雜化軌道理論(20210929174503)

1、雜化軌道理論雜化軌道理論根本介紹核外電子在一般狀態(tài)下總是處于一種較為穩(wěn)定的狀態(tài)，即基態(tài)。而在某些外加作用下， 電子也是可以吸收能量變?yōu)橐粋€較活潑的狀態(tài)，即激發(fā)態(tài)。在形成分子的過程中，由于原 子間的相互影響，單個原子中，具有能量相近的兩個電子亞層中，具有能量較低的電子亞 層的一個或多個電子會激發(fā)而變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，進(jìn)入能量較高的電子亞層中去，即所謂的躍遷 現(xiàn)象，從而新形成了一個或多個能量較高的電子亞層。此時，這一個與多個原來處于較低 能量的電子亞層的電子所具有的能量增加到與原來能量較高的電子亞層中的電子相同。這 樣，這些電子的軌道便混雜在一起，這便是雜化，而這些電子的狀態(tài)也就是所謂的雜化態(tài)。概述193

2、1 年,Linus Carl Pauli ng提出軌道雜化理論。實驗事實根底是許多分子的鍵角不等于原子軌道間夾角。如氧原子與氫原子組成的水分子H O H 的鍵角是 104.5o ，不等于氧的2py與2pz軌道間的夾角90o。類似的，NH3分子中H N H的鍵角也不等 于90o，實際測得107.3。實驗測得甲烷分子 CH4是四面體結(jié)構(gòu)，H C H鍵角為 109.5o 。要點 在形成分子主要是化合物時，同一原子中幾個能量相近的不同類型的原子軌道 一般為同一能級組的原子軌道 可以進(jìn)行線性組合 雜化 ，重新分配能量和確定空間方向，組成數(shù)目相等的新的一組原子軌道。 雜化軌道成鍵能力大于原來的原子軌道。因

3、為雜化軌道的形狀變成一頭大一頭小了 , 用大的一頭與其他原子的軌道重疊 , 重疊局部顯然會增大。 形成的雜化軌道之間應(yīng)盡可能地滿足最小排斥原理化學(xué)鍵間排斥力越小，體系越穩(wěn)定，為滿足最小排斥原理， 雜化軌道之間的夾角應(yīng)到達(dá)最大。 分子 的空間構(gòu)型主要取決于分子中 T鍵形成的骨架，雜化軌道形成的鍵均為廳鍵，所以，雜化軌道的類型與分子的空間構(gòu)型相關(guān)。相關(guān)概念在形成多原子分子的過程中，中心原子的假設(shè)干能量相近的原子軌道線性組合成新的原 子軌道，這個過程叫做原子軌道的雜化，產(chǎn)生的新軌道叫做雜化軌道。，軌道在空間的分 布方向和分布情況發(fā)生改變。1231234567123可以雜化的的軌道為：、 ns 與 n

4、p 、 ns,np 與 nd、 ns,np 與 n-1d、當(dāng)分子中的一個原子僅以一個單鍵b 鍵與其它原子相連時，該原子軌道為 sp3 雜化， 如 HCl 、 HBr 、 H I 、 Cl2 。、 雜化時，軌道的數(shù)目不變。、 雜化軌道形成的鍵均為 b 鍵。、 每個雜化軌道有一個電子或孤對電子，不存在空的雜化軌道。、 雜化軌道之間的夾角應(yīng)到達(dá)最大。、 軌道雜化前不一定有電子躍遷現(xiàn)象。、 原子軌道雜化的結(jié)果力圖使該原子與其它原子形成的所有 b 鍵穩(wěn)定且能 量均勻。雜化過程電子躍遷：基態(tài)原子中已配對的 s 軌道電子或 p 軌道電子拆開，其中 1個電子跑到 能量稍高的 p 空軌道或 d 空軌道中去，這樣

