杂化轨道理论要点

1、.,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

2、.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+ : 3d 64s2 3d 5, Mn2+ : 3 d 54s2 3d 5,.,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

3、+、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

4、：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) HCl N(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。,H2 NH3,.,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,.

5、,14,HCl 1s3px,重叠越大，形成的键越牢固 共价键具有方向性。,H2 1s1s,.,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

6、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：2s22px12py12pz0 O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

7、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： sp sp2 sp3,.,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

8、: 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1/2 s 轨道和1/2 p 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 1/3

9、 s 轨道和 2/3 p 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 1/4 s 轨道和 3/4 p 轨道的成分

10、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) sp 1/2 s，1/2 p 180 sp2 1/3 s，2/3 p 120 sp3 1/4 s，3/4p

11、10928 （p ） p 90,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，

12、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、 B ns2 sp等性 直线形 180 BeCl2、HgCl2 A ns2np1 sp2等性 平面三角形 120 BF3、BBr3 A ns2np2 sp3等性 (正)四面体 10928 CCl4、SiHCl3 A ns2np3 sp3不等性 三角锥形 10928 NH3、PH3 A ns2

13、np4 sp3不等性 V字形 10928 H2O、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

14、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

15、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

16、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,2 0 AB2,直线形 HgCl2,3 0 AB3,2 1 AB2,价,层,电,子,对,数,平面三角形 BF3,角

17、形,PbCl2,.,55,布,方式,4,四面 体,4 0 AB4,3 1 AB3,2 2 AB2,正四面体 CH4,三角锥形 NH3,角形,H2O,.,56,布,布方式,体,5,三角 双锥,5 0 AB5,4 1 AB4,3 2 AB3,2 3 AB2,三角双锥 PCl5,变形四面 SF4,T形 ClF3,直线形,.,57,布,布方式,形,6,八面体,6 0 AB6,5 1 AB5,4 2 AB4,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

18、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

19、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

20、*)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：O2

21、O2+ 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

22、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

23、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 = q l,.,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：

24、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

25、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、

26、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： X H Y （X和Y可以是相同原子）,.,84,判断下列分子中是否存在氢键： NH3

27、CH4 CH3OCH3 HNO3（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

28、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：

29、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

30、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、AgI Ag+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： NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 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

31、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+ 、I PbI2（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

32、。 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