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同学们好

欢迎大家

跨进异彩纷呈的有机世界

今天讨论的主要内容有

有机化学

有机化合物

共价键的概念

以及有机化合物的特点

价键理论

杂化轨道理论

共价键参数等等

首先需要明确

什么是有机化合物

什么是有机化学

1780年

瑞典化学家Bergman

提出“有机物”

和“无机物”的概念

并把从有机体中取得的物质

称为“有机物”

1806年瑞典化学家Berzelius

首次提出

“有机化学”的概念

那个时候“生命力”说盛行

他认为有机物必源于生命体

1848年

德国化学家Gmelin

把有机化学

定义为研究碳化合物的科学

德国化学家

共产主义战士

马克思和恩格斯的

亲密战友Schorlemmer

他的观点是

有机物

即研究含碳化合物

及其衍生物的科学

现代的共识是

有机化学是研究

有机化合物的结构

性质

合成

应用的科学

一些简单的含碳化合物

比如说一氧化碳

二氧化碳

碳酸盐等

因其性质更接近于无机化合物

故常放在无机化学中研究

接着呢

我们看看有机化合物有什么特点

有机化合物组成上特点是

必含碳

组成中必含碳元素

是化合物称其为有机物的必要条件

有机化合物的成键特点是

共价键

有机化合物的原子间

主要是通过电子相配成对

而形成化学键

有机化合物结构上的特点是

同分异构

同分者分子式相同

异构者结构不同

同分异构

是有机化合物的鲜明的特征

有关成键

和结构的细节问题

我们将在稍后专门讨论

有机化合物物理性质上的特点是

大多数有机物

熔点沸点低

常温下多为气体

液体

或者低熔点固体

挥发性比较大

水溶性比较差

有机物化学性质的特点是

热稳定性比较差

易燃

易爆

反应速度比较慢

反应比较复杂

副反应多

产率一般比较低

刚才呢我们说过

有机化合物的

特点之一是共价键

所以呢

我们紧接着讨论

共价键的相关问题

对于共价键的理论解释

常见的有价键理论

和分子轨道理论

这里只讨论价键理论

价键理论相关的

第一个问题

第一个问题

就是共价键的概念

以及价键理论的具体内容

1916年

美国化学家Lewis

提出了共价键电子理论

该理论认为

共价键

即两个原子

通过电子配对所成的键

由于成键的两个原子

都具有未成键

而且自旋相反的电子

它们能够通过配对

使得每个原子

最外层电子数

达到稳定的结构

成键的电子

只定域于

两个成键的原子之间

比如

一个碳原子和四个氢原子

结合成甲烷时

四个氢原子各提供一个电子

分别和碳原子的四个

未成对的电子配对

形成共用电子对

这样

甲烷的碳原子和氢原子

都取得最外层

电子数为8个

和2个的稳定结构

下面是碳原子

和氢原子

通过电子配对

形成共价键

结合形成甲烷的示意图

像这样

两个原子间

经由一对电子

形成的共价键叫做单键

两个原子

各用2个

或者3个未成键电子

形成的共价键

则为双键或者三键

价键理论相关的第二个问题

就是共价键的表示方法

共价键常见的表示方法有

路易斯式和凯库勒式

所谓路易斯式

即由一对

代表共用电子的点

表示一个共价键

所谓凯库勒式

即由一根短线

表示一个共价键

共价键理论的

相关的第三个问题

就是共价键的特点

共价键的特点之一是

共价键具有饱和性

即一个原子的一个未成键电子

与另一个原子的一个未成键电子

配对之后

就不能再与其它电子配对

通俗的说

就是一夫一妻制

共价键的特点之二是

共价键的方向性

共价键的形成

也可以看做是

成键原子的原子轨道重叠的结果

成键时

两个电子的原子轨道发生重叠

重叠程度的大小

决定共价键的牢固程度

比如

p电子的原子轨道

具有沿着或x轴

或y轴

或z轴伸展的

特定的空间取向

其它电子的轨道

只有从这些特定方向

接近的时候

才可能与该p电子轨道

有最大重叠

这就是最大重叠原理

共价键最大重叠的方向性

决定了分子的空间构型

价键理论相关的第四个问题

就是杂化轨道理论

中学化学中

我们已经学过

C原子的核外电子排布为

1s22s22px12py1

核外有且只有两个未成对的电子

那么根据价键理论

C原子和H原子

结合成的甲烷

应该是CH2

而不是CH4

即理论结果呢

与客观事实不符

这就说明

价键理论是不完美的

甚至是错误的

有挑战就有开拓

1931年

美国化学家Pauling

对价键理论

进行了修正

提出了杂化轨道理论

即原子形成分子的过程中

非简并轨道线性组合

形成新的原子轨道

这种新的原子轨道

就是杂化轨道

Pauling认为

与氢原子成键之前

碳原子的一个2s电子

被激发到

能量较高的2pz空轨道中

即C的电子排布变为

1s22s12px12py1和2pz1

然后

能量相近的2s轨道和2p轨道

在成键的时候进行杂化

形成同等数目的

新的杂化轨道

C的2s轨道

和三个2p轨道

杂化的结果是

一

形成4个

完全等价的sp3杂化轨道

二

杂化轨道

比原来的 s 轨道或者p轨道

具有更明确的方向性

第三

碳原子的

四个sp3杂化轨道的空间取向

是指向正四面体的四个顶点

这样每两个杂化轨道

对称轴之间的夹角为

109◦28'