5、的過程叫電子躍遷。雜化：均為一個電子的 s 軌道與一些 p 軌道，或 s 軌道、 p 軌道 d 軌道混合成 一組新的原子軌道 。這些新的軌道就叫雜化軌道。成鍵：雜化軌道的每個電子參與成鍵，和其它原子形成的共價鍵均為b 鍵 。簡并軌道與簡并度單電子原子中，主量子數(shù) n 相同的一組軌道，能量大小相同，稱為簡并軌道。例如氫原子的 2s 和 2p 可以成為一組簡并軌道；根據(jù)洪特規(guī)那么，基態(tài)多電子原子中同一能級的 軌道能量相等，成為簡并軌道 . 如： 2Px ， 2Py ， 2Pz 能量相等，稱為簡并軌道。通 常把能量相同的原子軌道稱為簡并軌道，簡并軌道的數(shù)目叫簡并度。雜化軌道類型1 s p 型雜化只有

6、 s 軌道和 p 軌道參與的雜化，主要有以下三種類型：sp 雜化sp 雜化軌道是由 1 個 ns 軌道和 1 個 np 軌道形成的，其形狀不同于雜化前的 s 軌道 和 p 軌道。如下列圖 a 。每個雜化軌道含有二分之一的 s 軌道成分和二分之一的 p 軌 道成分。兩個雜化軌道在空間的伸展方向呈直線型，夾角180。如下列圖 b 。如：BeCl2 分子。sp2 雜化sp2 雜化軌道由 1 個 ns 軌道和 2 個 np 軌道組合而形成的，每個雜化軌道含有三分之 一的 s 軌道成分和三分之二 p 軌道成分，雜化軌道間夾角為 120，呈平面三角形分布。 如 BF3 分子。sp3 雜化sp2 雜化軌道由

7、 1 個 ns 軌道和 3 個 np 軌道組合而形成的，每個雜化軌道含有四分之 一 s軌道成分和四分之三軌道成分。雜化軌道間夾角為109 28，空間構(gòu)型為四面體型。如：CH4分子。2 s p d 型雜化ns 軌道， np 軌道， nd 軌道一起參與雜化稱為 s p d 型雜化，主要有以下幾種 類型：sp3d 雜化sp3d 雜化是由 1 個 ns 軌道， 3 個 np 軌道和一個 nd 軌道組合而成的，它的五個雜化 軌道在空間呈三角雙錐型，雜化軌道空間夾角為90， 120或 180。如： PCl5 分子。sp3d2 雜化sp3d2 雜化是由 1 個 ns 軌道， 3 個 np 軌道和 2 個 n

8、d 軌道組合而成的，它的 6 個雜 化軌道指向正八面體的 6個頂點，雜化軌道空間夾角為 90或180。如：SF6分子。sp3d3 雜化sp3d3 雜化是由 1 個 ns 軌道， 3 個 np 軌道和 3 個 nd 軌道組合而成的，它的 7 個雜 化軌道在空間呈五角雙錐型。n 1 ) d nsnp 雜化n 1 d nsnp 雜化是 n 1d 軌道， ns 軌道， np 軌道一起參與的雜化方式，它主要存在于過渡金屬配位化合物中。等性雜化和不等性雜化等性雜化：全部由成單電子的軌道參與的雜化叫做等性雜化。 不等性雜化：有孤對 電子軌道參與的雜化叫做不等性雜化。AXn 型分子中心原子的雜化類型的判斷方法

9、A 中心原子 ,X 配位原子方法 1 確定中心原子的價層電子對數(shù) n ：n= 中心原子 A 的價電子數(shù) + 所有 X 原子提供的價電子數(shù)離子電荷數(shù) /2原那么：A的價電子數(shù)=主族序數(shù)；例： B:3，C:4，N:5，O:6，X:7 ，稀有氣體 :8 配體 X ： H 和鹵素每個原子各提供一個價電子 ,規(guī)定氧與硫不提供價電子； 正離子應(yīng)減去電荷數(shù) , 負(fù)離子應(yīng)加上電荷數(shù)。例如： SO42- : n=6+0+2/2=4 .方法 2 確定中心原子的價層電子對數(shù) n ：n= 與中心原子成鍵的原子數(shù) + 中心原子價電子數(shù) -所有 X 原子未成對電子數(shù)之和 離子電荷數(shù) /2與方法 1 相同，正離子應(yīng)減去電荷

