结构化学专题.ppt

1、结构化学专题,Pauling和杂化轨道理论,作者：化学教育022班 张伟 022414201 李路路 022414212,Pauling简介：,鲍林是著名的量子化学家，他在化学的多个领域都有过重大贡献。曾两次荣获诺贝尔奖金（1954年化学奖， 1962年和平奖），有很高的国际声誉。 作为科学家，鲍林提出了化学键的共价键理论，发现了蛋白质的螺旋结构，1954年因为“对化学键本质的研究并将其应用于复杂物质的机构研究”获得诺贝尔化学奖。 作为政治活动家，在美国麦卡锡主义盛行的时代投身于反对核武器与捍卫言论自由的活动，1962年获得诺贝尔和平奖。 他系统地研究了化学物质的组成、结构、性质三者的联系，同

2、时还从方法论上探讨了决定论和随机性的关系。他最感兴趣的问题是物质结构，他认为，人们对物质结构的深入了解，将有助于人们对化学运动、的全面认识。,杂化轨道理论的成因：,鲍林在探索化学键理论时，遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。传统价键理论认为，原子在未化合前外层有未成对的电子，这些未成对电子如果自旋反平行，则可两两结成电子对，在原子间形成共价键。一个电子与另一电子配对以后，就不能再与第三个电子配对。在原子相互结合成分子时，靠的是原子外层轨道重叠，重叠越多，形成的共价键就越稳定一这种理论，无法解释甲烷的正四面体结构。 杂化轨道理论由1931年鲍林(LPauling)和斯来脱(JCSlater)首先

3、提出，后又被我国量子化学家唐敖庆教授等人进一步完善（1）。该理论在解释、分析多原子分子的结构与其种种性质，特别是与其分子几何构型之间的关系方面有独到之处。,杂化轨道理论：,一、基本概念：,杂化轨道 ：多原子分子在成键时，可以不哟平内阁原来的分子轨道， 而是由中心原子中能量相近的各个原子轨道，通过线形组合而形成成键能力更强的新的原子轨道杂化轨道 杂化：上述过程叫杂化。 杂化轨道数：等于参加杂化的原子轨道数目之和。如： sp杂化s + p 杂化轨道数 = 2 杂化轨道的组成：参加杂化的原子轨道平均化。 杂化轨道的特征角度分布图有大、小头，有利于成键 （提高重叠程度）。,二、理论基础,按照量子力学近

4、似处理方法，杂化轨道可以看作是由原子中能量相近的s和p原子轨道的波函数（也有d轨道的波函数）的线形组合,当等性杂化时：,是轨道中所含的s和p成分,根据上面的推导可以得到杂化轨道基本公式：,根据上式可以对不同类型的等性杂化轨道在空间的角度分布进行讨论。 1、杂化;由一个S轨道与一个p轨道进行杂化，可得到2个sp杂化轨道，可以证明当每个sp轨道中的s成分为1/2时，所形成的杂化轨道的成键能力最强。因此，取a=1代入上式。可以求得： 说明sp杂化轨道在空间上时呈直线分布的。对于其他两种情况a分别取1/3、1/4可得分别为平面三角形和正四面体,u sp杂化轨道sp杂化轨道是碳原子在成键过程中，碳的激发

5、态的一个2s轨道与一个2P轨道重新组合杂化形成两个相同的sp杂化轨道。这两个轨道夹角为180，呈直线形。未参与杂化的两个互相垂直的P轨道又都垂直于sp杂化轨道（见下图）。炔烃分子中碳碳三键的碳原子和其他化合物中含有三键的碳原子均为sp2杂化。,下面给出几种s、p轨道等性杂化的空间角度分布图：,u sp2杂化轨道碳原子在成键过程中，首先是碳的基态2s轨道中的一个电子激发到2Pz空轨道，然后碳的激发态中一个2s轨道和二个2P轨道重新组合杂化，形成三个相同的sp2杂化轨道。每一个sp2杂化轨道均由 s/3与2p/3轨道杂化组成，这三个sp2杂化轨道在同一平面，夹角为120。未参与杂化的2Pz轨道，垂

6、直于三个sp2杂化轨道所处的平面（见下图）。烯烃分子中构成双键的碳原子和其他不饱和化合物分子中构成双键的碳原子均为sp2杂化。,u sp3杂化轨道碳原子在基态时的电子构型为 。按理只有2px和 2py可以形成共价键，键角应为90。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为10928。这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，成为 。然 后3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。其形状一头大一头小。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点， sp3轨道间的夹角是10928烷经和其他化合物分子中

