杂化轨道理论

1、5.4 杂化轨道理论与分子间作用力以甲烷以甲烷(CH(CH) )为例，经实验测知：为例，经实验测知：（1 1）CHCH分子的空间结构分子的空间结构正四面体的空间结构；正四面体的空间结构； （2 2）四个）四个C CH H键都是等同的键都是等同的( (键长和键能都相等键长和键能都相等) )；（3 3）夹角）夹角( (即键角即键角) )均为均为1091092828。教学内容： 四、杂化轨道理论 五、分子间相互作用力 六、氢键 第四节 晶体结构 目的、要求：初步掌握杂化轨道理论，会用杂化轨道理论解释分子的空间结构，了解分子间作用力的形成过程，掌握几种晶体的结构。重点、难点：杂化轨道理论。5.4 杂化

2、轨道理论与分子间作用力杂化轨道理论的要点杂化轨道理论的要点 （1 1）某原子成键时，在键合原子的作用下，价层中若干个）某原子成键时，在键合原子的作用下，价层中若干个能级相近的原子轨道有可能改变原有的状态，能级相近的原子轨道有可能改变原有的状态，“混杂混杂”起来起来并重新组合成一组利于成键的新轨道并重新组合成一组利于成键的新轨道( (称杂化轨道称杂化轨道) )，这一过程，这一过程称为原子轨道的杂化称为原子轨道的杂化( (简称杂化简称杂化) )。 （2 2）同一原子中能级相近的）同一原子中能级相近的n n个原子轨道，组合后只能得到个原子轨道，组合后只能得到n n个杂化轨道。个杂化轨道。 （3 3）

3、杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力强，形成的化）杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力强，形成的化学键键能大，使生成的分子更稳定。学键键能大，使生成的分子更稳定。 价键理论的局限性价键理论的局限性 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力杂化类型与分子几何构型杂化类型与分子几何构型 （1 1）spsp杂化杂化 同一原子内由一个同一原子内由一个nsns轨道和一个轨道和一个npnp轨道发生的杂化，称轨道发生的杂化，称为为spsp杂化。杂化后组成的轨道称为杂化。杂化后组成的轨道称为spsp杂化轨道。杂化轨道。spsp杂化可以杂化可以而且只能得到两个而且只能得到两个spsp杂化轨道。杂化轨道。 5.4 杂化轨道

4、理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（2 2）spsp2 2杂化杂化 同一原子内由一个同一原子内由一个nsns轨道和二个轨道和二个npnp轨道发生的杂化，轨道发生的杂化，称为称为spsp2 2 杂化。杂化后组成的轨道称为杂化。杂化后组成的轨道称为spsp2 2杂化轨道。杂化轨道。5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（3 3）spsp3 3杂化杂化 同一原子内由一个同一原子内由一个nsns轨道和三个轨道和三个npnp轨道发生的杂化，称轨道发生的杂化，称为为spsp3 3杂化，杂化后组成的轨道称为杂化，杂化后组成的轨道称为spsp3 3杂化轨道。杂化轨道。spsp3 3杂化可杂化可以

5、而且只能得到四个以而且只能得到四个spsp3 3杂化轨道。杂化轨道。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（4 4）spsp3 3不等性杂化不等性杂化 有些分子的成键，表面来看与有些分子的成键，表面来看与CHCH分子的成键似乎毫无共分子的成键似乎毫无共同之处。譬如同之处。譬如NHNH分子的成键似乎与分子的成键似乎与BFBF分子类似，中心原子分子类似，中心原子也将采取也将采取spsp杂化的方式成键，键角也应为：杂化的方式成键，键角也应为：120120，但实测，但实测结果键角却为：结果键角却为：1071071818，与，与lO9lO92828更为接近些。更为接近些。

6、 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分子间作用力 第三周期及其后的元素原子，价层中有第三周期及其后的元素原子，价层中有d轨道，若轨道，若(nl)d或或nd轨道与轨道与ns，np轨道能级比较接近，成键时有可能发生轨道能级比较接近，成键时有可能发生s-p-d(或或d-s-p)型杂化。如型杂化。如SF6分子中的分子中的S采取采取sp3d2杂化成键。杂化成键。 第六周期及其后的元素原子，价层中有第六周期及其后的元素原子，价层中有f f轨道，成键时还轨道，成键时还可能发生可能发生f-d-s-pf-d-s-p型杂化。型杂化。 5.4 杂化轨道理论与分

