杂化轨道理论要点PPT课件

.,1,分子结构,.,2,化学键：分子或晶体中相邻原子之间的强烈相互作用力。化学键分类：离子键、共价键(配位键)、金属键。,分子:保持物质化学性质的最小微粒，参加化学反应的基本单元,原子为什么能聚集在一起形成分子或晶体？H2O，NaCl，Fe，C（金刚石）,.,3,1离子键,6.1.1离子键的形成,离子键：靠正、负离子之间的静电引力所形成的化学键。,离子型化合物：由离子键所形成的化合物，如NaCl、CaO、KCl、Na2SO4等,.,4,1.2离子键的特点,离子键的本质是静电引力；离子键没有饱和性和方向性；离子型化合物常以晶体形式存在，没有独立的分子。,1.3形成离子键的条件,两种原子间电负性相差较大，一般要相差1.7以上。,.,5,1.4离子的特征,1.离子的电荷主族元素生成的离子：稀有气体结构(p轨道全充满)过渡元素：它们生成的离子的d轨道一般都处于半充满状态。Fe3+:3d64s23d5,Mn2+:3d54s23d5,.,6,2.离子的电子层结构（主要指离子的外层电子构型）,简单的负离子：8电子结构(如;F,Cl,O2等),简单正离子:有多种构型，如下所列：,2电子构型：Li+、Be2+（s区）8电子构型：Na+、Mg2+、Al3+（s、p区）18电子构型：Zn2+、Hg2+、Ga3+、Cu+（ds区、p区）18+2电子构型：Pb2+、Sn2+（p区）917电子构型：Fe2+、Cr3+、Cu2+（d区）,.,7,3.离子的半径,正、负离子间静电吸引力和排斥力达平衡时，正、负离子间保持着一定的平衡距离为正、负离子半径之和（核间距）,d=r+r-,离子的特征影响化合物的性质,.,8,电负性相差不大的非金属元素之间是如何形成化学键的？同种元素之间为什么能形成化学键？四种共价键理论：价键理论、杂化轨道理论、分子轨道理论、价层电子对互斥理论。,.,9,2共价键,2.1价键理论（电子配对理论、VB理论）,1.共价键的形成,共价键：靠共用电子对形成的化学键,.,10,.,11,2.价键理论基本要点,两原子中自旋方向相反的未成对电子可以相互配对形成共价键。,(2)发生相互重叠的两个原子轨道的正、负号要相同对称性匹配原则。,(3)相互重叠的两个原子轨道要尽可能沿着能发生最大重叠的方向进行重叠最大重叠原则。,.,12,3.共价键的特征,A:饱和性,H(1s1)Cl(3s23p5)HClN(2s22px12py12pz1)NN,几个未成对电子只能和几个自旋方向相反的单电子配对成键。,H2NH3,.,13,两个电子配对，就是两个原子轨道发生重叠。重叠的结果是电子云密度在两核之间增大。,B:方向性,.,14,HCl1s3px,重叠越大，形成的键越牢固共价键具有方向性。,H21s1s,.,15,F2,H2,HF,电子云重叠示意图,.,16,4.共价键的类型,a:键两原子轨道沿键轴方向进行同号重叠所形成的键。,根据轨道重叠的方向方式及重叠部分的对称性划分为不同的类型,头对头,.,17,轨道重叠,电子云分布,.,18,电子云分布,b:键两原子轨道沿键轴方向在键轴两侧平行同号重叠所形成的键,肩并肩,z,轨道重叠,.,19,键和键的特征比较,两原子间若只形成一个共价键，一定是键；两原子间若形成多个共价键，其中一个是键，其余为键。如N2、CH2CH2、CHCH；,.,20,N2分子中的3个共价键为什么不全是键呢？,.,21,配位键：由一个原子提供空轨道，另一个原子提供孤对电子所形成的化学键。用箭头“”表示。,C原子：2s22px12py12pz0O原子：2s22px12py12pz2,5.配位键,如：CO,.,22,配位键与共价键的区别与联系：两者的形成过程不同，但配位键一旦形成，其结果与共价键没有区别。