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1、奥林匹克化学竞赛辅导奥林匹克化学竞赛辅导2021/8/9 星期一1杂化轨道理论对简单分子（包括离子）几何杂化轨道理论对简单分子（包括离子）几何构型的解释。构型的解释。2021/8/9 星期一2杂化轨道理论杂化轨道理论 1、杂化：、杂化：成键过程是由若干个能量相近的轨道经叠加、混成键过程是由若干个能量相近的轨道经叠加、混合、重新调整电子云空间伸展方向，分配能量形合、重新调整电子云空间伸展方向，分配能量形成新的杂化轨道过程。成新的杂化轨道过程。一个原子的轨道在和其他原子结合成键的过一个原子的轨道在和其他原子结合成键的过程中程中,该原子的原子轨道重新混合成为新的该原子的原子轨道重新混合成为新的原子轨
2、道原子轨道,这种混合过程称为这种混合过程称为杂化杂化,形成的新形成的新的原子轨道称为的原子轨道称为杂化轨道杂化轨道。2021/8/9 星期一3 杂化的目的杂化的目的：更有利于成键。：更有利于成键。杂化的动力杂化的动力：受周围原子的影响。：受周围原子的影响。杂化的过程杂化的过程:基态原子基态原子 激发态原子激发态原子 杂化态原子杂化态原子 杂化的条件杂化的条件:参与杂化的原子轨道必须是能量相近的原子参与杂化的原子轨道必须是能量相近的原子轨道。杂化过程原子轨道总数不变。轨道。杂化过程原子轨道总数不变。2021/8/9 星期一4杂化轨道的电子云一头大，一头小，成键时利杂化轨道的电子云一头大，一头小，
3、成键时利用大的一头，可以使电子云重叠程度更大，从用大的一头，可以使电子云重叠程度更大，从而形成稳定的化学键。即杂化轨道增强了成键而形成稳定的化学键。即杂化轨道增强了成键能力。能力。2021/8/9 星期一52、杂化轨道的理论要点、杂化轨道的理论要点成键原子中几个能量相近的轨道杂化成新的成键原子中几个能量相近的轨道杂化成新的杂化轨道；杂化轨道；参加杂化的原子轨道数参加杂化的原子轨道数=杂化后的杂化轨道杂化后的杂化轨道数。总能量不变；数。总能量不变；杂化时轨道上的成对电子被激发到空轨道上杂化时轨道上的成对电子被激发到空轨道上成为单电子，需要的能量可以由成键时释放的成为单电子，需要的能量可以由成键时
4、释放的能量补偿。能量补偿。2021/8/9 星期一6杂化轨道比未杂化的原子轨道成键能力杂化轨道比未杂化的原子轨道成键能力强，使形成的共价键更加稳定。强，使形成的共价键更加稳定。不同类型的杂化轨道有不同的空间取向，不同类型的杂化轨道有不同的空间取向，从而决定了共价型多原子分子或离子的不从而决定了共价型多原子分子或离子的不同的空间构型。同的空间构型。没有参与杂化的轨道仍保持原有的形状。没有参与杂化的轨道仍保持原有的形状。某些分子形成过程中，某些分子形成过程中，“激发激发”、“杂杂化化”是同时发生的，无先后之分；是同时发生的，无先后之分；杂化过程中，不是所有原子都必须有电杂化过程中，不是所有原子都必
5、须有电子激发，应按具体结构判断；子激发，应按具体结构判断；注意注意2021/8/9 星期一73、杂化轨道的种类、杂化轨道的种类（1）按参加杂化的轨道分类）按参加杂化的轨道分类sp 型：型：sp 杂化、杂化、sp2杂化和杂化和sp3杂化杂化spd型：型：sp3d杂化、杂化、sp3d2杂化杂化（2）按杂化轨道能量是否一致分类）按杂化轨道能量是否一致分类 等性杂化和不等性杂化等性杂化和不等性杂化 2021/8/9 星期一8等性杂化等性杂化如如CH4分子中的分子中的C原子原子 的的sp3杂化：杂化：4 个个sp3杂化轨道能量一致杂化轨道能量一致 2021/8/9 星期一9又如又如C原子的原子的SP2杂