10、數(shù) , 負(fù)離子應(yīng)加上電荷數(shù)。當(dāng) n=2 時 ， sp 雜化 , 電子對的空間構(gòu)型為直線形；n=3 時 ， sp2 雜化 , 電子對的空間構(gòu)型為平面三角形；n=4 時 ， sp3 雜化 , 電子對的空間構(gòu)型正四面體；n=5 時 ， sp3d 雜化 , 電子對的空間構(gòu)型為三角雙錐；n=6 時 ， sp3d2 雜化 , 電子對的空間構(gòu)型為八面體。注意：1. AXn 型分子中， n 為 1時該公式一般不適用。2. AXn 型分子中，A與B可以為同種元素。如臭氧中，可以把 O3當(dāng)作OO2,就可以判斷出中間氧原子的雜化 方式為 sp2 雜化。3. 該公式僅適用于中心原子為主族的化合物。 幾種雜化軌道之后的

11、分子空間形態(tài)sp雜化：直線型 如： CO2、CS2sp2雜化：平面三角形等性雜化為平面正三角形女口： BCI3、sp3雜化：空間四面體等性雜化為正四面體如： CH4、 CCl4sp3d雜化：三角雙錐sp3d2雜化：八面體等性雜化為正八面體s p 型雜化 舉例分析1. sp 雜化同一原子內(nèi)由一個 ns 軌道和一個 np 軌道發(fā)生的雜化，稱為 sp 雜化。雜化后組成的 軌道稱為 sp 雜化軌道。 sp 雜化可以而且只能得到兩個 sp 雜化軌道。實驗測知，氣態(tài) BeCl2 是一個直線型的共價分子。 Be 原子位于兩個 Cl 原子的中間， 鍵角 180，兩個 Be Cl 鍵的鍵長和鍵能都相等：Cl B

12、e Cl基態(tài)Be原子的價層電子構(gòu)型為 2s2，外表看來似乎是不能形成共價鍵的。但雜化理 論認(rèn)為，成鍵時 Be 原子中的一個 2s 電子可以被激發(fā)到 2p 空軌道上去，使基態(tài) Be 原子 轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài) Be 原子 2s12p1：與此同時， Be 原子的 2s 軌道和一個剛躍進(jìn)的電子的 2p 軌道發(fā)生 sp 雜化，形成兩 個能量等同的 sp 雜化軌道：其中每一個 sp 雜化軌道都含有 軌道和 軌道的成分。每個 sp 軌道的形狀都是一頭大，一頭小。成鍵時，都是以雜化軌道大的一頭與Cl原子的成鍵軌道重疊而形成兩個T鍵。根據(jù)理論推算，這兩個 sp 雜化軌道正好互成 180，亦即在同一直線上。這樣，推斷的

13、結(jié)果與實驗相符。此處注意， BeCl2 的分子構(gòu)型不止 sp 雜化一種，還可以以 sp2 雜化而形成二聚體，也可以以 sp3 雜化形成多聚體，其分子構(gòu)型不一定為直線型。此外，周期表HB族Zn , Cd , Hg元素的某些共價化合物，其中心原子也多采取sp雜化。注意兩點：1原子軌道的雜化只有在形成分子的過程中才會發(fā)生；2能量相近通常是指： ns 與 np 、 ns,np 與 nd 或 n-1d 。在形成分子時，由于 原子的相互影響，假設(shè)干不同類型能量相近的原子軌道混合起來，重新組合成一組新的軌道， 這種軌道重新組合的過程叫做雜化。sp 雜化例子、 CO2 、 C2H22. sp3 雜化與碳?xì)?、?/p>