是一种特殊的共价键。配位键广泛存在于配位化合物及一些无机含氧酸根中：,配位键形成条件：一方有空轨道，另一方有孤对电子。,.,23,2.2杂化轨道理论,形成分子时，同一原子中的若干不同类型、能量相近的原子轨道混合起来，从新分配能量和调整空间方向组成数目相同、能量相等的新的原子轨道，这种混合平均化的过程称为原子轨道的“杂化”,1.杂化轨道概念,杂化轨道：杂化后所形成的若干新原子轨道。sp型杂化：同一原子的1个s轨道与p轨道进行的杂化。,有：spsp2sp3,.,24,2.杂化轨道理论的要点,(1)发生轨道杂化的原子一定是中心原子；(2)参加杂化的各原子轨道能量要相近（同一能级组或相近能级组的轨道）；(3)杂化前后原子轨道数目不变：参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目；但杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠；(4)杂化轨道在空间构型上都具有一定的对称性（以减小化学键之间的排斥力）。,.,25,实验测得:两个共价键，直线形分子（键角180）ClBeCl,(1)BeCl2分子的形成,Be原子：1s22s2没有单个电子，,Cl,Cl,Be,.,26,一个s和一个p轨道杂化,.,27,+,sp轨道杂化过程示意图,每个sp杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有1/2s轨道和1/2p轨道的成分两个轨道间的夹角为180，呈直线型,.,28,BeCl2分子结构,规律：第A族、B族元素与第A族元素所形成的MX2型共价化合物，中心原子采取sp杂化。如BeBr2、HgCl2。,.,29,(2)sp2杂化BF3分子的形成,每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有1/3s轨道和2/3p轨道的成分每两个轨道间的夹角为120，呈平面三角形,sp2杂化：1个s轨道与2个p轨道进行的杂化,形成3个sp2杂化轨道。,.,30,.,31,BF3分子的形成：实验测得，三个共价键，平面三角形分子（键角120）。,B原子：1s22s22p1,规律：第A族元素与第A族元素所形成的MX3型共价化合物，中心原子采取sp2杂化。如BBr3。,.,32,(3)sp3杂化CH4分子的形成,sp3杂化：1个s轨道与3个p轨道进行的杂化,形成4个sp3杂化轨道。,每个sp3杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有1/4s轨道和3/4p轨道的成分每两个轨道间的夹角为109.5，空间构型为正四面体型,.,33,sp3杂化轨道,.,34,实验测得，四个共价键，正四面体形分子（键角10928）,CH4分子的形成：,.,35,规律：第A族元素与第A族、A族元素所形成的MX4型共价化合物，中心原子采取sp3杂化。如CCl4、SiF4、CHCl3。,C原子：1s22s22p2只有2个单电子,.,36,.,37,3.等性杂化与不等性杂化,等性杂化：参与杂化的各原子轨道进行成分的均匀混合。杂化轨道每个轨道的成分轨道间夹角(键角)sp1/2s，1/2p180sp21/3s，2/3p120sp31/4s，3/4p10928（p）p90,随p轨道成分的增大，夹角向90靠拢。,不等性杂化：参与杂化的各原子轨道进行成分上的不均匀混合。,.,38,实验测得，三角锥形分子，键角107,NH3分子,.,39,孤电子对占据的杂化轨道，不参与成键，电子云密集在中心原子周围，s轨道成分相对增大，其余3个杂化轨道p成分相对增大。