杂化轨道基本理论和结构课件.ppt

1、杂化轨道基本理论和结构杂化轨道基本理论和结构原子结构示意图原子结构示意图泡利不相容原理泡利不相容原理 泡利不相容原理指在原子中不能容纳运动状态完泡利不相容原理指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。又称泡利原子不相容原理。全相同的电子。又称泡利原子不相容原理。1925年由奥地利物理学家年由奥地利物理学家W泡利提出。一个原子中泡利提出。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子，都在第一层（电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形层），电子云形状是球形对

2、称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一轨道中只能客纳自旋相反的两个必然相反。每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是电子，每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每个、每层最多容纳电子数是层最多容纳电子数是2n2。 能量最低原理能量最低原理 不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。也道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。也就是尽可能使体系能量最低。

3、就是尽可能使体系能量最低。 洪特规则洪特规则 在等价轨道在等价轨道( (指相同电子层、电子亚层上的各个轨指相同电子层、电子亚层上的各个轨道道) )上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。后来经量子力学证明，电子这样排旋方向相同。后来经量子力学证明，电子这样排布可能使能量最低，所以洪特规则也可以包括在布可能使能量最低，所以洪特规则也可以包括在能量最低原理中。能量最低原理中。 电子轨道示意图电子轨道示意图 价键理论价键理论（VB，valence bond theory）价键理论的三个要点：价键理论的三个要点：1.1. 定域性：自旋反平行的两个电子

4、绕核做高速定域性：自旋反平行的两个电子绕核做高速运动，属于成键原子共同所有。电子对在两核运动，属于成键原子共同所有。电子对在两核之间出现的几率最大；之间出现的几率最大； 2.2. 饱和性：每个原子成键的总数或以单键连饱和性：每个原子成键的总数或以单键连接的原子数目是一定的。原子中的成单电子数接的原子数目是一定的。原子中的成单电子数决定成键总数；决定成键总数； 3.3. 方向性：原子轨道有一定的方向性（方向性：原子轨道有一定的方向性（s s，p p，d d），），与相连原子轨道重叠成键要满足最大重与相连原子轨道重叠成键要满足最大重叠条件。因此，一个原子与周围原子形成共价叠条件。因此，一个原子与周

5、围原子形成共价键有一定的角度。键有一定的角度。 原子轨道重叠情况示意图原子轨道重叠情况示意图 成键方向对分子结构的影响成键方向对分子结构的影响 杂化轨道理论杂化轨道理论（hybrid orbital theory） 1. 1. 杂化与杂化轨道：杂化是指在形成分子杂化与杂化轨道：杂化是指在形成分子时，由于原子间的相互影响，若干不同类时，由于原子间的相互影响，若干不同类型而能量相近的原子轨道混合起来，重新型而能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道的过程。所形成的新轨组合成一组新轨道的过程。所形成的新轨道称为杂化轨道。道称为杂化轨道。 2. 2. 孤立的原子不可能发生杂化，只有在形孤立的原

6、子不可能发生杂化，只有在形成分子的过程中才会发生。成分子的过程中才会发生。 3. 3. 在杂化前后，原子轨道的数目保持不变。在杂化前后，原子轨道的数目保持不变。 4. 4. 条件不同，杂化轨道类型可能不同。条件不同，杂化轨道类型可能不同。 这是用一个这是用一个2 2s s轨道和三个轨道和三个2 2p p轨道进行的杂化，故称轨道进行的杂化，故称为为sp3 sp3 杂化。与基态轨道相比，杂化轨道具有以下杂化。与基态轨道相比，杂化轨道具有以下特点：特点： a). a). 能量相等，成分相同（能量相等，成分相同（1/41/4s s轨道和轨道和3/43/4p p轨轨道）；道）； b). b). 杂化轨道

7、的电子云分布更集中，可使成键杂化轨道的电子云分布更集中，可使成键轨道间的重叠部分增大，成键能力增强；轨道间的重叠部分增大，成键能力增强； c) sp3 c) sp3 杂化轨道在空间尽量伸展，呈最稳定正杂化轨道在空间尽量伸展，呈最稳定正四面体型，轨道夹角四面体型，轨道夹角1091092828。 sp3 sp3 杂化又称为杂化又称为正四面体杂化。正四面体杂化。 sp3 杂化sp2 杂化由由2 2s s轨道核两个轨道核两个2 2p p轨道杂化，形成三个等同的轨道杂化，形成三个等同的sp2 sp2 杂化轨道。另有一个杂化轨道。另有一个2 2p p轨道不参与杂化。轨道不参与杂化。 a). a). 杂化轨

8、道成分：杂化轨道成分：1/31/3s s轨道和轨道和2/32/3p p轨道；轨道； b). b). 成键能力较成键能力较sp3sp3杂化轨道弱，但较未杂杂化轨道弱，但较未杂化轨道强；化轨道强； c). c). 杂化轨道呈平面三角形，夹角杂化轨道呈平面三角形，夹角120120。未杂化未杂化2 2p p轨道垂直于这一平面。轨道垂直于这一平面。sp 杂化由由2 2s s轨道核一个轨道核一个2 2p p轨道杂化，形成两个等同的轨道杂化，形成两个等同的sp sp 杂化轨道。另有两个杂化轨道。另有两个2 2p p轨道不参与杂化。轨道不参与杂化。 a). a). 杂化轨道成分：杂化轨道成分：1/21/2s

