杂化轨道理论(高中)分析.pdf

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1、1 高中杂化轨道理论( 图解） 一、原子轨道角度分布图 S Px Py Pz 二、共价键理论和分子结构 价键法 （VB 法）价键理论一： 、要点： 、 共价键的形成条件：、先决条件：原子具有未成对电子 ；、配对电子参与成键的原 子轨道要满足对称匹配、能量相近以及最大重叠的原则；、两原子具有成单的自旋相反的 电子配对，服从保里不相容原理。 、 共价键的本质：是由于原子相互接近时轨道重叠 ，原子间通过共用自旋相反的电子使能 量降低而成键。 、 共价键的特征：、 饱和性 ，一个原子有几个未成对电子（包括激发后形成的未成对电 子） ，便和几个自旋相反的电子配对成键；而未成对电子数是有限的，故形成化学键

2、的数目是 有限的。、根据原子轨道最大重叠原理，原子轨道沿其角度分布最大值方向重叠，即共价 键具有一定的方向性 。 、 共价键的类型：单键、双键和叁键。 、 键和 键。 、 键：沿键轴方向重叠，呈圆柱形对称，称为轨道，生成的键称为 键是希腊字母， 相当于英文的s，是 对称 Symmetrysimitri 这个字的第一个字母） 。 键形成的方式： 、 键：两个p 轨道彼此平行地重叠起来，轨道的对称面是通过键轴的平面，这个对称面 就叫节面，这样的轨道称为 轨道，生成的键称为 键（ 相当于英文的p，是 平行 parallelp ? r?lel的第一个字母） 。 键的形成过程： ， 2 键和键的比较 键

3、 （共价键中都存在键） 键 （只存在不饱和共价键中） 重叠方式 （ 成 建 方 向 ） 沿两电子云（原子轨道）的键轴方向以 “头碰头”的方式遵循原子轨道最大程 度重叠原理进行重叠 两互相平行的电子云（原子轨道）以“肩 并肩”的方式遵循原子轨道最大程度重叠 原理进行重叠 重 叠 程 度重叠程度较大重叠程度较小 电 子 云 形 状 共价键电子云（重叠部分）呈轴对称共价键电子云（重叠部分）呈镜像对称 牢固程度强度较大，键能大，较牢固，不易断裂强度较小，键能较小，不很牢固，易断裂 化 学 活 泼 性不活泼，比 键稳定活泼，易发生化学反应 类型 s-s 、 s-p 、p-p 、 s- SP杂化轨道、 s

4、- SP2 杂化轨道、 s-SP3杂化轨道、杂化轨道 间 pp键， 、p p 大 键 是否 能旋转 可绕键轴旋转不可旋转 存 在的 规律 共价单键是 键，共价双 键有一个 键，有一个 键；共价 叁键有一个 键，有两个 键。 可单独存在任何共价键中不单独存在，与 键共存 概念 含有未成对（单）电子的原子轨道沿两 电叠子云 （原子轨道） 的键轴方向以 “头 碰头”的方式遵循原子轨道最大程度重 叠原理进行重所形成的具有沿键呈轴对 称特征的共价键 含有未成对（单）电子的两个互相平行的 电子云（原子轨道）以“肩并肩”的方式 遵循原子轨道最大程度重叠原理进行重叠 所形成的具有镜像对称特征的共价键 、价键理

5、论二：杂化轨道理论，价键理论简明地阐明了共价键的形成过程和本质，成功解 释了共价键的方向性和饱和性，但在解释一些分子的空间结构方面却遇到了困难。例如CH4 分子的形成，按照价键理论，C 原子只有两个未成对的电子，只能与两个H 原子形成两个共 价键，而且键角应该大约为90。但这与实验事实不符，因为C 与 H 可形成 CH4分子，其空 间构型为正四面体，HCH = 10928。为了更好地解释多原子分子的实际空间构型和性质， 1931 年鲍林和斯莱脱(Slater)在电子配对理论的基础上，提出了杂化轨道理论(hybrid orbital theory)，丰富和发展了现代价键理论。 、杂化轨道理论的基

6、本要点 原子在形成分子时，为了增强成键能力，同一原子中能量相近的不同类型（s、p、d） 的几个原子轨道可以相互叠加进行重新组合，形成能量、形状和方向与原轨道不同的新的原 子轨道。这种原子轨道重新组合的过程称为原子轨道的杂化，所形成的新的原子轨道称为杂 化轨道。 注意：、只有在形成分子的过程中，中心原子能量相近的原子轨道才能进行杂化，孤立的 原子不可能发生杂化。、只有能量相近的轨道才能互相杂化。常见的有： ns np nd， (n-1)d ns np；、 杂化前后，总能量不变。但杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠，即 杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道的成键能力增强，形成的化学键的键能大。这