,N原子：2s22p3有3个单电子，可形成3个共价键，,杂化,产生不等性杂化的原因：参与杂化的原子轨道中电子数目多于轨道数目，出现孤电子对。,.,40,.,41,.,42,H2O分子：实验测得，V字形分子，键角10429,O原子：2s22p4有2个单电子，可形成2个共价键，键角应当是90，Why?,.,43,H2O分子,O原子成键前先进行了SP3不等性杂化，其中的两条杂化轨道由成对电子占据，其余两条P成分更多，键角更靠近90，实测：10429,杂化,O原子：2s22p4,.,44,.,45,杂化轨道情况一览表中心原子外层电子构型杂化类型分子几何形状键角举例A、Bns2sp等性直线形180BeCl2、HgCl2Ans2np1sp2等性平面三角形120BF3、BBr3Ans2np2sp3等性(正)四面体10928CCl4、SiHCl3Ans2np3sp3不等性三角锥形10928NH3、PH3Ans2np4sp3不等性V字形10928H2O、H2S,.,46,四价层电子对互斥理论,一、价层电子对互斥理论的基本要点二、价层电子对互斥理论的应用实例,.,47,一、价层电子对互斥理论的基本要点,价层电子对互斥理论的基本要点：（1）分子或离子的空间构型取决于中心原子的价层电子对数。中心原子的价层电子对是指键电子对和未参与成键的孤对电子。（2）中心原子的价层电子对之间尽可能远离，以使斥力最小，并由此决定了分子的空间构型。,.,48,静电斥力最小的价层电子对的排布方式,（3）价层电子对之间的斥力与价层电子对的类型有关，价层电子对之间静电斥力大小顺序为：,孤对电子-孤对电子孤对电子-成键电子对成键电子对-成键电子对,.,49,利用价层电子对互斥理论预测分子或离子的空间构型的步骤如下：（1）确定中心原子的价层电子对数：价层电子对数（中心原子的价电子数配位原子提供的电子数)/2（2）根据中心原子的价层电子对数，找出相应的电子对排布，这种排布方式可使电子对之间静电斥力最小。,.,50,（3）根据中心原子的价层电子对的排布方式，把配位原子排布在中心原子周围，每一对电子连接一个配位原子，未结合配位原子的电子对就是孤对电子。若中心原子的价电子对全部是成键电子对，则分子或离子的空间构型与中心原子的价层电子对的排布方式相同；若价层电子对中有孤对电子，应根据成键电子对、孤对电子之间的静电斥力的大小，选择静电斥力最小的结构，即为分子或离子的空间构型。,.,51,二、价层电子对互斥理论的应用实例,在CH4中，C有4个电子，4个H提供4个电子，C的价层电子总数为8个，价层电子对为4对。C的价层电子对的排布为正四面体，由于价层电子对全部是成键电子对，因此CH4的空间构型为正四面体。,（一）CH4的空间构型,.,52,（二）的空间构型,在中，Cl有7个价电子，不提供电子，再加上得到的1个电子，价层电子总数为个，价层电子对为4对。Cl的价层电子对的排布为四面体，四面体的3个顶角被3个O占据，余下的一个顶角被孤对电子占据，因此为三角锥形。,.,53,（三）PCl5的空间构型,在PCl5中，P有5个价电子，5个Cl分别提供1个电子，中心原子共有5对价层电子对，价层电子对的空间排布方式为三角双锥，由于中心原子的价层电子对全部是成键电子对，因此PCl5的空间构型为三角双锥形。利用价层电子对互斥理论，可以预测大多数主族元素的原子所形成的共价化合物分子或离子的空间构型。