基础化学杂化轨道理论-课件

基础化学

THEBASICCHEMISTRY化工与制药学院基础化学学科部程清蓉基础化学

THEBASICCHEMISTRY1杂化轨道理论一、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90o。109o28′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。

杂化轨道理论一、杂化轨道理论的提出以甲烷分子的结构为例：简单22s2pE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2s2pE基态2s2p激发态激发假设：按照激发态成键，甲烷分3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，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，这种混杂平均化的过程称为原子轨道的“杂化”，所得到新的原子轨道称为“杂化轨道”。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：

分子结构杂化轨道形状在形成分子时，中心原子中能量相近的轨道经过混杂4三、杂化轨道理论的基本要点1）在形成分子时，同一原子中能量相近的原子轨道之间通过混合叠加，形成成键能力更强的新轨道，即杂化轨道。

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更多!形成的共价键更加稳定。三、杂化轨道理论的基本要点1）在形成分子时，同一原子中能量相53).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。2).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出的能量予以补偿。如：C原子轨道的杂化过程获得能量释放能量3).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6四、s和p原子轨道杂化1、sp杂化轨道

sp杂化轨道是由一个s轨道和一个p轨道杂化得到的杂化轨道。例如：BeCl2分子：Be原子轨道s和p原子轨道杂化有三种方式：sp、sp2、sp3杂化。四、s和p原子轨道杂化1、sp杂化轨道Be原子轨道s和p原子7

杂化轨道形状

sp杂化轨道的特点：每个sp杂化轨道含有1/2s、1/2p轨道的成分，两个sp杂化轨道间的夹角是180º，呈直线形型。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轨道的重叠，所形成的化学键更稳定。BeCl2分子结构杂化轨道形状sp杂化轨道的8分子结构:CO2原子轨道形状:分子轨道形状:OO分子结构:CO2原子轨道形状:分子轨道形状:OO9

2、sp2杂化轨道sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成。例如BF3：杂化轨道形状分子结构每个sp2杂化轨道的形状也是一头大一头小，每个杂化轨道含1/3s和2/3p成分。杂化轨道相互成1200角，是平面结构。例如:BCl3,BBr3,BI3,NO3-,CO32-等都是采用sp2杂化轨道成键2、sp2杂化轨道杂化轨道形状分子结构每个sp10HHHH·········

分子结构CC········

分子轨道形状乙烯分子C原子轨道HHCCsp2杂化sp2杂化轨道HHHH·········分子结构CC11sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而形成的，例如：CH4分子：

分子结构杂化轨道形状特点：每个sp3杂化轨道的形状也是一头大一头小，含有1/4s和3/4p轨道的成分。sp3杂化轨道相互间的夹角为109.50，空间构型为正四面体。

3、sp3杂化轨道另外，SiH4,CCl4,GeH4,NH4+等分子中，中心原子都是以sp3杂化轨道成键的。

必须指出的是：不仅s,p原子轨道可以杂化，d轨道也可以参与杂化。sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而形成的12

1956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。使得杂化轨道理论更加完善。五、等性杂化和不等性杂化轨道

在s-p杂化的过程中，每一种杂化轨道所含

s和p的成分相同（p轨道还有剩余的空轨道，以便s电子的激发进入）这样的杂化轨道称为等性杂化轨道。

在s-p杂化过程中形成一个新杂化轨道所含s和p的成分不同，这样的杂化轨道称为不等性杂化轨道。1956年我国结构化学家唐敖庆提出了d轨道参与杂化的13

N：2s22p3,由于这种电子构型就是激发也不能使电子成单，所以必将有一对电子不能参与成键，成为孤对电子。在进行sp3杂化时，4个sp3杂化的s和p成分并不相同，这时采用sp3不等性杂化，成键时，只有3个sp3杂化轨道与H原子成键，成键电子对的键角为107°，NH3分子呈三角锥结构，而杂化轨道成四面体构型。

如图所示：NH3注意：已无空轨道供s电子进入H不是直接进入p轨道，而是在四个轨道先整体不等性杂化后再进入sp3不等性杂化1、NH3分子结构N：2s22p3,由于这种电子构型就是激发也不能使电子14

2、H2O分子结构

H2O分子结构：O：2s22p4,即3个p轨道上已经填了4个电子。那么，无论s电子激发到哪个p轨道上，都将有两对不能成键的孤对电子，所以它只能采用不等性sp3杂化。

O原子轨道杂化后成键2、H2O分子结构H2O分子结构：O：151.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sp21.判断下列分子的杂化轨道类型1s2s2pN杂化1s1s2s16不等性sp23s3pS杂化2.已知∠ClCCl=120°，∠OCCl=120°，COCl2中的杂化轨道类型。不等性sp23s3pS杂化2.已知∠ClCCl=1217