7、的饱和碳原子均为sp3杂化。,杂化轨道理论的应用：,例1、以CH4 分子结构为例加以说明：由于C原子的基态核外电子的排布为： 只有两个未成对电子说，根据VB法，它只能形成两个共价键，且键角应该是90。，这与由实验测得的分子为正四面体，C-H键间的夹角为10928显然不相符。而应用杂化轨道理论就能很好地解释CH4 分子的结构。杂化轨道理论认为，在形成CH4分子时，由于C原子的2S轨道与2P轨道能量相近，因此2S轨道中的1个S电子先激发到2Pz轨道中去，使C原子形成： 排布结构；然后由C原子的1个2S轨道与3个2P轨道进行等性杂化，从而形成4个新的 能量相同的 杂化轨道，并分别与4个H原子的1S轨

8、道发生电子云重叠，组成4个 键，形成呈正四面体结构的分子。这与实验测得的结果完全相符。,例2：,(1). O3分子的键角为116.8，这是不等性杂化，若用杂化轨道 描述中心原子的杂化情况，试求成键杂化轨道中的c1和c2值。 解： 即： 即：,这是中心氧原子与邻近两个氧原子成键的两个杂化轨道，另一个杂化轨道为孤对电子占据，其 分别如下：,例3：BF3sp2杂化,硼（B）基态原子的电子构型为(1s)2(2s)2(2p)1。在形成BF3或BCl3等化合物时，B原子2s轨道的两个电子之一激发到空的2p轨道上，再进行一个s轨道与两个2p轨道的杂化，形成三个等同的sp2杂化轨道。如乙烯（ ）分子中碳原子先

9、使2s轨道中的一个电子激发至2p轨道。然后一个s轨道与两个p轨道杂化得到三个sp 2杂化轨道，再与其他原子相结合形成三个键，剩余的第三个p轨道上的单电子在与三个键（平面三角型构型）相垂直的方向上形成键。,自测题：,1. 比较SP3、SP2、SP杂化轨道，简述其特点。 2求s-p等性杂化轨道的波函数 3、在HCHO分子中，四个原子处在同一平面上，C原子采用的杂化是 A sp B sp2 C sp3 D 其他杂化形式 4、OF2分子中O原子的杂化轨道类型是 A sp2 B sp C 等性sp3 D 不等性sp3,小结：,我们已开始听说要写专题时，在老师未给题目时，就拟订了要写量子力学大师pauli

10、ng，因为其对于物质结构及量子力学的贡献当代无人能出其右。而且它不仅在化学领域，在生物等领域建树颇多，使得我们比较关注他。限于我们对结构化学的学习以及知识的掌握仍很浅显，所以我们只能对于他提出的杂化轨道理论这一方面进行进一步的认识和了解。 首先我们俩对杂化轨道理论的共识是中心原子有一定的原子轨道，但是当它想和别人化合是轨道又不对称，于是就于其他轨道进行杂化形成自己的新的杂化轨道，以方便化合。举个例子就是有个人很喜欢另一个的话，他一定会创造出非常有利于自己的条件来赢得他人的心！森之改变自己的性格、行为。所以他要进行杂化。 杂化又分为等性和不等性两类，其量子理论比较复杂我们不易理解，就没有列出，我

11、们只列出比较好懂的部分来帮助我们理解。根据对杂化轨道的推导也有助于我们对其有一个直观理性的认识，例如前面我们举的例子中就可以看出一些分子的结构特点。,首先我们看下甲烷，其中有四个等性杂化轨道，因为是等性的杂化轨道所以呈现出正四面体的空间分布，而且键长、键角等都是相同的，所以其几何构型如下图： CH4： 而臭氧分子中因为含有孤对电子，而采用不等性杂化，又由于孤对电子较大，孤对电子占据的轨道中s成分较多，所以占据的空间较大使得臭氧分子成为角形分子,BF3采用sp2等性杂化形成平面三角形结构，键长、键角相等 通过以上几种物质的结构可以看出杂化轨道理论在推导物质结构以及性质等方面确实有独到之处，我们也

12、通过查找资料知道这种理论也有缺陷，杂化轨道理论是一种通俗易懂而又应用广泛的理论，具有一定的量子化学基础，对大多数无机分子和有机分子的几何构型及一部分分子性质都能作出合理的解释，但也有一定的复杂性，对初学者来说掌握起来也不容易况且对于某些物质分子构型的解释还有待完善例如，碱土金属的二卤化合物分子其就不能很好的解释。 不管哪种理论都有产生的基础，也是在不断的发展中完善的，我国量子化学家唐敖庆教授等人就对于进一步完善这种理论作了大量工作。也留有大量空间让有志于化学研究的进一步研究。,1】邓存，刘怡春结构化学基础M】北京：高等教育出版社1983,2徐光宪，王祥云物质结构(第二版)M北京：高等教育出版社，1987 3周公度，段连运结构化学基础(第二版)M北京：北京大学出版社，1995,4应用于分子构型的比较研究朱斌 四川I师范学院学报(自然科学版)2003年6月第24卷第2期,5 化学键理论及