有机物中碳原子的成键特点

第一单元有机化合物的结构一、有机物中碳原子的成键特点碳原子在元素周期表中位于第

周期

族;碳原子中含有

价电子，可以跟其它原子形成

共价键。你知道吗？二4个4条ⅣA请你去寻找！4个碳原子相互结合可能有多少种方式？1、碳原子含有4个价电子，可以跟其它原子形成4条共价键。2、碳原子间能相互结合成共价键（单键、双键、叁键……）可以形成碳链，也可以形成碳环。小结：球棍模型比例模型109º28ˊ甲烷分子的模型(CH4)CHHHHCH4P4109º28ˊ60ºCH4CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4状态空间构型气态气态液态液态液态正四面体四面体四面体四面体正四面体大家动手做!正四面体正四面体乙烷分子的模型小结:当碳原子与4个原子以单键相连时，碳原子与周围的4个原子都以四面体取向成键。乙烯分子的模型(C2H4)约120º球棍模型比例模型C＝CHHHH小结:当碳原子形成碳碳双键时，双键上的碳原子以及与之直接相连的4个原子处于同一平面上。乙炔分子的模型(C2H2)球棍模型比例模型180º小结:当碳原子形成碳碳叁键时，叁键上的碳原子以及与之直接相连的2个原子处于同一直线上。H—C≡C—H甲烷乙烯乙炔球棍模型比例模型空间构型键角

空间各原子的位置2C和2H在同一直线上109º28ˊ4H位于正四面体的四个顶点，C在正四面体的中心120º2C和4H在同一平面上正四面体平面型直线型180º碳原子的成键方式与空间构型四面体型平面型直线型空间构型分子成键方式CC＝CC≡C苯的特殊结构CCCCCCHHHHHH请动手搭建下列含氧有机物的模型，并写出结构式。CH4O（甲醇）

CH2O（甲醛）

HCHHOHHHOCHHOOC

CH2O2（甲酸）HCOHHHHHOCHHOOC结构式结构示意图1、当一个碳原子与其他4个原子连接时，这个碳原子将采取四面体取向与之成键。2、当碳原子之间或碳原子与其他原子之间形成双键时，形成双键的原子以及与之直接相连的原子处于同一平面上。3、当碳原子之间或碳原子与其他原子之间形成叁键时，形成叁键的原子以及与之直接相连的原子处于同一直线上。碳原子成键规律小结：练一练1、正已烷的碳链呈（）

A、直线形

B、正四面体

C、锯齿形

D、有支链的直线形CCH3CH3CH2CH2CH2CH22、下列关于CH3—CH＝CH—C≡C—CF3分子的结构叙述正确的是（）

A、6个碳原子有可能都在一条直线上

B、6个碳原子不可能都在一条直线上

C、6个碳原子一定都在同一平面上

D、6个碳原子不可能都在同一平面上BCCCC—C≡C—CFFHFHHHH123456CH3—CH＝CH—C≡C—CF3A、CH2＝CH—CN3、已知—CN是直线型结构,下列有机分子中，所有的原子不可能处于同一平面的是（

）B、CH2＝CH—CH＝CH2321341234125C|C、CH2＝C—CH＝CH2CH3乙烷、乙烯与乙炔结构的对比分子式乙烷乙烯乙炔球棍模型比例模型空间各原子的位置2C和2H在同一直线上2C和6H不在同一平面上2C和4H在同一平面上碳原子成键规律小结：4、烃分子中，仅以单键方式成键的碳原子称为

