当前课程知识点：无机化学 > 第8章 分子结构 > 8.2 杂化轨道理论 > 8.2.1 杂化轨道理论
同学 你好
今天这一节的知识点是杂化轨道理论
价键理论
可以很好的解释一些松原子分子的成键问题
但是我们在利用价键理论
解释一些多原子分子的成键问题的时候
我们发现遇到了一些困难
例如甲烷分子的空间构型
它是一个典型的正四面体结构
碳原子位于正四面体的中心
四个氢原子位于正四面体的四个顶点
四个碳氢键是等同的
碳氢键的夹角是109°28′
那么我们利用价键理论来解释一下
甲烷分子的空间构型问题
碳原子它的核外电子排布是
1s2 2s2 2p2
那么它的电子排布结果是
2s轨道有两个电子
2p轨道有两个电子
它如果想形成四个共价键
首先它要进行一个激发过程
激发的结果就是2s轨道变成了一个电子
2p轨道有三个电子
那么它利用2s轨道这一个电子
和三个2p电子
和四个氢形成四个σ键的时候
我们会发现
首先 2s轨道形成的这一个碳氢键
和三个2p电子所形成的这三个碳氢键
能量应该是不等同的
另外
这三个2p轨道所形成的三个碳氢键
它们的夹角理论上应该是90°
所以这样的话
我们利用价键理论
在解释甲烷的分子空间构型的时候
就遇到了困难
那么在价键理论的基础之上
鲍林提出了杂化轨道理论
下面我们看看杂化轨道理论的要点
第一点
在原子形成分子的过程当中
能量相近的原子轨道会重新组合成新的轨道
我们把它叫做杂化轨道
这是一个sp的杂化轨道
第二点
有几个原子轨道参与杂化
就会形成几个杂化轨道
所以一个s和一个p
形成的就是两个sp的杂化轨道
第三点
形成杂化轨道
有利于轨道之间的最大重叠
会使整个体系的能量降低
原子轨道在形成杂化轨的过程当中
它的能量是升高的
那么为什么他还会采取杂化的方式进行成键
关于杂化轨道的成键能力
我国的化学家唐敖庆院士提出了
杂化轨道成键能力的计算公式
那么我们一般认为s轨道的成键能力
我们用 f 来表示的话是 1
p 轨道是根号3
d 轨道是根号5
f 轨道是根号7
那么唐敖庆院士提出来
对于杂化轨道来说
它的成键能力 f 等于什么
等于根号α加上根号3倍的β
加上根号5倍的γ和根号7倍的δ
这里面的α β γ 和 δ 是什么
是s轨道 p轨道 d轨道 和 f轨道
在杂化轨道里面所占的份额
按照这个计算公式
我们可以试着算一下sp杂化轨道的成键能力
在sp杂化轨道里面
s轨道和p轨道各占50%
所以计算公式是
根号下0.5加上根号下3×0.5
计算出来的结果是1.93
那么这个1.93这个数值
它和s轨道和p轨道它的成键能力相比较的话
它是大于P轨道和S轨道的成键能力
所以这个公式的计算结果也说明了
杂化轨道有利于最大重叠
使整个体系的能量降低
下面我们应用杂化轨道理论
给大家介绍几种常见的杂化轨道类型
第一种杂化类型
sp杂化
我们以二氯化铍分子为例
铍原子的价电子构型是
1s2 2s2 2p0
它要想形成两个共价键
首先2s这两个电子要进行激发
形成2s1 2p1二氯化铍分子的时候
一个2s轨道和一个2p轨道
它俩之间进行杂化
就会形成两个sp杂化轨道
那么这两个sp杂化轨道
在空间的构型就是直线型的结构
它们的夹角是180°
在形成分子的时候
它分别用sp杂化轨道的两端
和两个氯原子的3p轨道形成两个σ键
所以二氯化铍分子的空间构型就是直线型
那我们总结一下
对于sp杂化来说
杂化轨道的成分s轨道和p轨道各占50%
sp杂化轨道的夹角是180°
杂化轨道的空间构型是直线型
所以决定的以这种方式形成的分子
它的空间构型也是直线型
除了二氯化铍以外
像二氯化汞
包括乙炔分子
他们采取的都是sp杂化类型
下面我们再介绍一下sp2杂化类型
我们以三氟化硼分子为例
硼原子的价电子构型1s2 2s2 2p1
那么首先他也要是激发
形成1s2 2s1 2p2的电子构型
那么形成三氟化硼分子的时候
是硼原子的一个2s轨道和两个2p轨道
这时候形成的就是三个sp2杂化轨道
这三个sp2杂化轨道在空间的构型是一个平面三角形
在空间的构型是一个平面三角形
它的夹角是120°
那么三氟化硼在形成分子的时候
也就是利用它的三个sp2杂化轨道
和三个氟原子形成三个σ键