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：

实验测得氧分子的磁矩为2.83MB，按上式计算n=2，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，而不是固定在某一个区域内运动的。杂化轨道理论很好地解释了分子的形状18基础化学

THEBASICCHEMISTRY化工与制药学院基础化学学科部程清蓉基础化学

THEBASICCHEMISTRY19杂化轨道理论一、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90o。109o28′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。

杂化轨道理论一、杂化轨道理论的提出以甲烷分子的结构为例：简单202s2pE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2s2pE基态2s2p激发态激发假设：按照激发态成键，甲烷分21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，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，这种混杂平均化的过程称为原子轨道的“杂化”，所得到新的原子轨道称为“杂化轨道”。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：

分子结构杂化轨道形状在形成分子时，中心原子中能量相近的轨道经过混杂22三、杂化轨道理论的基本要点1）在形成分子时，同一原子中能量相近的原子轨道之间通过混合叠加，形成成键能力更强的新轨道，即杂化轨道。

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更多!形成的共价键更加稳定。三、杂化轨道理论的基本要点1）在形成分子时，同一原子中能量相233).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。2).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出的能量予以补偿。如：C原子轨道的杂化过程获得能量释放能量3).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24四、s和p原子轨道杂化1、sp杂化轨道

sp杂化轨道是由一个s轨道和一个p轨道杂化得到的杂化轨道。例如：BeCl2分子：Be原子轨道s和p原子轨道杂化有三种方式：sp、sp2、sp3杂化。四、s和p原子轨道杂化1、sp杂化轨道Be原子轨道s和p原子25

杂化轨道形状

sp杂化轨道的特点：每个sp杂化轨道含有1/2s、1/2p轨道的成分，两个sp杂化轨道间的夹角是180º，呈直线形型。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轨道的重叠，所形成的化学键更稳定。BeCl2分子结构杂化轨道形状sp杂化轨道的26分子结构:CO2原子轨道形状:分子轨道形状:OO分子结构:CO2原子轨道形状:分子轨道形状:OO27

2、sp2杂化轨道sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成。例如BF3：杂化轨道形状分子结构每个sp2杂化轨道的形状也是一头大一头小，每个杂化轨道含1/3s和2/3p成分。杂化轨道相互成1200角，是平面结构。例如:BCl3,BBr3,BI3,NO3-,CO32-等都是采用sp2杂化轨道成键2、sp2杂化轨道杂化轨道形状分子结构每个sp28HHHH·········

分子结构CC········

分子轨道形状乙烯分子C原子轨道HHCCsp2杂化sp2杂化轨道HHHH·········分子结构CC29sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而形成的，例如：CH4分子：

分子结构杂化轨道形状特点：每个sp3杂化轨道的形状也是一头大一头小，含有1/4s和3/4p轨道的成分。sp3杂化轨道相互间的夹角为109.50，空间构型为正四面体。

3、sp3杂化轨道另外，SiH4,CCl4,GeH4,NH4+等分子中，中心原子都是以sp3杂化轨道成键的。

必须指出的是：不仅s,p原子轨道可以杂化，d轨道也可以参与杂化。sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而形成的30

1956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。使得杂化轨道理论更加完善。五、等性杂化和不等性杂化轨道

在s-p杂化的过程中，每一种杂化轨道所含

s和p的成分相同（p轨道还有剩余的空轨道，以便s电子的激发进入）这样的杂化轨道称为等性杂化轨道。

在s-p杂化过程中形成一个新杂化轨道所含s和p的成分不同，这样的杂化轨道称为不等性杂化轨道。1956年我国结构化学家唐敖庆提出了d轨道参与杂化的31

N：2s22p3,由于这种电子构型就是激发也不能使电子成单，所以必将有一对电子不能参与成键，成为孤对电子。在进行sp3杂化时，4个sp3杂化的s和p成分并不相同，这时采用sp3不等性杂化，成键时，只有3个sp3杂化轨道与H原子成键，成键电子对的键角为107°，NH3分子呈三角锥结构，而杂化轨道成四面体构型。

如图所示：NH3注意：已无空轨道供s电子进入H不是直接进入p轨道，而是在四个轨道先整体不等性杂化后再进入sp3不等性杂化1、NH3分子结构N：2s22p3,由于这种电子构型就是激发也不能使电子32

2、H2O分子结构

H2O分子结构：O：2s22p4,即3个p轨道上已经填了4个电子。那么，无论s电子激发到哪个p轨道上，都将有两对不能成键的孤对电