碳原子；以双键或叁键方式成键的碳原子称为

碳原子。饱和不饱和B、CH2＝CH—CNA、CH3—CH＝CH—C≡C—CF3321|C、CH2＝C—CH＝CH2CH3123465341254、找出下列物质中的饱和碳原子与不饱和碳原子再见！二、能层、能级和轨道（1）、能层：按电子的能量差异，可以将核外电子分成不同的能层，即电子层。1、能层、能级和轨道（2）、能级：多电子原子中，同一电子层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级，并用符号s、p、d、f表示，即电子亚层。第一层有1个能级，称为1s；第二层有2个能级，称为2s、2p；第三层有3个能级，称为3s、3p、3d；第四层开始有4个能级，分别为s、p、d、f核外电子填充次序如图所示。（3）、轨道：在不同的能级里，电子的运动区域是不同的。根据电子的能量差异和运动区域不同，认为核外电子分别处在不同的轨道运动，并用s、p等来表示不同形状的轨道，每个轨道里最多只能容纳2个电子。2、运用杂化理论解释2.1杂化轨道理论杂化轨道理论是LinusCarlPauling于1931年提出的，其实验事实基础是许多分子的键角不等于原子轨道间夹角。如氧原子与氢原子组成的水分子H－O－H的键角是104.5o，不等于氧的2py与2pz轨道间的夹角90o。类似的，NH3分子中H－N－H的键角也不等于90o，实际测得107.3o。实验测得甲烷分子CH4是四面体结构，H－C－H键角为109.5o。2.1.1sp3杂化与碳氢、碳碳单键碳原子的电子构型为1s22s22px12py12pz，其中1s轨道中的两个电子不参与成键。由能量较低的2s轨道与能量较高的3个2p轨道进行杂化，形成4个简并（即能量相同的）的sp3杂化轨道（sp3-hybridorbital）。每个sp3杂化轨道含有1/4的s轨道成分，3/4的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。

sp3杂化轨道的形状如图所示，四个简并的sp3杂化轨道采取相互尽可能远离的方式在空间排布，从而减少电子间的相互排斥作用，即形成四面体结构，sp3杂化轨道间的夹角为109.5°。每个sp3杂化轨道上各排布一个自旋平行的电子。甲烷分子中，碳原子以sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道成键。所形成的键是沿轨道的轴向方向叠加的，形成的键轴向对称，称为σ键（σbonds）。4个C—H键的键角等于碳的sp3杂化轨道的键角，即109.5°。整个甲烷分子的形状为四面体，甲烷分子的轨道成键图以及球棍模型、比例模型如下图所示。乙烷分子中有2个碳原子和6个氢原子。其中2个碳原子均以sp3方式杂化，各以1个sp3杂化轨道相互连接形成C－Cσ单键，每个碳上的另外3个sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道形成3个C－Hσ键，其轨道成键图与球棍模型图、比例模型如下所示。2.1.2

sp2杂化与碳碳双键根据杂化轨道理论，碳的2s和2p轨道还可以进行sp2杂化，即一个2s轨道和两个2p轨道杂化，形成三个简并的sp2杂化轨道（sp2-hybridorbital）。每个sp2杂化轨道含有1/3的s轨道成分，2/3的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。单个sp2杂化轨道的形状类似于sp3杂化轨道。由于电子间的相互排斥作用，3个sp2杂化轨道处于相互远离的方向，即分别伸向平面三角形的3个顶点，因此轨道间夹角为120o，处于同一个平面上。余下一个2pz轨道垂直于sp2杂化轨道平面。3个sp2杂化轨道与1个2pz轨道的空间排布如下图所示。乙烯分子中的碳原子就是以sp2杂化轨道成键的。两个碳原子各以一个sp2杂化轨道相互重叠形成1个C－Cσ键，其余的sp2杂化轨道分别与氢原子的1s轨道形成4个C－Hσ键，这样，两个碳原子与四个氢原子处于同一个平面上。两个碳原子2pz轨道上的电子则在键轴平行的方向上侧面重叠成键，这样形成的共价键，电子云分布在乙烯分子所在平面的上下两方。这种键不同于σ键，不是轴向对称的，因此被称为π键（πbonds）。

乙烯分子的成键情况以及乙烯分子的球棍模型和比例模型如下图所示。乙烯分子C=C双键中的两个键是不等同的，一个是由sp2－sp2形成的σ键，由于轨道重叠程度较大，所以键的强度较强；另一个是由p－p形成的π键，由于侧面相叠，重叠程度较弱，键的强度较弱。2.1.3sp杂化与碳碳叁键碳原子还可以进行sp杂化，即由1个2s轨道与1个2p轨道杂化形成2个sp杂化轨道（sp-hybridorbital）。每个sp杂化轨道含有1/2的s轨道成分，1/2的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。sp杂化轨道的形状类似sp3杂化轨道。由于电子间的相互排斥作用，这两个轨道处于相互远离的方向，即轨道间夹角为180o，处于同一直线上。余下两个2py、2pz轨道与两个sp杂化轨道所在的直线相互垂直。sp杂化碳原子的轨道示意如下图所示。乙炔分子中两个碳原子之间相互以sp－sp杂化轨道形成一个σ键，并各自用一个sp杂化轨道与氢原子的1s形成一个σ键，这样形成一个直线型分子。同时两个碳原子之间分别以2py－2py，2pz－2pz侧面重叠形成两个相互垂直的π键，这两个π键分别处于C－Cσ键的上下两方和前后两方。乙炔的成键情况与分子球棍模型以及比例模型如下图所示。一、有机化合物中碳原子的成键特点碳原子基态时的外层电子的分布：C：2S22Px12py12pz杂化：SP3、SP2、SP（1）SP3：S轨道成分占四分之一，P轨道成分占四分之三。为四面体构型，键角为109°28/sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。甲烷及烷烃等——饱和碳原子构型——原子在空间的排列方式。（2）SP2：S轨道成分占三分之一，P轨道成分占三分之二。形状为平面三角形，键角120°乙烯、烯烃、苯及芳香烃等双键碳原子（3）SP：S、P轨道成分各占二分之一。为一直线形分子。键角180°乙炔及炔烃等三键碳原子σ键：可以沿键轴旋转。