所以形成的三氟化硼分子的空间构型
也是平面三角形
氟原子位于平面三角形的三个顶点
硼原子位于三角形的中心
对于sp2杂化来说
那么杂化轨道里面s轨道的成分是三分之一
p轨道是三分之二
杂化轨道的夹角是120°
杂化轨道的空间构型是平面三角形
那么采取这种方式形成的分子的空间构型
也是平面三角形
除了三氟化硼以外
像其它的三卤化硼以及乙烯分子
它采取的是这种杂化类型成键
第三种杂化类型是sp3杂化
我们就以我们最熟悉的甲烷分子为例
碳原子的价电子构型是2s2 2p2
那么激发以后是2s1和2p3
这时候参与杂化的就是一个2s轨道和三个2p轨道
那么它们之间杂化形成
就是四个sp3杂化轨道
这四个sp3杂化轨道在空间的构型
就是一个正四面体的构型
四个sp3杂化轨道分别的取向
是正四面体的四个顶点
所以在形成甲烷分子的时候
那么氢原子就是从顶点的方向
去sp3杂化轨道重叠形成四个碳氢键
所以甲烷分子的空间构型也是正四面体型
那么对于sp3杂化来说
这个杂化轨道里面S轨道是四分之一
p轨道的成分是四分之三
杂化轨道的夹角是109°28′
杂化轨道的空间构型是正四面体
那么决定了
采取这种方式
形成的分子的空间构型也是正四面体
那么有了sp sp2和sp3杂化
下面我们看一看氨分子的空间构型问题
那么我们都知道
氮原子它的价电子构型是2s2 2p3
那么他究竟采取何种杂化方式来形成化学键
这个是氨分子的空间构型
它是三角锥形
氮氢键的夹角是107°18′
那么我们试着用sp3杂化轨道类型
来解释一下氨分子的空间构型问题
如果氮原子采取的是sp3杂化方式
那么它的价电子构型
是2s2 2p3一共有五个电子
那么必然在其中一个sp3杂化轨道上
占据的是一对电子
它形成氮氢键的时候
只能利用另外三个
sp3杂化轨道去氢原子形成σ键
那么假如我们把这一对孤对电子给它刨掉的话
那我们来看氨分子的空间构型
实际上就是我们实际测得的三角锥形
所以这种杂化方式由于有一对孤对电子
占据了一个sp3杂化轨道
另外三个sp3杂化轨道都是一个电子
所以这种杂化方式
我们给它起了一个名字
叫做不等性的sp3杂化
我们再来看一看水分子的成键情况
在水分子里面
氧原子的价电子构型是2s2 2p4
如果它要采取sp3杂化方式
那么必然在其中的两个sp3杂化轨道上
要有两对孤对电子
那么它形成共价键的时候
只能用另外两个有单电子的sp3杂化轨道
形成两个氧氢键
所以这样的话
如果我们把这两对孤对电子给它刨掉的话
所对应的水分子的空间构型
就是这种V形的结构
那么在这种结构里面
同样的
它也属于是一种不等性的这种杂化方式
下面我们总结一下
我们这一小节主要给大家介绍了
三种杂化方式
sp sp2和sp3
那么参与杂化的都是s轨道和p轨道
那么它们所对应的分子的空间构型
分别是直线形
三角形和四面体型
sp3杂化
如果是不等性的sp3杂化
那么要针对具体的分子
来甄别分子的空间构型问题
剩下这些是d轨道也可以参与杂化
那么我们在今后的知识点里面
会给大家逐一介绍
今天我们的知识点就讲到这里
-1.1 物质的聚集状态和分压定律
--第1.1节讨论 应用理想气体状态方程的时候应注意哪些问题
--第1.1节测试 物质的聚集状态和分压定律
-1.2 稀溶液的依数性
--第1.2节讨论 为什么讨论稀溶液的依数性时将溶质限定为难挥发非电解质
--第1.2节测试 稀溶液的依数性
-第1章测试 物质的聚集状态
-2.1 化学热力学基本概念
--第2.1节测试 化学热力学基本概念
-2.2 化学反应热效应
--第2.2节测试 化学反应的热效应
-2.3 化学反应热效应计算
--第2.3节测试 化学反应热效应计算
-2.4 化学反应方向判据
--第2.4节测试 化学反应方向判据
-第2章测试 化学热力学基础
-3.1 影响化学反应速率的因素
--第3.1节测试 影响化学反应速率的因素
-3.2 化学反应速率理论
--第3.2节讨论 有人说根据反应方程式可以直接写出速率方程，这种说法对吗？
--第3.2节测试 化学反应速率理论
-3.3 化学平衡理论
--第3.3节测试 化学平衡理论
-3.4 化学平衡移动