,.,54,中心原子的价层电子对的排布和ABn型共价分子的构型,2,3,平面三角形,20AB2,直线形HgCl2,30AB3,21AB2,价,层,电,子,对,数,平面三角形BF3,角形,PbCl2,.,55,布,方式,4,四面体,40AB4,31AB3,22AB2,正四面体CH4,三角锥形NH3,角形,H2O,.,56,布,布方式,体,5,三角双锥,50AB5,41AB4,32AB3,23AB2,三角双锥PCl5,变形四面SF4,T形ClF3,直线形,.,57,布,布方式,形,6,八面体,60AB6,51AB5,42AB4,正八面体SF6,四方锥形,IF5,平面正方,.,58,.,59,2.3分子轨道理论,1.分子轨道的形成及理论的基本要点,（1）分子中的电子不再从属于某个原子，而是在整个分子范围内运动；分子中单个电子的运动状态也用波函数来描述，称为分子轨道。（2）分子轨道可以近似地通过原子轨道的线性组合（相加或相减）而得到。原子轨道有效地组成分子轨道的条件是：能量相近、对称性匹配和最大重叠,.,60,(3)组合出的分子轨道数目等于参加组合的原子轨道数目。在组成的分子轨道中，有一半轨道的能量低于组合前原子轨道的能量，称为成键分子轨道；另一半轨道的能量高于组合前原子轨道的能量，称为反键分子轨道。(4)分子轨道能量的高低取决于参加组合的原子轨道能量的高低。(5)分子轨道中电子的排布遵守能量最低原则、保利不相容原则和洪特规则。,.,61,2.分子轨道能级图以同核双原子分子为例，只考虑两原子中相同轨道之间的组合。,.,62,.,63,(1s)(1s*)(2s)(2s*)(2p)(2py)=(2pz)(2py*)=(2pz*)(2p*),氧分子轨道能级次序：,(1s)(1s*)(2s)(2s*)(2py)=(2pz)(2p)(2py*)=(2pz*)(2p*),N、C、B三种分子轨道的能级次序：,.,64,3.分子轨道理论的应用,（1）几种常见同核双原子分子的结构（电子分布式）,A:F2分子的结构：,F2(1s)2(1s*)2(2s)2(2s*)2(2p)2(2py)2(2pz)2(2py*)2(2pz*)2,抵消,抵消,B:N2分子的结构：,N2(1s)2(1s*)2(2s)2(2s*)2(2py)2(2pz)2(2p)2,.,65,A:O2分子的磁性16个电子,O2分子是顺磁性物质,（2）分子的性质,O2(1s)2(1s*)2(2s)2(2s*)2(2p)2(2py)2(2pz)2(2py*)1(2pz*)1,三电子键,三电子键,1个键,.,66,逆磁性物质：在磁场中受到磁场排斥的物质。逆磁性物质中所有电子都已配对，没有单个电子。顺磁性物质：在磁场中受到磁场吸引的物质。顺磁性物质中电子没有全部配对，有单个电子。,逆磁,顺磁,.,67,判断：O2O2+O22+O2-O22-哪个最稳定？,B:分子的稳定性,如果成键轨道上的电子数多于反键轨道上的电子数，即分子有净的成键，这样的分子是稳定的，反之是不稳定的。分子的这种性质可用键级来表示。,键级=（成键轨道上电子数反键轨道上电子数）,H2+的存在,.,68,3分子间力和氢键,分子间力：分子与分子之间的相互吸引力，又称范德华力。,分子间力影响物质的物理性质,.,69,1.共价键的极性,极性共价键：电负性不相同的两种原子之间形成的共价键。非极性共价键：电负性相同的两种原子之间形成的共价键。,3.1分子的极性,两种不同原子之间形成的共价键一定是极性共价键。,.,70,观察下列分子的正、负电荷“重心”是否重合：,极性分子：正负电荷重心不重合的分子。非极性分子：正负电荷重心重合的分子。,2.分子的极性,.,71,单原子分子一定是非极性分子；双原子分子同核都是非极性分子；异核都是极性分子；多原子分子空间结构对称的是非极性分子，空间结构不对称的是极性分子。,极性分子：H2O、NH3、CHCl3非极性分子：BeCl2、CO2、BCl3、CH4,共价键的极性取决于相邻两原子间共用电子对是否有偏移分子的极性取决于整个分子正负电荷中心是否重合,.,72,q为某极性分子正、负电荷中心所带电量（偶极电量）l为偶极距离,偶极矩：分子中偶极长度与偶极一端所带电量的乘积，用Pe表示。