因为

正四面体的排列方式

能使4个杂化轨道

尽可能的远离

成键电子对的互斥最小

分子最稳定

根据杂化轨道理论

甲烷分子是这样形成的

甲烷的碳原子

取sp3杂化

形成四个杂化轨道

四个氢原子的1s球形轨道

与碳原子的

四个sp3杂化轨道

以“头对头”方式重叠成键

4个C-H键

全部是sp3-1s键

我们把原子轨道

以“头对头”方式

重叠而形成的化学键

叫做σ键

甲烷C的sp3

杂化轨道的方向性

决定了甲烷分子的正四面体构型

那么乙烯分子

又是怎么形成的呢

乙烯分子中的碳原子呢

都为sp2杂化

每个C原子的

三个sp2杂化轨道

在同一平面上

彼此成120◦的夹角

还剩一个2p轨道

垂直于sp2轨道所在的平面

乙烯中的 4个C-H键

都是氢原子的球形轨道

与碳原子的sp2杂化轨道“头对头”

重叠而形成的σ键

1个C-C键

由一个碳原子的

sp2杂化轨道

与另一碳原子的

sp2杂化轨道

以“头对头”重叠成键

所以呢也是σ键

还有一个

由两个C的未参与杂化

且垂直于三个杂化轨道

平面的P轨道

以“肩并肩”方式

重叠形成的键

我们把它叫做π键

这样乙烯分子的

两个C原子之间有两个键

一个是σ键

一个π键

乙烯分子中的

所有的原子在同一个平面上

炔烃的结构又是怎样的呢

乙炔碳原子都为sp杂化

与乙烯成键方式类似

sp杂化的两个乙炔碳原子之间

有三个键

一个σ键

和两个互相垂直的π键

乙炔分子中的

所有原子在同一条直线上

价键理论相关的第五个问题

就是共价键的参数

甲烷

乙烯

乙炔等

有机化合物中的化学键

都是通过共用电子对

形成的共价键

但杂化方式各异

键的强度不尽相同

成键原子之间的距离

键之间的夹角

成键原子之间的电子云的分布

也各有千秋

这些信息

必须引进一些键参数

才能准确表达

第一个是键长

键长是

形成共价键的两个原子

吸引力和排斥力

达到平衡的时候的距离

一般为0.1到0.2个纳米

第二是键角

键角是两个共价键之间的夹角

键角反映有机化合物

分子的空间结构

第三个参数是键能

键能是化学键形成时

放出的能量

或者化学键断裂的时候

吸收的能量

键能可用来标志

化学键的强度

一般情况下

相同类型的化学键的

键越长

它的键能就越小

再一个呢就是键的极性

即偶极矩

偶极矩是描述分子中

键的极性和分子极性的参数

用正、负电荷中心的电荷值

与正、负电荷中心的距离的乘积

μ=q·d来表示

偶极矩的方向

是从正电荷指向负电荷

多原子分子的偶极矩

是分子中各个键的

偶极矩的矢量和

价键理论相关的第六个问题

就是共价键的断裂

和有机反应类型

共价键的断裂方式呢

有两种

均裂和异裂

所谓均裂

就是成键电子对

被平均分给两个原子

或者原子团

形成两个自由基

均裂呢

是共价键的对称断裂

用单边箭头

也就是鱼钩箭头

表明一个电子的运动

异裂

是共价键的不对称断裂

成键电子全在一个碎片上

形成正离子和负离子

异裂呢用双边箭头

表明两个电子同时运动

我们把自由基

正离子

负离子

都叫做反应的活性中间体

基于化学键不同的断裂方式

有机反应可以分为三种类型

第一种

自由基反应

就是通过共价键均裂

进行的反应

反应的活性中间体是自由基

一般在光和热的作用下进行

第二类呢是离子型反应

通过共价键异裂

进行的反应

一般在酸碱

或者极性物质的催化下进行

离子型反应

根据反应试剂的类型不同

又可分为

亲电反应和亲核反应

有机上

把正电中心对负电中心的作用

叫做亲电

把负电中心对正电中心的作用

叫做亲核

相应的

把负电中心

叫做亲核试剂

把正电中心

叫做亲电试剂

第三类呢是协同反应

就是旧键的断裂

和新键的生成

是同时发生的

协同反应

只经过过渡态

不产生中间体

本次课中

价键理论

杂化轨道理论

以及共价键

键长

键能

键角

偶极矩的概念

是学习的重点

希望同学们能够理解掌握

本次课到此结束

再见