武汉工程大学基础化学杂化轨道理论.ppt

基础化学THEBASICCHEMISTRY 主讲人 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 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 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 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 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 C原子轨道的杂化过程如下 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 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 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 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180 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 分子结构 CO2原子轨道形状 分子轨道形状 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 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 sp3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 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 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 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 1 NH3分子结构 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 1 判断下列分子的杂化轨道类型 A NH3 B BCl3 C PCl3 D H2S 不等性sp3 不等性sp3 等性sp2 不等性sp2 2 已知 ClCCl 120 OCCl 120 COCl2中的杂化轨道类型 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