,偶极矩越大，分子的极性越大；非极性分子的偶极矩为零；偶极矩可通过实验测定；由测定结果可推测分子的几何构型。,3.偶极矩(Pe),Pe=ql,.,73,实验测得CO2、BF3的偶极矩为零，可得到什么结论？实验测得NH3、H2O的偶极矩不为零，又可得到什么结论,？,.,74,取向力：固有偶极之间产生的相互作用力（吸引力）,6.3.2分子间力,1.取向力,极性分子具有的偶极称为固有偶极（永久偶极）,分子的极性越大，取向力越大；取向力只存在于极性分子之间。,.,75,.,76,2.诱导力,诱导偶极：某分子在极性分子诱导下产生的偶极。诱导力：诱导偶极与固有偶极之间的相互作用力。,极性分子之间是否存在诱导力？,.,77,3.色散力,非极性分子,瞬时偶极,瞬时偶极：由于分子中电子运动和核振动而使分子在某一瞬间产生的偶极。,.,78,问题1：色散力是否只存在于瞬间？问题2：色散力是否只存在于非极性分子之间？,色散力：瞬时偶极之间的相互作用力。,影响色散力大小的因素：分子量（分子体积）。,.,79,分子间力是永远存在于分子之间的一种吸引力；非极性分子之间只存在色散力；非极性分子与极性分子之间存在色散力和诱导力；极性分子之间存在色散力、诱导力和取向力；色散力存在于一切分子之间，是三种作用力中最主要的一种；分子间力没有饱和性和方向性(静电引力)；分子间力的强度远小于化学键；,4.分子间力的特点,.,80,5.分子间力对物质性质的影响,分子间力对物质的物理性质有影响。,（1）对物质熔、沸点的影响,一般而言：结构相似的同系列物质分子量越大，分子变形性也越大，分子间力愈强，物质的熔点、沸点也就愈高。,如：卤族元素单质,.,81,（2）对物质溶解度的影响一般规律：极性物质易溶于极性溶剂中，非极性物质易溶于非极性溶剂中“相似相溶”原理。,溶解过程需克服的作用力：溶质分子之间的力；溶质分子与溶剂分子之间的力。以水为溶剂：HCl、H2H2、HAc、C2H5OH、NaCl、HNO3易溶以苯为溶剂：I2、S8、大部分有机化合物易溶,.,82,6.3.3氢键,1.氢键的产生,赤裸的氢核与含有孤对电子的电负性强的带负电的原子（N,F,O)充分靠近而产生吸引力，这种吸引力称为氢键。,如HF中，H原子只有1个电子，与F原子形成强极性共价键后几乎成为一个“裸核”，而F原子半径小、电负性大、有孤对电子。,.,83,分子中必须具有一个电负性很大、半径很小的X原子与H原子形成共价键；分子中必须具有一个电负性很大、半径很小、带有孤对电子的Y原子。,2.氢键的形成条件,满足上面两个条件的X、Y原子：F、O、N,氢键的通式：XHY（X和Y可以是相同原子）,.,84,判断下列分子中是否存在氢键：NH3CH4CH3OCH3HNO3（分子内氢键）,.,85,(1)氢键也属于一种分子之间的作用力，但通常所说的范德华力不包括氢键（因为氢键的存在不具有普遍性）；(2)氢键的强度与范德华力相当，远小于化学键的强度；(3)氢键具有饱和性和方向性（类似于共价键）。若形成分子内氢键便不再形成分子间氢键。,3.氢键的特点,.,86,4.氢键对物质物理性质的影响,氢键对物质的物理性质有显著的影响,（1）对物质熔、沸点的影响,（2）对溶解度的影响,若溶质分子与溶剂分子之间能形成氢键，将有利于溶质分子的溶解。如：乙醇和乙醚，前者溶于水，而后者不溶。,（3）对生物体的影响,.,87,.,88,氢键应用举例,.,89,.,90,1.