7、是由 健 型 项 目 3 于杂化后轨道的形状发生了变化，电子云分布集中在某一方向上，成键时轨道重叠程度增大， 成键能力增强。、杂化所形成的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目，亦即杂 化前后，原子轨道的总数不变。、杂化轨道的空间构型取决于中心原子的杂化类型。不同 类型的杂化，杂化轨道的空间取向不同，即一定数目和一定类型的原子轨道间杂化所得到的 杂化轨道具有确定的空间几何构型，由此形成的共价键和共价分子相应地具有确定的几何构 型。 什么叫杂化？同一原子的能量相近的原有的原子轨道“ 混杂 ” 起来，重新组合形成新轨道的过 程，叫做杂化。 什么叫杂化轨道？新组合的原子轨道叫做杂化轨道。 为什么

8、要杂化？杂化轨道形成的化学键的强度更大，体系的能量更低。 杂化的动力：受周围原子的影响。 为什么杂化后成键，体系的能量降低？杂化轨道 在一个方向上更集中，便于轨道最大重叠。 杂化轨道的构型决定了分子的几何构型：杂化轨道 有利于形成 键，但 不能形成 键。由于 分子的空间几何构型是以键为骨架，故 杂化轨道的构型就决定了其分子的几何构型。 杂化的规律 杂化前后轨道数目不变，空间取向改变； 杂化轨道能与周围原子形成更强的键，或安排孤对电子，而不会以空的杂化轨道存在。 杂化后轨道伸展方向、形状发生改变，成键能力增强，成键能力大小顺序（s成分越多 成键能力越强）spsp 2sp3 结果当然是更有利于成键

9、！ 轨道成分变了 轨道的能量变了 轨道的形状变了 、杂化轨道的特点 、所组成的几个杂化轨道具有相同的能量；、形成的杂化轨道数目等于原有的原子轨道 数目；、杂化轨道的空间伸展方向一定（亦即，杂化轨道的方向不是任意的，杂化轨道之 间有一定的夹角） ；、杂化轨道的成分：每个杂化轨道的成分之和为；每个参加杂化的原 子轨道，在所有杂化轨道中的成分之和为（单位轨道的贡献）。 杂化轨道理论 杂化轨道由原子轨道组合而成 用于组合的原子轨道是价层电子的轨道 键合电子的轨道 非键电子的轨道 但不包括 键的轨道 杂化轨道类型spsp 2 sp 3 参加杂化的原子轨道1 个 s和 1 个 p1 个 s和 2 个 p1

10、 个 s和 3个 p 杂化轨道数目2 个 sp杂化轨道3 个 sp 2 杂化轨道4 个 sp 3 杂化轨道 每个杂化轨道的成分 2 1 s， 2 1 p 3 1 s， 3 2 p 4 1 s， 4 3 p 杂化轨道间的夹角18012010928 空间几何构型直线型平面三角形正四面体形 实例BeCl2，HgCl 2BF3CH4，SiF4 中心原子Be，Hg B C， Si 、最常见的杂化轨道类型简介 4 sp杂化轨道sp 2 杂化轨道sp3杂化轨道 sp 杂化轨道：是1 个 ns 轨道与 1 个 np 轨道杂化形成2 个 sp杂化轨道。 BeCl2的成键过 程， Be 原子的杂化。两个sp 杂化

11、轨道的夹角为180o ，空间构型：直线型。 、 SP2杂化轨道：是一个原子的1 个 nS 轨道和 2 个 nP 轨道之间进行杂化，形成3 个等价 的 SP2杂化轨道。 3 个 SP2杂化轨道互成120， sp 2 杂化形成平面正三角形分子。例如BCl3 的成键过程，B 原子的杂化。 、 SP3杂化轨道：是一个原子的1 个 S 轨道和 3 个 P 轨道之间进行杂化，形成4 个等价的 SP 3 杂化轨道。 4 个 SP3杂化轨道互成109.5， sp 3 杂化形成正四面体结构分子。例如CH4 的成键过程，C 原子的杂化。 2p 2s 2p 激发 Be 原子基态 2s 激发态 sp杂化 sp 杂化态