7、子间作用力三、分子间相互作用力 分子间力是决定物质的沸点、熔点、气化热、熔化分子间力是决定物质的沸点、熔点、气化热、熔化热、溶解度、表面张力以及粘度等物理性质的主要因素。热、溶解度、表面张力以及粘度等物理性质的主要因素。 （一）分子的极性和变形性（一）分子的极性和变形性分子的极性（前已述）分子的极性（前已述） 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力分子的变形性分子的变形性 如果把一非极性分子置于电容器的两个极板之间，分子中如果把一非极性分子置于电容器的两个极板之间，分子中带正电荷的原子核被吸引向负电极，而电子云被吸引向正电带正电荷的原子核被吸引向负电极，而电子云被吸引向正电极。其结果，电子云与核发

8、生相对位移，造成分子的外形发极。其结果，电子云与核发生相对位移，造成分子的外形发生变化，使原来重合的正、负电荷中心彼此分离，分子出现生变化，使原来重合的正、负电荷中心彼此分离，分子出现了偶极。这个偶极称为了偶极。这个偶极称为诱导偶极诱导偶极。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力 综上所述，在电场作用下，分子的正、负电荷中心分离综上所述，在电场作用下，分子的正、负电荷中心分离而产生诱导偶极的过程称为分子的变形极化；分子中因电子而产生诱导偶极的过程称为分子的变形极化；分子中因电子云与核发生相对位移而使分子外形发生变化的性质，就称为云与核发生相对位移而使分子外形发生变化的性质，就称为分子的变形性。电

9、场越强，分子的变形越显著，诱导偶极越分子的变形性。电场越强，分子的变形越显著，诱导偶极越大。大。 由此可见，极性分子在电场中的极化包括分子的定向极由此可见，极性分子在电场中的极化包括分子的定向极化和变形极化两方面。化和变形极化两方面。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（二）分子间力（二）分子间力 分子之间的相互吸引作用分子之间的相互吸引作用 （1 1）非极性分子和非极性分子之间）非极性分子和非极性分子之间 由于每个分子中的电子都在不断地运动，原子核都在由于每个分子中的电子都在不断地运动，原子核都在不停地振动，使电子云与原子核之间经常会发生瞬时的相不停地振动，使电子云与原子核之间经常会发生瞬时

10、的相对位移，使分子的正、负电荷中心暂时不重合，产生瞬时对位移，使分子的正、负电荷中心暂时不重合，产生瞬时偶极。偶极。 分子之间由于瞬时偶极而产生的作用力称为色散力。分子之间由于瞬时偶极而产生的作用力称为色散力。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（2 2）非极性分子和极性分子之间）非极性分子和极性分子之间 非极性分子在极性分子固有偶极作用下会发生变形极非极性分子在极性分子固有偶极作用下会发生变形极化，产生诱导偶极，使非极性分子与极性分子之间还产生化，产生诱导偶极，使非极性分子与极性分子之间还产生一种相互吸引作用，这种诱导偶极与固有偶极之间的作用一种相互吸引作用

11、，这种诱导偶极与固有偶极之间的作用力称为诱导力。力称为诱导力。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（3 3）极性分子和极性分子之间）极性分子和极性分子之间 极性分子由于有固有偶极，当极性分子相互靠近时，极性分子由于有固有偶极，当极性分子相互靠近时，如前所述，会发生定向极化，由于固有偶极的取向而产生如前所述，会发生定向极化，由于固有偶极的取向而产生的作用称为取向力。另外，极性分子定向排列后还会进一的作用称为取向力。另外，极性分子定向排列后还会进一步发生变形极化，产生诱导偶极。步发生变形极化，产生诱导偶极。5.4 杂化轨道理论与分子间作用力5.4 杂化轨道理论与分

12、子间作用力分子间力的特点和影响因素分子间力的特点和影响因素 （1 1）分子间力是存在于分子间的一种电性作用力；）分子间力是存在于分子间的一种电性作用力； （2 2）作用范围仅为几百皮米（）作用范围仅为几百皮米（pmpm）。当分子距离大于）。当分子距离大于500pm500pm，作用力就显著减弱；作用力就显著减弱； （3 3）分子间力虽然比化学键键能约小）分子间力虽然比化学键键能约小1 12 2个数量级，但个数量级，但对由共价型分子所组成的物质的一些物理性质影响很大；对由共价型分子所组成的物质的一些物理性质影响很大； （4 4）没有方向性和饱和性；）没有方向性和饱和性； （5 5）对大多数分子来说