6、化杂化形成形成3个能量相等的个能量相等的sp2杂化轨道，也属于等杂化轨道，也属于等性杂化。性杂化。判断是否是等性杂化，要看各条杂化轨道的判断是否是等性杂化，要看各条杂化轨道的能量是否相等，不看未参加杂化的轨道的能能量是否相等，不看未参加杂化的轨道的能量。量。2021/8/9 星期一10O原子的原子的SP3杂化杂化四条杂化轨道的能量不相等四条杂化轨道的能量不相等2021/8/9 星期一11等性杂化等性杂化 指杂化轨道中没有不参加成键指杂化轨道中没有不参加成键的孤电子对，形成完全等同的杂化轨道的杂的孤电子对，形成完全等同的杂化轨道的杂化。化。例如：例如：CHCH4 4 NH NH4 4+BF BF
7、3 3 SeF SeF6 6不等性杂化不等性杂化 指杂化轨道中有不参加成键指杂化轨道中有不参加成键的孤电子对，形成不完全等同的杂化轨道的的孤电子对，形成不完全等同的杂化轨道的杂化。杂化。例如：例如：NHNH3 3 H H2 2O O2021/8/9 星期一124、各种杂化轨道在空间的几何分布、各种杂化轨道在空间的几何分布杂化类型杂化类型 sp3 sp2 sp立体构型立体构型 正四面体正四面体 正三角形正三角形 直线形直线形 2021/8/9 星期一13杂化类型杂化类型 sp3d或或dsp3 sp3d2或或d2sp3立体构型立体构型 三角双锥体三角双锥体 正八面体正八面体2021/8/9 星期一
8、145、用杂化轨道理论解释构型、用杂化轨道理论解释构型（1）sp 杂化杂化BeCl2分子，直线形，用杂化轨道理论分析其分子，直线形，用杂化轨道理论分析其成键情况，说明直线形的原因。成键情况，说明直线形的原因。Be：1s22s22p02 条条sp杂化轨道是直线形分布，分别与杂化轨道是直线形分布，分别与 2 个个 Cl 的的3p轨道成键，故分子为直线形。轨道成键，故分子为直线形。2021/8/9 星期一15以BeCl2分子的形成为例基态时，基态时，BeBe的电子构型为的电子构型为1s22s2，Be原子应原子应该不成键，但在激发状态该不成键，但在激发状态BeBe原子进行了轨道原子进行了轨道杂化，才能
9、够成键，如下所示杂化，才能够成键，如下所示能量Be基态Be激发态1s2s2p1s2s2p1sspBe杂化态空间构型为直线型sp杂化：一个杂化：一个s轨道和一个轨道和一个p轨道间轨道间 的杂化的杂化2021/8/9 星期一162021/8/9 星期一17二氧化碳，直线形，二氧化碳，直线形，C发生发生sp杂化，杂化，C 与与 O 之之间间 sp-2px 两个键，所以，两个键，所以，OCO 成直线形。成直线形。C中未杂化的中未杂化的py与两侧与两侧 O 的两个的两个py沿纸面方向沿纸面方向成大成大键，键，C 中未杂化的中未杂化的pz与两侧与两侧 O 的的pz沿垂直沿垂直于纸面的方向成于纸面的方向成键
10、，故键，故 CO2 中，中，C、O之间有之间有离域离域键（两个键（两个34大大键）。键）。两个两个34 2021/8/9 星期一18（2）sp2杂化杂化BCl3 平面三角形构型，平面三角形构型，B的的 3 个个sp2杂化轨道杂化轨道呈三角形分布，分别与呈三角形分布，分别与 3 个个 Cl 的的 3p 成成键，键，分子构型为三角形。属于分子构型为三角形。属于sp2杂化。杂化。2021/8/9 星期一19以以BFBF3 3的形成为例的形成为例1s2s2p能量1s2s2p1ssp2B基态基态B激发态激发态B杂化态杂化态sp2杂化：一个杂化：一个s轨道和两个轨道和两个p轨道间的杂化轨道间的杂化2021