12、 2p 2s 2p 激发 B 原子基态 2s 激发态 sp 2 杂化 sp 2 杂化态 2p 2s 2p 激发 C 原子基态 2s 激发态 sp 3 杂化 sp 3 杂化态 相关链接：BeCl2是共价化合物，在气态为双聚分子(BeCl2)2(在 773873K 下)，温度再高时， 二聚体解离为单体BeCl 2，在 1273K 完全离解。固态 BeCl 2具有无限长链结构。在 BeCl2(g)中 Be 为 sp 杂化，直线型。在双聚体(BeCl2)2(g)中 Be 为 SP 2 杂化。在固态BeCl2中 Be 为 SP3杂 化。 MX2 sp MX3 sp 2 MX4 sp 3 5 直线型 ：C

13、O2， BeCl2， Ag(NH 3)2 +，HgCl 2，ZnCl2， HC CH （C 原子 sp杂化） ； Hg 原子 SP杂化 HgCl2直线型分子，两个 Cl Hg Cl 平面三角形 ： BF3， SO3(g)，NO- 3，CO2- 3 ，H2C=CH 2（C 原子 sp 2 杂化） ； 正四面体形 ： CH 4，SO2- 4，SiF4， NH4 +，Zn(NH 3)4 2+；ClO 4 -，MnO- 4 ，MnO2- 4 (Mn 原子 d 3s杂化）； 平面正方形 ： Cu(NH 3)4 2+，Zn(CN) 4 2-，PdCl 4 2-； 、等性杂化与s-p 型不等性杂化 、等性杂

14、化：由不同类型的原子轨道“混合”起来，重新组合成一组完全等同的杂化轨道 的过程称为等性杂化，形成的轨道为等性杂化轨道。各个杂化轨道的形状和能量完全相同。 条件：当成键原子中参与杂化的原子轨道上的电子数目等于杂化轨道数目，且与之成键的原 子也完全相同，其杂化就是等性杂化。例如， CH 4和 CCl4 与中心原子键合的是同一种原子， 分子呈高度对称的正四面体构型，其中的 4 个 sp 3杂化轨道自然没有差别， 这种杂化类型叫做 等性杂化。 CH4甲烷分子 中的 C 原子，用个2S 轨道和 2Px、2Py、2Pz 轨道进行SP3杂化， SP 3 杂化轨道呈 正四面体 。成键的C 原子以 4 个 SP

15、3杂化轨道分别与4 个 H 原子的 1S 轨道形 成 4 个 CH键， 形成正四面体结构分子。 、不等性杂化：由不同类型的原子轨道“混合”起来，重新组合成一组不完全等同的杂化 轨道（形成的杂化轨道的能量不完全相等，所含的成分也不完全相同）的过程称为不等性杂 化，形成的轨道为不等性杂化轨道。参与杂化的原子轨道中存在孤对电子，则形成的杂化轨 道的形状和能量不完全相同。 条件：、当成键原子中参与杂化的原子轨道上的电子数目等于杂化轨道数目，但是与之成 键的原子不完全相同，其杂化就是不等性杂化。例如，CHCl 3和 CH2Cl2(另一种看法是：等 性杂化并不表示形成的共价键等同。例如，CHCl3为变形四

16、面体，分子中三个CCl 键与 CH 键并不等同，但C 采取的杂化方式仍是sp 3 等性杂化。 )、当成键原子中参与杂化的 原子轨道上的电子数目多于杂化轨道数目，有的杂化轨道上必然会被孤对电子所占据，而被 孤电子对占据的杂化轨道所含的s 成分比单个电子占据的杂化轨道含的s 成分略大， 更靠近中 心原子的原子核，对成键电子对具有一定的排斥作用，参与成键杂化轨道具有更多的p 轨道 特征，此时，虽然与之成键的原子完全相同，其杂化就是不等性杂化。例如，H2O 中的 O、 NH3分子中的 N 和 CH 4分子中的 C 一样， 采取的是SP3杂化。但由于 H2O 、NH 3分子中保 留有孤对电子,四个杂化轨