电子云沿键轴近似于圆柱形对称分布。

成键的两个原子可以围绕键轴旋转，而不影响电子云的分布。π键：不能沿键轴旋转。电子云分布在键所在平面的上下两方，呈块状分布科学史话1874年荷兰化学家范特霍夫（J.H.van’tHoff，1852—1911）和法国化学家列别尔（J.A.Le

Bel，1847—1930）分别独立地提出了碳价四面体学说，即碳原子占据四面体的中心，它的4个价键指向四面体的4个顶点。这一学说揭示了有机物旋光异构现象的原因，也奠定了有机立体化学的基础，推动了有机化学的发展。1901年诺贝尔化学奖获得者：雅可比·亨利克·范特霍夫送鲜奶的范特霍夫和化学家范特霍夫被人们合并传成了“牧场化学家”。范特霍夫的父亲从这件事中得知儿子很喜欢化学，就从家里让出一间房子作为工作室，专门供儿子做化学实验。从此，范特霍夫就开始“经营”自己的小实验室。他把父母给的零用钱和从其他亲友那里得到的“赞助”积累起来购买了各种实验器具和药品，课作时间从事自己的化学实验。立志当一名化学家，1869年，范特霍夫从鹿特丹五年制中学毕业了。选择什么样的职业呢?在当时，化学作为一门学问已有很多人进行了研究，但是人们普遍认为化学不是一种职业，从事化学的人，还要兼做其他工作才能够维持自己的生活。父亲为了让他多增加一些知识，才支持他做化学实验。要把化学做为一种职业，做一个化学家，父亲就难以同意了。因为这样做恐怕连自己的生活都维持不了。为此，父子俩争辨了多次，但是必须有一个结论才行呀。一天晚饭过后，父子俩又开始讨论这个老话题了。“中学毕业了，你打算上哪个学校?”父亲心平气和地问道。当然，选择学校也就是选择职业了。“学习化学对我比较合适，爸爸，你说对吗?”儿子说出了心里话。父母并不想让他成为一个化学家，而想把他培养成一名工程师。几经周折，范特霍夫进入了荷兰的台夫特工业专科学校学习。这个学校虽然是专门学习工艺技术的，但讲授化学课的奥德曼却是一个很有水平的教授。他推理清晰，论述有序，很能激发起人们对化学的兴趣。范特霍夫在奥德曼教授的指导下进步很快。由于范特霍夫的努力，仅用了2年时间就学完了一般人3年才能学完的课程。1871年，范特霍夫毕业了，他终于说服了父母，可以全力进行化学研究了。为了打好基础，找准研究的方向，必须拜师求教。范特霍夫只身来到德国的波恩，拜当时世界著名的有机化学家佛莱德·凯库勒为师。佛莱德·凯库勒是个传奇的化学家，他在梦中见蛇在狂舞，首尾相接，从而解决了苯环的结构。在波恩期间，范特霍夫在有机化学方面受到了良好的训练。随后，他又前往法国巴黎向医学化学家武兹请教。1874年，回到荷兰，在乌特勒支大学获得博士学位。从此他就开始了更深入的研究工作。范特霍夫首先提出了碳的四面体结构学说。过去的有机结构理论认为有机分子中的原子都处在一个平面内，这与很多现象是矛盾的。范特霍夫的理论纠正了过去的错误。但是这一新的理论却遭到了一些权威人士的反对，当时德