11、/8/9 星期一20Sp2杂化轨道的空间构型平面三平面三角形角形 3个F的轨道和sp2的三个轨道成键，BF3整个分子是平面三角形xyz1200120012002021/8/9 星期一21乙烯乙烯 C发生发生sp2杂化，杂化，sp2杂化轨道与杂化轨道与sp2杂化杂化轨道形成轨道形成1个个CC 键，键，sp2杂化轨道与杂化轨道与H的的1s轨道形成轨道形成4个个CH 键；未杂化的键；未杂化的p轨道之间轨道之间形成形成键，故分子中有碳碳双键存在。键，故分子中有碳碳双键存在。2021/8/9 星期一222021/8/9 星期一23（3）sp3杂化杂化 甲烷甲烷 C发生发生sp3杂化，杂化，4个轨道呈正四
12、面体分布，个轨道呈正四面体分布，4个个sp3杂化轨道分别与杂化轨道分别与4个个H的的1s轨道形成轨道形成键，键，因没有未杂化的电子（轨道），故因没有未杂化的电子（轨道），故CH4分子中分子中无双键。无双键。2021/8/9 星期一24以甲烷的形成为例1s2s2pC基态基态能量1s2s2p1ssp3C激发态激发态C杂化态杂化态sp3杂化：一个杂化：一个s轨道和三个轨道和三个p轨道间杂化轨道间杂化2021/8/9 星期一25Sp3杂化轨道的空间构型 4个H的轨道和四个sp3杂化轨道成键，整个CH4分子呈正四面体型.此角为109.50正四面体2021/8/9 星期一261、所用、所用P轨道数目不同：
13、轨道数目不同：C原子不同杂化轨道的特点原子不同杂化轨道的特点SP3杂化动用了杂化动用了3个个P轨道，甲烷的四个键完轨道，甲烷的四个键完全相同，均为全相同，均为键。键。SP2杂化的用了杂化的用了2个个P轨道，轨道，形成形成键，另一个键，另一个以原来的以原来的P轨道与另一个轨道与另一个C原子的相同原子的相同P轨道轨道交叠，形成一个交叠，形成一个键。键。SP杂化的用了杂化的用了1个个P轨道，另两个以原来的轨道，另两个以原来的P轨道与另一个轨道与另一个C原子的相同原子的相同P轨道交叠形成两轨道交叠形成两个相对较弱的个相对较弱的键。键。2021/8/9 星期一272、立体结构不同、立体结构不同：SP3杂
14、化的呈正四面体结构。杂化的呈正四面体结构。SP2杂化的呈平面型结构。杂化的呈平面型结构。SP杂化的呈直线性结构。杂化的呈直线性结构。2021/8/9 星期一283、键长键角不同键长键角不同不但单双键的键长不同，而且不但单双键的键长不同，而且C-H键长也键长也不同。键角与杂化轨道形式直接相关。不同。键角与杂化轨道形式直接相关。2021/8/9 星期一29分子分子模型模型杂化杂化类型类型形状形状键角键角键长键长C-C(nm)乙烷乙烷SP3四面四面体体109o280.154乙烯乙烯SP2平面平面 120o0.134乙炔乙炔SP线形线形 180o0.1212021/8/9 星期一30问题问题1：指出分
15、子中各个碳原子的杂化轨道类型：指出分子中各个碳原子的杂化轨道类型：SP2SP2SP3SP2021/8/9 星期一31丁二烯丁二烯问题问题2：指出下列各化合物中碳原子杂化类型：指出下列各化合物中碳原子杂化类型。丙烯丙烯2021/8/9 星期一32（4）s-p-d 杂化杂化PCl5 三角双锥，三角双锥，P：1s22s22p63s23p33d 0 5个个sp3d 杂化轨道呈三角双锥杂化轨道呈三角双锥形分布，分别与形分布，分别与 5 个个Cl 的的 3p成成键。空间图形为：键。空间图形为：2021/8/9 星期一33Sp3d2杂化杂化（5）sp3d2杂化杂化 2021/8/9 星期一34（6）H2O的