离子极化的产生,未极化,6.3.4离子的极化,在外电场作用下，离子中正负电荷中心发生相对位移，产生诱导偶极的现象叫做离子的极化,互相极化,在电场中,.,91,离子极化的结果：偶极的产生使离子变形，正负离子的电子云相互重叠，键的极性变小，离子键开始向共价键转变。,.,92,2.离子的特征三个主要特征：电荷、半径、电子构型,离子极化的强弱由离子的特征决定,3.离子的极化力和变形性,极化力：某离子使其它离子产生变形的能力。变形性：某离子被其它离子极化而变形的难易程度。,.,93,离子的电荷：电荷越多，极化力越强。Al3+Mg2+Na+离子的半径：半径越小，极化力越强。Na+K+Rb+离子的电子构型：917、18、182电子构型的极化力强8电子构型的极化力弱。Na+Ag+,（1）离子的极化力,离子的极化力和离子的电荷、半径以及外层电子构型有关,.,94,离子的半径：半径越大，变形性越强。离子的电荷：正电荷越少或负电荷越多，变形性越强。O2-F-Na+Mg2+Al3+Si4+F-Cl-Br-I-离子的电子构型：917、18、182电子构型的变形性强；8电子构型的变形性弱。,（2）离子的变形性,一般：对于阳离子，主要考虑极化力；对于阴离子，主要考虑变形性。,.,95,4.离子极化对化学键型的影响,离子键共价键,离子极化程度愈大，共价键成分愈多，离子键就逐渐向共价键过渡,.,96,5.离子极化对化合物性质的影响,（1）晶型的转变,银的卤化物：AgF、AgCl、AgBr、AgIAg+离子具有18电子层结构，极化力和变形性都很大，负离子从F-到I-，离子半径依次增大，变形性依次增大，极化作用依次增大，化学键由离子键逐渐向共价键转变。,AgF、AgCl、AgBr、AgI,典型离子晶体,过渡晶体,共价型晶体,.,97,同一周期元素氯化物的熔点从左到右依次降低：NaClMgCl2AlCl3SiCl4从Na+Si4+，离子半径依次减小，电荷数依次增多，极化力依次增强，化学键由离子键逐渐向共价键过渡。,（2）化合物的溶解度,AgF、AgCl、AgBr、AgI在水中的溶解度依次减小,（3）晶体的熔点,键型的过渡引起晶体在水中溶解度的改变,键型的改变使晶体的熔点发生变化,熔点：NaCl（801）AgCl(455),.,98,(4)化合物的颜色,离子极化也导致离子晶体颜色加深,AgI（黄）,又：Pb2+、Hg2+、IPbI2（金黄色）HgI2（橙红色）,AgCl（白）,AgBr（淡黄）,.,99,6.4晶体结构,固体,晶体,非晶体（无定型体）,晶体：由原子、离子、分子等基本微粒在空间按一定规则周期性排列所形成的固体物质。如矿石、金属、某些固体盐类。无定形体：由微粒在空间不规则排列所形成的固体物质。如玻璃、松香、石蜡。,.,100,1.晶体有一定的几何外形。如NaCl晶体是立方形的。2.晶体有固定的熔点。无定形体只有软化温度范围。3.晶体是各向异性的。无定形体各向同性。,6.4.1晶体的特征,晶格：将晶体中的微粒抽象成几何点之后所构成的几何图形。晶格结点：晶格中微粒所占据的点。,.,101,.,102,晶格种类：共有14种，分为7个晶系。,.,103,自然界中的晶体种类繁多，14种晶格能囊括所有晶体中微粒的排列方式吗？布拉维经研究证明，不管是什么微粒，只要按一定规律在空间做周期性排列，其排列方式就只能是上述14种形式之一。也就是说，若不考虑构成晶体的具体微粒是什么，只考虑微粒的排列方式，自然界中千变万化的实际晶体只能分成14类。晶体按其微粒间作用力的不同分为：离子晶体（离子键）分子晶体（范德华力，氢键）原子晶体（共价键）金属晶体（金属键）,.,104,离子晶体：由正、负离子通过离子键结合而成的晶体。,6.4.2离子晶体,离子晶体中晶格结点上排列的是正、负离子；离子晶体中不存在单个分子；离子晶体一般熔点高、硬度大，