13、，色散力是分子间主要的作用力，）对大多数分子来说，色散力是分子间主要的作用力，三种力的相对大小一般为：色散力三种力的相对大小一般为：色散力取向力取向力 诱导力。诱导力。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力分子间力对物质物理性质的影响分子间力对物质物理性质的影响 液态物质分子间力越大，气化热就越大，沸点就越高；液态物质分子间力越大，气化热就越大，沸点就越高；固态物质分子间力越大，熔化热就越大，熔点就越高。一固态物质分子间力越大，熔化热就越大，熔点就越高。一般来说，结构相似的同系列物质分子量越大，分子变形性般来说，结构相似的同系列物质分子量越大，分子变形性也越大，分子间力越强，物质的沸点、熔点也就

14、越高。也越大，分子间力越强，物质的沸点、熔点也就越高。 分子间力对液体的互溶度以及固、气态非电解质在液分子间力对液体的互溶度以及固、气态非电解质在液体中的溶解度也有一定影响。溶质或溶剂体中的溶解度也有一定影响。溶质或溶剂( (指同系物指同系物) )的极的极化率越大，分子变形性和分子间力越大，溶解度也越大。化率越大，分子变形性和分子间力越大，溶解度也越大。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（三）氢键（三）氢键 不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间也可能形成氢键。也可能形成氢键。 氢键结合的情况：氢键结合的情况：X-HX-HY Y。式中

15、。式中X X和和Y Y代表代表F F，O O，N N等电等电负性大而原子半径较小的非金属原子。负性大而原子半径较小的非金属原子。X X和和Y Y可以是两种相可以是两种相同的元素，也可以是两种不同的元素。同的元素，也可以是两种不同的元素。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力 第一种把第一种把X-HY整个结构叫氢键，因此氢键的键长就整个结构叫氢键，因此氢键的键长就是指是指X与与Y之间的距离之间的距离, 例如例如F-HF的键长为的键长为255pm。 第二种把第二种把HY叫做氢键，这样叫做氢键，这样HF之间的距离之间的距离163pm才算是氢键的键长。才算是氢键的键长。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用

16、力形成氢键的条件是：形成氢键的条件是： （1 1）要有一个与电负性很大的元素）要有一个与电负性很大的元素(X)(X)形成强极性键形成强极性键的氢原子；的氢原子； （2 2）还要有一个电负性也很大，含有孤电子对并带有）还要有一个电负性也很大，含有孤电子对并带有部分负电荷的原子部分负电荷的原子(Y)(Y)； （3 3）X X与与Y Y的原子半径都要较小。的原子半径都要较小。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力氢键的方向性和饱和性氢键的方向性和饱和性 氢键的方向性是指：氢键的方向性是指：Y Y原子与原子与X-HX-H形成氢键时，将尽可形成氢键时，将尽可能使氢键与能使氢键与X-HX-H键轴在同一个方向

17、，即键轴在同一个方向，即X-HX-HY Y三个原子在三个原子在同一直线上。同一直线上。 氢键的饱和性是指：每一个氢键的饱和性是指：每一个X-HX-H只能与一个只能与一个Y Y原子形成原子形成氢键。氢键。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力氢键的强度氢键的强度 氢键的牢固程度氢键的牢固程度键强度也可以用键能来表示。简键强度也可以用键能来表示。简单地说，氢键键能是指每拆开单位物质的量的单地说，氢键键能是指每拆开单位物质的量的 H HY Y键所键所需的能量。氢键的键能一般在需的能量。氢键的键能一般在42kJ42kJmolmol-1-1以下，比共价键以下，比共价键的键能小得多，而与分子间力更为接近些。

18、的键能小得多，而与分子间力更为接近些。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力分子内氢键分子内氢键 某些分子内，例如某些分子内，例如HNOHNO3 3、邻硝基苯酚分子可以形、邻硝基苯酚分子可以形成分子内氢键。分子内氢键由于受环状结构的限制，成分子内氢键。分子内氢键由于受环状结构的限制，X-HX-HY Y往往不能在同一直线上。往往不能在同一直线上。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力氢键形成对物质性质的影响氢键形成对物质性质的影响 （1 1）熔、沸点）熔、沸点 分子间有氢键，分子间结合力强，当这些物质熔化分子间有氢键，分子间结合力强，当这些物质熔化或气化时，除了要克服纯粹的分子间力外，还必须额外或气