9、s轨道和轨道和1/21/2p p轨道；轨道； b). b). 成键能力较成键能力较sp2sp2杂化轨道弱，但较未杂化杂化轨道弱，但较未杂化轨道强；轨道强； c). c). 杂化轨道呈直线型，夹角杂化轨道呈直线型，夹角180180。另两个。另两个未杂化未杂化2 2p p轨道与这一直线两两垂直轨道与这一直线两两垂直。 表1-1 碳原子的三种杂化类型 类类别别实实例例碳原个碳原个的的杂化类杂化类型型用于杂化用于杂化的原子轨的原子轨道道杂化轨杂化轨道的数道的数目目杂化轨道杂化轨道的夹角的夹角几何构几何构型型烷烷 烯烯 炔炔甲烷甲烷乙烯乙烯乙炔乙炔 sp3 sp2 sp1 1个个s 3 3个个p1 1个

10、个s 2 2个个p1 1个个s 1 1个个p4个个sp33个个sp22个个sp10928120180正四面体正四面体正三角形正三角形直线形直线形1.4 共价键的属性键和键和键键 共价键具有方向性。按照成键的方向共价键具有方向性。按照成键的方向不同，分为不同，分为键和键和键。键。 键和键和键是键是两类重要的共价键。两类重要的共价键。 键键 在甲烷分子中，存在四个等同的在甲烷分子中，存在四个等同的C-HC-H键，键，碳原子采取碳原子采取sp3 sp3 杂化。取一个杂化轨道杂化。取一个杂化轨道进行分析进行分析 当氢原子的当氢原子的1 1s s轨道沿着对称轴的方向与碳原子轨道沿着对称轴的方向与碳原子s

11、p3 sp3 杂化杂化轨道重叠时，原子轨道重叠程度最大，形成的共价键最牢轨道重叠时，原子轨道重叠程度最大，形成的共价键最牢固。由原子轨道是立体对称的，原子轨道绕轴的旋转不影固。由原子轨道是立体对称的，原子轨道绕轴的旋转不影响成键，因而，形成的键是可以自由旋转的。这种沿着对响成键，因而，形成的键是可以自由旋转的。这种沿着对称轴的方向以称轴的方向以“头碰头头碰头”的方式相互重叠形成的键叫做的方式相互重叠形成的键叫做键。构成键。构成键的电子称为键的电子称为电子。一个电子。一个键包括两个键包括两个电电子。子。 甲烷分子中，四个甲烷分子中，四个键夹角为键夹角为1091092828，分子构，分子构型为正四

12、面体型。型为正四面体型。乙烷分子中，除乙烷分子中，除C- HC- H外，还存在外，还存在C- C C- C 键键（CH3-CH3 CH3-CH3 ）键的成键特点1). 1). “头碰头头碰头”成键，电子云近似圆柱形分布；成键，电子云近似圆柱形分布；2). 2). 键可以旋转；键可以旋转；3). 3). 键较稳定，存在于一切共价键中。键较稳定，存在于一切共价键中。 因而，只含有因而，只含有键的化合物性质是比较稳定键的化合物性质是比较稳定的（烷烃）。的（烷烃）。键键 在乙烯分子中，碳原子采取在乙烯分子中，碳原子采取sp2 sp2 杂化。杂化。另有一个另有一个p p轨道不参与杂化，而形成另一轨道不参

13、与杂化，而形成另一类型的共价键类型的共价键键键。未杂化的未杂化的p p轨道可以轨道可以“肩并肩肩并肩”平行重叠成键，平行重叠成键，形成形成键。构成键。构成键的电子叫做键的电子叫做电子。电子。键的成键特点键的成键特点1). 1). “肩并肩肩并肩”成键；成键；2). 2). 电子云重叠程度不及电子云重叠程度不及键，较活泼；键，较活泼；3). 3). 键必须与键必须与键共存；键共存；4). 4). 键不能自由旋转。键不能自由旋转。因而，具有因而，具有键的化合物性质较活泼（烯烃、炔烃等）。键的化合物性质较活泼（烯烃、炔烃等）。 共共轭轭共轭共轭 键与键与 键的重叠，使电子离域键的重叠，使电子离域,

14、,体系稳体系稳定。定。p-p- 共轭共轭 p p轨道与轨道与 键的重叠，使电子离域键的重叠，使电子离域, ,体系稳定。体系稳定。共轭体系（共轭体系（conjugated systemconjugated system）是指分子中发生电子离域的）是指分子中发生电子离域的部分，可以是分子的一部分或是整个分子。共轭体系有以下部分，可以是分子的一部分或是整个分子。共轭体系有以下几类：几类： （1 1）-共轭：在链状分子中，凡双键、单键交替排列共轭：在链状分子中，凡双键、单键交替排列的结构都属此类。的结构都属此类。（2 2）p-p-共轭：与双键碳原子相连的原子，由于共平面，其共轭：与双键碳原子相连的原子

15、，由于共平面，其p p轨道与双键的轨道与双键的轨道平行并发生侧面重叠，形成共轭体系。轨道平行并发生侧面重叠，形成共轭体系。 形成共轭体系的条件是：形成共轭体系的条件是： （1）有关的原子必须在同一平面上；）有关的原子必须在同一平面上； （2）必须有可实现平行重叠的）必须有可实现平行重叠的p轨道；轨道； （3）要有一定数量供成键用的）要有一定数量供成键用的p电子。电子。 诱导效应诱导效应在多原子分子中，由于成键原子和基团之间的电负性在多原子分子中，由于成键原子和基团之间的电负性不同，不仅使成键原子之间电子云密度呈不对称分布，不同，不仅使成键原子之间电子云密度呈不对称分布，键上产生极性，而且会引起分子中其它原子之间的电键上产生极性，而且会引起分子中其它原子之间的电子云沿着碳链向电负性大的原子一方偏移，往往使共子云沿着碳链向电负性大的原子一方偏移，往往使共价键的极性也发生变化。价键的极性也发生变化。通常把这种不直接相连原子通常把这种不直接相连原子间的相互影响称为诱导效应，用符号间的相互影响称为诱导效应，用符号I表示表示。