量相等的新轨道,由于是由1个
3
s与3个p轨道组合而成,因而新轨道称作sp 杂化轨
3
道。每一个sp 杂化轨道含1/4s成分和3/4p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,
形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。
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H
H
C
H
H
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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?
Slide 9
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,因此C
与H原子能结合成稳定的CH4
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S轨道
p轨道
CH4分子的空间结构
Sp杂化轨道
Slide 11
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:
杂化:在形成分子时,由于原子的相互影响,若干
不同类型能量相近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。
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:
(1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生;
(2)能量相近通常是指:ns与np、ns,np与nd或(n-1)d。
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2.sp2杂化
激发
Sp2杂化
重叠
形成3个(sp2-p) σ键
BF3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sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120º,
呈平面三角形。
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sp2杂化轨道示意图
F
F
B
F
BF3分子的结构示意图
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3.sp杂化
激发
sp杂化
重叠
形成2个(sp-s) σ键
BeCl2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。
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sp杂化轨道示意图
Cl
Be
BeCl2分子结构示意图
Cl
Slide 16
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90º 。
激发
杂化
重叠
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sp3d2杂化轨道示意图
F
F
F
S
F
SF6分子的空间结构
F
F
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5. 等性杂化与不等性杂化
以H2O为例:
价键理论:两个2p轨道分别与两个氢原子形成两
个 P-S σ键
键角为 90º
杂化理论:O原子的2s和2p采取sp3杂化,O原子最外层
有6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H形成两个sp3s共价键。
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杂化
O氧子基态
sp3杂化态
H2O分子
Slide 20
课堂思考题:推断、解释NH3的结构?
杂化
N氧子基态
sp3杂化态
NH3分子
Slide 21
H
109.5
N
H
C
H
H
CH4
孤电子对数: 0
夹
H
H
角:109.5º
空间结构: 正四面体
H
NH3
1
O
H
H
H 2O
2
107.3º
104.5º
三角锥
V形
结论:在CH4、NH3和H2O分子中,中心原子都
取sp3杂化,其夹角随孤电子对数的增加而减少。
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6. 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,
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
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。
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(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。
(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。
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杂化轨道的类型与空间结构的关系
杂化类型
sp
sp2
sp3
sp3d2
用于杂化的
原子轨道数
2
3
4
6
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
BeCl2
BF3
CH4
SF6
CO2
BCl3
CCl4
SiF62-
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本节课结束!
谢谢!
杂化轨道理论
主讲人:蒋毅民 教授
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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
S
H
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H
O
1 0 9 .5
º
H
C
H
H
H
1 0 4 .5 º
CH4的分子结构
H2O的分子结构
C 原子的基态为
O 原子的基态为
1s22s22px12py12pz0
1s22s22px12py12pz2
H
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二、杂化轨道理论
1、SP3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,C原子
上的一个2s电子可被激发到2p空轨道上,形成
四个单键,这时虽然解决了4个共价键的问题,
但是如果这4个轨道,即1个s轨道和3个p轨道,
分别与4个氢原子结合,形成4个键能量是不同的,
这与事实不符。
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杂化
激发态
杂化态
杂化轨道还认为:在成键过程中,这4个不同的轨
道重新组合成4个能量相等的新轨道,由于是由1个
3
s与3个p轨道组合而成,因而新轨道称作sp 杂化轨
3
道。每一个sp 杂化轨道含1/4s成分和3/4p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,
形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。
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Slide 7
H
H
C
H
H
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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?
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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,因此C
与H原子能结合成稳定的CH4
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S轨道
p轨道
CH4分子的空间结构
Sp杂化轨道
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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:
杂化:在形成分子时,由于原子的相互影响,若干
不同类型能量相近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。
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:
(1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生;
(2)能量相近通常是指:ns与np、ns,np与nd或(n-1)d。
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2.sp2杂化
激发
Sp2杂化
重叠
形成3个(sp2-p) σ键
BF3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sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120º,
呈平面三角形。
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sp2杂化轨道示意图
F
F
B
F
BF3分子的结构示意图
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3.sp杂化
激发
sp杂化
重叠
形成2个(sp-s) σ键
BeCl2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。
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sp杂化轨道示意图
Cl
Be
BeCl2分子结构示意图
Cl
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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90º 。
激发
杂化
重叠
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sp3d2杂化轨道示意图
F
F
F
S
F
SF6分子的空间结构
F
F
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5. 等性杂化与不等性杂化
以H2O为例:
价键理论:两个2p轨道分别与两个氢原子形成两
个 P-S σ键
键角为 90º
杂化理论:O原子的2s和2p采取sp3杂化,O原子最外层
有6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H形成两个sp3s共价键。
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杂化
O氧子基态
sp3杂化态
H2O分子
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课堂思考题:推断、解释NH3的结构?
杂化
N氧子基态
sp3杂化态
NH3分子
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H
109.5
N
H
C
H
H
CH4
孤电子对数: 0
夹
H
H
角:109.5º
空间结构: 正四面体
H
NH3
1
O
H
H
H 2O
2
107.3º
104.5º
三角锥
V形
结论:在CH4、NH3和H2O分子中,中心原子都
取sp3杂化,其夹角随孤电子对数的增加而减少。
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6. 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,
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
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。
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(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。
(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。
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杂化轨道的类型与空间结构的关系
杂化类型
sp
sp2
sp3
sp3d2
用于杂化的
原子轨道数
2
3
4
6
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
BeCl2
BF3
CH4
SF6
CO2
BCl3
CCl4
SiF62-
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