19、化时，除了要克服纯粹的分子间力外，还必须额外地供应一份能量来破坏分子间的氢键，所以这些物质的地供应一份能量来破坏分子间的氢键，所以这些物质的熔点、沸点比同系列氢化物的高。熔点、沸点比同系列氢化物的高。 5.4 杂化轨道理论与分子间作用力（2 2）溶解度）溶解度 在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子之间形成在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键，则溶质的溶解度增大。氢键，则溶质的溶解度增大。HFHF和和NHNH3 3在水中的溶解度在水中的溶解度比较大，就是这个缘故。比较大，就是这个缘故。 （3 3）粘度）粘度 分子间有氢键的液体，一般粘度较大。分子间有氢键的液体，一般粘度较大。 5.4

20、 杂化轨道理论与分子间作用力（4 4）密度）密度 液体分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象。液体分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象。 这种由若干个简单分子联系成复杂分子而又不会改这种由若干个简单分子联系成复杂分子而又不会改变原物质化学性质的现象，称为分子缔合。缔合而成的变原物质化学性质的现象，称为分子缔合。缔合而成的复杂分子称为缔合分子。分子缔合的结果会影响液体的复杂分子称为缔合分子。分子缔合的结果会影响液体的密度。密度。 5.5晶体结构一、晶体的基本类型 （一）离子晶体（一）离子晶体 离子间通过离子键结合而成的晶体叫做离子晶体。离子间通过离子键结合而成的晶体叫做离子晶体。 1 1、晶格：晶

21、格：在晶体中，组成晶体的粒子有规则地排列在晶体中，组成晶体的粒子有规则地排列在空间一定的点上，这些点重复出现的空间结构叫晶格。在空间一定的点上，这些点重复出现的空间结构叫晶格。 2 2、配位数配位数: :在晶体中与某在晶体中与某一粒子最邻近的其它粒子数叫一粒子最邻近的其它粒子数叫做某粒子的配位数。做某粒子的配位数。 5.5晶体结构3 3、特点特点: :硬度大，密度大，难于压缩，难以挥发，有较高的硬度大，密度大，难于压缩，难以挥发，有较高的熔点和沸点。熔点和沸点。 4 4、晶格能晶格能 在在2525和和100kPa100kPa下，由气态正负离子生成下，由气态正负离子生成1mol1mol离子晶离子

22、晶体时所释放出来的能量叫做晶格能。用体时所释放出来的能量叫做晶格能。用E EL L表示。表示。 晶格能与正、负离子之间所带的电荷（分别以晶格能与正、负离子之间所带的电荷（分别以 z z+ +，z z- -表示），正、负离子的半径（分别以表示），正、负离子的半径（分别以r r+ +，r r- -表示表示 ），），rrzzEL5.5晶体结构 对于具有相同电子构型的离子来讲，如果离子半径大对于具有相同电子构型的离子来讲，如果离子半径大小接近，则离子的电荷越多，晶格能就越大，晶体的熔点小接近，则离子的电荷越多，晶格能就越大，晶体的熔点也越高，硬度也越大。也越高，硬度也越大。 当离子的电荷相同时，离子的

23、半径越小，晶格能就越当离子的电荷相同时，离子的半径越小，晶格能就越大，晶体的熔点也越高，硬度也越大。大，晶体的熔点也越高，硬度也越大。 5.5晶体结构（二）原子晶体（二）原子晶体 1 1、定义、定义 相邻原子间以共价键结合而形成空间网状结构的晶体相邻原子间以共价键结合而形成空间网状结构的晶体叫原子晶体。叫原子晶体。 2 2、特点、特点 一般比较坚硬，具有较高的熔点，沸点，不导电，难一般比较坚硬，具有较高的熔点，沸点，不导电，难溶于一切溶剂。溶于一切溶剂。 常见的原子晶体：金刚石，石英（SiO2），SiC，GaAs（砷化镓），Si，Ge等。 5.5晶体结构在原子晶体中，同样没有分子存在，只是表示原子个数比。 5.5晶体结构（三）分子晶体（三）分子晶体 凡靠分子间力凡靠分子间力( (有时还可能有氢键有时还可能有氢键) )结合而成的晶体统称结合而成的晶体统称为分子晶体。为分子晶体。 分子晶体中晶格结点上排列的是分子分子晶体中晶格结点上排列的是分子( (也包括希