--第3.4节测试 化学平衡移动
-第3章测试 化学反应速率与化学反应平衡
-4.1 酸碱理论
--第4.1节讨论 阿雷尼乌斯电离理论、酸碱质子理论和酸碱电子理论各有什么优缺点？
--第4.1节测试 酸碱理论
-4.2 水的电离平衡
--第4.2节测试 水的电离平衡
-4.3 弱酸弱碱平衡
--第4.3节测试 弱酸弱碱平衡
-4.4 盐水解平衡
--第4.4节测试 盐水解平衡
-4.5 缓冲体系
--第4.5节讨论 人体血浆中有哪些缓冲系统，最重要的是哪一个？
--第4.5节测试 缓冲体系
-第4章测试 酸碱平衡
-5.1 溶度积常数
--第5.1节测试 溶度积常数
-5.2 溶度积常数与溶解度换算关系
--第5.2节测试 溶度积常数与溶解度换算关系
-5.3 溶度积规则
--第5.3节测试 溶度积规则
-5.4 影响沉淀生成因素
--第5.4节测试 影响沉淀生成因素
-5.5 分步沉淀
--第5.5节测试 分步沉淀
-5.6 沉淀溶解
--第5.6节测试 沉淀溶解
-5.7 沉淀转化
--第5.7节测试 沉淀转化
-第5章测试 沉淀-溶解平衡
-6.1 原电池
--第6.1节测试 原电池
-6.2 电极电势
--第6.2节测试 标准电极电势
-6.3 Nernst方程
--第6.3节讨论 电池反应和电极反应的能斯特方程有什么异同点？
--第6.3节测试 电极电势Nernst方程
-6.4 电极电势的应用
--第6.4节讨论 怎么解释单质银不能从盐酸溶液中置换出氢气，但可从氢碘酸中置换出氢气
--第6.4节测试 电极电势应用
-6.5 元素电势图及其应用
--第6.5节测试 元素电势图及其应用
-第6章测试 氧化还原平衡
-7.1 玻尔氢原子模型
--第7.1节测试 玻尔氢原子模型
-7.2 波粒二象性
--第7.2节测试 波粒二象性
-7.3 薛定谔方程
--第7.3节测试 薛定谔方程
-7.4 四个量子数
--第7.4节测试 四个量子数
-7.5 波函数角度分布图
--第7.5节测试 波函数角度分布图
-7.6 多电子原子结构
--第7.6节测试 多电子原子结构
-7.7 元素性质的周期性变化
--第7.7节讨论 说说电离能和电子亲合能的变化趋势，其中有哪些特例
--第7.7节测试 元素性质的周期性变化
-第7章测试 原子结构与元素周期律
-8.1 现代价键理论
--第8.1节测试 现代价键理论
-8.2 杂化轨道理论
--第8.2节讨论 sp、sp2、sp3杂化轨道的成键能力的大小次序？
--第8.2节测试 杂化轨道理论
-8.3 价层电子对互斥理论
--第8.3节测试 价层电子对互斥理论
-8.4 分子轨道理论
--第8.4节测试 分子轨道理论
-第8章讨论 为什么说杂化轨道理论和价层电子对互斥理论存在互补关系
-第8章测试 分子结构
-9.1 晶体结构
--第9.1节测试 晶体结构
-9.2 金属键理论与金属晶体
--第9.2节测试 金属键与金属晶体
-9.3 离子键与离子晶体
--第9.3节测试 离子键与离子晶体
-9.4 离子极化理论
--第9.4节测试 离子极化理论
-9.5 分子间力与分子晶体
--第9.5节测试 分子间力与分子晶体
-9.6 氢键
--第9.6节测试 氢键
-第9章测试 晶体结构
-10.1 配位化合物组成及命名
--第10.1节测试 配位化合物组成和命名
-10.2 配合物解离平衡
--第10.2节测试 配合物解离平衡
-10.3 配合物解离平衡的移动
--第10.3节测试 配合物解离平衡移动
-10.4 配合物的化学键理论-杂化轨道理论
--第10.4节测试 配合物的化学键理论-杂化轨道理论
-10.5 配合物的晶体场理论
--第10.5节测试 配合物的晶体场理论
-第10章讨论 为什么大多数金属水合离子有颜色，但是锌离子、银离子无色
-第10章测试 配位化学基础
-第11章测试 氢和稀有气体
-第12章测试 碱金属和碱土金属
-第13章测试 硼族、碳族和氮族元素
-第14章测试 氧族元素和卤素
-第15章测试 过渡元素
-动植物体中微量元素的检测
-趣味实验小视频
--糖球烧焦案.m
--指纹重现江湖
--紫甘蓝汁的传奇
