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杂化轨道理论

杂化轨道理论. 主讲人：蒋毅民 教授. 知识回顾：价键理论的基本要点。. 问题：在 H 2 S 分子中两个 S-H 键的夹角为什么 是 90º 而不是 180º ？. º. º. CH 4 的分子结构 C 原子的基态为 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0. H 2 O 的分子结构 O 原子的基态为 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 2. 基态. 激发态. 二、杂化轨道理论. 1 、 SP 3 杂化 （以甲烷的分子结构为例）.

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杂化轨道理论

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Presentation Transcript

  1. 杂化轨道理论 主讲人：蒋毅民 教授

  2. 知识回顾：价键理论的基本要点。 问题：在H2S分子中两个S-H键的夹角为什么 是90º 而不是180º ？

  3. º º CH4的分子结构 C 原子的基态为 1s22s22px12py12pz0 H2O的分子结构 O 原子的基态为 1s22s22px12py12pz2

  4. 基态 激发态 二、杂化轨道理论 1、SP3杂化（以甲烷的分子结构为例） • 杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，C原子 上的一个2s电子可被激发到2p空轨道上，形成四个单键，这时虽然解决了4个共价键的问题，但是如果这4个轨道，即1个s轨道和3个p轨道，分别与4个氢原子结合，形成4个键能量是不同的，这与事实不符。

  5. 杂化轨道还认为：在成键过程中，这4个不同的轨道重新组合成4个能量相等的新轨道，由于是由1个s与3个p轨道组合而成，因而新轨道称作sp3杂化轨道。每一个sp3杂化轨道含1/4s成分和3/4p成分.杂化轨道还认为：在成键过程中，这4个不同的轨道重新组合成4个能量相等的新轨道，由于是由1个s与3个p轨道组合而成，因而新轨道称作sp3杂化轨道。每一个sp3杂化轨道含1/4s成分和3/4p成分. 杂化 激发态 杂化态 杂化态 • 这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键，形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。

  6. 问题： 在CH4分子形成过程中，C原子的轨道为什么要激发，杂化？激发过程所需的能量从哪里来？

  7. 尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量 但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形 成两个C-H键放出的能量要大得多，这些能量足 以补偿电子激发所 需的能量而有余，因此，C与 H形成化合物时生成CH4而不是CH2 轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键。因为杂化后电子云分布更为集中，可使成键的原子轨道间的重叠部分增大，成键能力增强，因此C与H原子能结合成稳定的CH4

  8. Sp杂化轨道 p轨道 CH4分子的空间结构 S轨道

  9. 以上是用杂化轨道理论来解释CH4的结构， 得到了满意的结论。从这里我们也可以看出： • 杂化：在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化。 • 杂化轨道：通过杂化所形成的新轨道就称为杂化轨道。 • 注意两点：(1)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生；(2)能量相近通常是指：ns与np、ns,np与nd或（n-1)d。

  10. 激发 Sp2杂化 重叠 形成3个(sp2-p) σ键 BF3分子形成过程 2.sp2杂化 一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三个等同的sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120º，呈平面三角形。

  11. sp2杂化轨道示意图 BF3分子的结构示意图

  12. 激发 sp杂化 重叠 形成2个(sp-s) σ键 BeCl2分子形成过程 3.sp杂化 进行sp杂化时，每个杂化轨道由 ½ S 轨道和 ½ P 轨道组合而成，两个杂化轨道之间的夹角为180°。因此由sp杂化轨道构成的分子具有直线形的构型。

  13. sp杂化轨道示意图 BeCl2分子结构示意图

  14. 激发 重叠 杂化 4.sp3d2杂化 sp3d2杂化轨道是由一个s轨道、三个p轨道和两个d轨道组合而成，其特点是6个sp3d杂化轨道指向正八面体的六个顶点，相邻的夹角为90º 。

  15. sp3d2杂化轨道示意图 SF6分子的空间结构

  16. 5. 等性杂化与不等性杂化 以H2O为例： 价键理论：两个2p轨道分别与两个氢原子形成两 个 P-S σ键 键角为 90º 杂化理论：O原子的2s和2p采取sp3杂化，O原子最外层有6个电子，四个杂化轨道中有两个被两对孤电子对占据，其余两个轨道被两个单电子占据，与两个H形成两个sp3-s共价键。

  17. 杂化 O氧子基态 sp3杂化态 H2O分子

  18. 杂化 N氧子基态 sp3杂化态 NH3分子 课堂思考题：推断、解释NH3的结构？

  19. 孤电子对数： 0 1 2 夹 角：109.5º 107.3º 104.5º 空间结构： 正四面体 三角锥 V形 结论：在CH4、NH3和H2O分子中，中心原子都取sp3杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。

  20. 6. 杂化轨道要点 (1 ) 轨道杂化是指同一个原子中相关轨道的混合,由此产生的杂化轨道也是原子轨道。 (3) 杂化只能发生在能级接近的轨道之间，如主量子数相同的s、p、d轨道之间，或(n-1)d与ns、np之间，能量也是相近的。亚层符号按能级升高的顺序排列，例如d2sp3和sp3d2代表不同杂化轨道。 (2)参与杂化的轨道中电子所处的能级略有不同，而杂化轨道中的电子则处于相同能级。杂化后能级相当于杂化前有关电子能级的中间值。

  21. (4) 各种杂化轨道的“形状”均为葫芦形，由分布在原子核两侧的大小叶瓣组成，轨道的伸展方向是指大叶瓣的伸展方向，为简明起见往往不给出小叶瓣。 (7) 杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理，键角越大，排斥力越小。杂化轨道类型不同，成键时键角不同，分子的空间结构也不同。 (5) 杂化轨道的数目等于参与杂化的轨道的总数 (6) 杂化轨道可分为等性杂化轨道与不等性杂化轨道两种。

  22. 杂化轨道的类型与空间结构的关系

  23. 本节课结束！ 谢谢！

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