17、道中只有部分参与成键，为不等性杂化，因此分子的形状是不对称 的。 （ CH4分子中的键角10928，NH3分子中的键角107 18 ，H2O 分子中的键角 104 45 。 ） 判断是否等性杂化，要看各条杂化轨道的能量是否相等，不能看未参加杂化的轨道的能量。 H2O“V”字形， NH3和 H3O +三角锥形， CHCl 3和 CH2Cl2、CH3Cl 变形四面体形 NH3分子 2s 2p N 原子基态 sp 3 杂化 1-3 （代表含 s 成分） 不等性 sp 3 杂化轨道 6 H2O 分子 2s 2p O 原子基态 sp 3杂化 不等性 sp 3 杂化轨道 、部分杂化 、 CO2 CO2直线

18、型分子 两个 C 原子 SP杂化 O CO ， O 2Px 2Py 2Pz O 2Px 2Py 2Pz C 2s 2p 激发 杂化 SP 杂化 2 Py 2 Pz 、 乙烯分子 中的 C 原子，用个2S 轨道和 2Px、2Py 轨道进行SP2杂化， SP2杂化轨道呈平 面正三角形。成键的个C 原子各以个SP2杂化轨道彼此重叠形成个C C 键，并各以 两个 SP 2 杂化轨道分别与个H 原子的 1S 轨道形成个C H 键，这个 键其对称轴都 在同一平面内。每个C 原子余下的2Pz 轨道彼此平行地重叠，形成键。 C 原子 SP 2 杂化轨道未参加杂化的Pz 轨道SP2杂化轨道平面 、乙炔分子 中的

19、 C 原子，用个2S 轨道和个2Px 轨道进行SP杂化， SP杂化轨道呈直线 形。成键的个C 原子各以个SP杂化轨道彼此重叠形成一个CC 键，并各以另个SP 杂化轨道分别与两个H 原子的 1S 轨道形成个CH键，这个 键其对称轴都在同一直 线上。每个C 原子余下2Py 和 2Pz 轨道，个2Py 和个 2Pz 分别平行地重叠，形成的键 键共有 2 个。 2p 2Py 2Pz 2s 2p 激发 C 原子基态 2s 激发态 sp杂化 sp 杂化态 附录：某些元素化合物的分子结构 一、氧族元素 SO2、O3、SO3(g)，sp 2杂化： S 143pm O O 119.5 0 4 3 OSO S O

20、 O O SO2- 4，sp 3杂化 SO2Cl2是 正四面体畸变形 (SO，SCl) SO2- 3,三角锥体 , 不等性 sp 3 杂化 7 H2O2氧原子 sp 3 杂化轨道 OO H H =97 =94 , H O O H SCl2， sp 3 杂化 S原子 sp 3 杂化 二、氮族 不等性 sp 3 杂化 鍵角 10718 空间构型 H H H N ， NO N2O 直线型分 子两个 N 原子 SP杂化 NN O N O O N O 不等性 sp 3 杂化，联氨 (肼 ) H2NNH2，羟胺 NH2OH H H N O H 白磷 P4 60 221pm 直线型的叠氮酸根离子N3-， 第

21、一个 N 原子 sp 2 杂化 ， 第二 和第三个N 原子 sp 杂化 ONO O NO 134.25 175pm 119.7p N O O N O O N 原子 SP 2杂化，个 键，个 8 6键 N 原子 SP 2 杂化， 4 3 114 116 H O O O N 氢键 130 121pm 140pm 96pm 102 NO - 3离子的结构 N 原子 SP 2 杂化 120 121pm N O O O 8 NO - 2离子的结构 N 原子 SP2杂化 4 3 N O 键长 123.6pm 115.4 O O N PCl3,三 角 锥 形 三、碳族 CO 2- 3离子的结构 C 原子 S

22、P 2 杂化 120 C O O O 2 HCO - 3离子的结构 C 原子 SP 2 杂化 120C O O O H SnCl2,V 形 四、硼族 B 原子 SP 2 杂化， 每个杂化轨道与F 形成 键 后，垂直于分子平面的B 有一个空的P 轨道， 三个 F 原子各有一个充满电子的P 轨道，这 四个 P 轨道相互平行，形成大键（ ） 。 这个大 键的形成使BF3获得额外的稳定性。 BF3,sp 2 杂化，平面三角型 BeCl2分子 Be Cl Cl 180 五、碱金属和碱土金属 CaF2、SrF2、BaF2的构型是弯曲的角形，即 V 形。！ ，。 ？, 。价层电子对互斥理论(VSEPR) 却认为是直线型，不符合事实。 124.3 113.3 Cl Cl C O 122.1 115.8 H H C O 121.4 117.2 H H H H C C O C C O CO2直线型分子 两个 C 原子 SP杂化 O CO