16、不等性杂化（的不等性杂化（O发生发生sp3不等性杂化）不等性杂化）两个含单电子的两个含单电子的sp3杂化杂化轨道与轨道与2个个H的的1s轨道形轨道形成成键，含孤电子对的两键，含孤电子对的两个个sp3杂化轨道不成键，杂化轨道不成键，故水呈故水呈V形结构。水分子形结构。水分子中的中的OH键的夹角本应键的夹角本应为为10928，但由于孤电，但由于孤电子对的斥力，键角变小，子对的斥力，键角变小，为为10445。2021/8/9 星期一35水分子的空间结构图水分子的空间结构图2021/8/9 星期一36（7）NH3 的不等性杂化（的不等性杂化（N发生发生sp3不等性杂化不等性杂化 单电子占据的单电子占据
17、的sp3杂化轨道杂化轨道分别与分别与 H 的的1s成成键，孤对键，孤对电子占据的电子占据的sp3单独占据四单独占据四面体的一个顶角。由于孤对面体的一个顶角。由于孤对电子的影响，电子的影响，HNH键键的键角小于的键角小于10928，为，为10718。2021/8/9 星期一37下面解释NH3为什么是三角锥型?NN原子的电子排布原子的电子排布：1S22S22P3在成键时，在成键时，2S和和2P轨道进行了杂化，生成轨道进行了杂化，生成SP3杂化轨杂化轨道。道。能量1s2s2p1ssp3基态杂化态通过激发、杂化2021/8/9 星期一38氮原子的价电子层结构为氮原子的价电子层结构为2s2s2 22p2
18、p3 3，在形成，在形成NHNH3 3分子时，分子时，氮的氮的2s2s和和2p2p轨道首先进行轨道首先进行spsp3 3杂化。因为杂化。因为2s2s轨道上轨道上有一对孤电子对有一对孤电子对,由于含孤电子对的杂化轨道对成由于含孤电子对的杂化轨道对成键轨道的斥力较大，使成键轨道受到挤压，成键后键轨道的斥力较大，使成键轨道受到挤压，成键后键角小于键角小于109.5109.5，分子呈三角锥形。，分子呈三角锥形。氨分子的空间结构图 2021/8/9 星期一39氨分子的空间构型NHHH10703这对没有成键的电子这对没有成键的电子称为称为孤对电子孤对电子 SP3杂化轨道本来是正四面体的，但在杂化轨道本来是
19、正四面体的，但在NHNH3 3分子中，分子中，由于孤对电子对成键电子的排斥作用，使得由于孤对电子对成键电子的排斥作用，使得NHNH3 3分子中分子中的键角缩小。的键角缩小。NHNH3 3分子中所成的三个分子中所成的三个NHNH键构成了三键构成了三角锥型。角锥型。一般一般,孤电子对、成键电子对孤电子对、成键电子对 之间斥力大小顺序：之间斥力大小顺序：孤电子对和孤电子对孤电子对和孤电子对孤电子对和成键电子孤电子对和成键电子成键电成键电子和成键电子。子和成键电子。2021/8/9 星期一40在等性杂化中由分子构型（与电子对构型一致）在等性杂化中由分子构型（与电子对构型一致）可以直接看出杂化方式。但在
20、不等性杂化中，可以直接看出杂化方式。但在不等性杂化中，分子结构当然与杂化方式有关，但要知道孤电分子结构当然与杂化方式有关，但要知道孤电子对数，方可确定分子构型。关键是电子对构子对数，方可确定分子构型。关键是电子对构型可以直接标志杂化方式，故电子对构型非常型可以直接标志杂化方式，故电子对构型非常重要。不等性杂化与配体数小于对数是对应的。重要。不等性杂化与配体数小于对数是对应的。有未参加杂化的电子，一般形成有未参加杂化的电子，一般形成键或大键或大键。键。2021/8/9 星期一41问题：1、水分子为“V”型结构，想想水 分子中氧的杂化形式。2、PCl3是什么杂化？3、CO2的键角为何是1800？C原子或O原子是否杂化？C2H4分子为何取1200键角？.答案答案：1 1、水分子中，、水分子中，OO原子原子SPSP3 3杂化，结构如下图杂化，结构如下图 2 2、PClPCl3 3 spsp3 3杂化杂化 3 3、COCO2 2中碳中碳SPSP杂化，杂化，C C2 2H H4 4中碳中碳SPSP2 2杂化杂化OHH1s2s2p1s2pSPC的SP杂化2021/8/9 星期一42谢谢大家再见2021/8/9 星期一43