武汉工程大学基础化学杂化轨道理论.ppt

1、基 础 化 学 THE BASIC CHEMISTRY,化工与制药学院基础化学学科部 程清蓉,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

2、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

3、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

4、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1/3 s和2/3 p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1/4 s和3/4 p轨道的成分。sp3杂化轨道相互间的夹角为109.50，空间构

5、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

6、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