14、碳單鍵碳原子的電子構(gòu)型為 1s22s22px12py12pz ，其中 1s 軌道中的兩個電子不參與成鍵。 由能量較低的 2s 軌道與能量較高的 3 個 2p 軌道進(jìn)行雜化，形成 4 個簡并即能量相同 的的 sp3 雜化軌道。每個 sp3 雜化軌道含有 1/4 的 s 軌道成分， 3/4 的 p 軌道成分，其 能量高于 2s 軌道，低于 2p 軌道。sp3 雜化軌道的形狀如下圖，四個簡并的 sp3 雜化軌道采取相互盡可能遠(yuǎn)離的方式 在空間排布，從而減少電子間的相互排斥作用，即形成四面體結(jié)構(gòu)，sp3 雜化軌道間的夾角為 109.5。每個 sp3 雜化軌道上各排布一個自旋平行的電子。甲烷分子中，碳原

15、子以 sp3 雜化軌道與氫原子的 1s 軌道成鍵。所形成的鍵是沿軌道 的軸向方向疊加的，形成的鍵軸向?qū)ΨQ，稱為廳鍵廳bonds 。4個C H鍵的鍵角等于碳的sp3雜化軌道的鍵角，即109.5。整個甲 烷分子的形狀為四面體，甲烷分子的軌道成鍵圖以及球棍模型、比例模型如下列圖所示。乙烷分子中有 2 個碳原子和 6個氫原子。其中 2個碳原子均以 sp3 方式雜化，各以 1 個sp3雜化軌道相互連接形成 C - C廳單鍵，每個碳上的另外 3個sp3雜化軌道與氫原 子的1s軌道形成3個C - H廳鍵，其軌道成鍵圖與球棍模型圖、比例模型如下所示。sp3 雜化例子sp3 等性雜化：如 CH4正四面體 、CC

16、14 正四面體、NH4+正四面體、CHCl3四面體。sp3 不等性雜化：如 NH3三角錐型、H2O V型等也是sp3雜化，只不過是 sp3 不等性雜化。3. sp2 雜化與碳碳雙鍵根據(jù)雜化軌道理論，碳的 2s 和 2p 軌道還可以進(jìn)行 sp2 雜化，即一個 2s 軌道和兩個 2p 軌道雜化，形成三個簡并的 sp2 雜化軌道( sp2-hybrid orbital )。每個 sp2 雜化軌 道含有 1/3 的 s 軌道成分， 2/3 的 p 軌道成分，其能量高于 2s 軌道，低于 2p 軌道。單 個 sp2 雜化軌道的形狀類似于 sp3 雜化軌道。由于電子間的相互排斥作用， 3 個 sp2 雜化

17、軌道處于相互遠(yuǎn)離的方向，即分別伸向平 面三角形的 3 個頂點，因此軌道間夾角為 120 度，處于同一個平面上。余下一個 2pz 軌 道垂直于 sp2 雜化軌道平面。乙烯分子中的碳原子就是以 sp2 雜化軌道成鍵的。兩個碳原子各以一個 sp2 雜化軌道 相互重疊形成1個C C b鍵，其余的sp2雜化軌道分別與氫原子的1s軌道形成4個C H b鍵，這樣，兩個碳原子與四個氫原子處于同一個平面上。兩個碳原子2pz軌道上的電子那么在鍵軸平行的方向上側(cè)面重疊成鍵，這樣形成的共價鍵，電子云分布在乙烯分子 所在平面的上下兩方。這種鍵不同于b鍵，不是軸向?qū)ΨQ的，因此被稱為n鍵。乙烯分子C=C雙鍵中的兩個鍵是不等

18、同的，一個是由sp2 sp2形成的b鍵，由于軌道重疊程度較大，所以鍵的強度較強；另一個是由p p形成的n鍵，由于側(cè)面相疊，重疊程度較弱，鍵的強度較弱。4. sp 雜化與碳碳叁鍵碳原子還可以進(jìn)行 sp 雜化，即由 1 個 2s 軌道與 1 個 2p 軌道雜化形成 2 個 sp 雜化 軌道( sp-hybrid orbital )。每個 sp 雜化軌道含有 1/2 的 s 軌道成分， 1/2 的 p 軌道 成分，其能量高于 2s 軌道，低于 2p 軌道。 sp 雜化軌道的形狀類似 sp3 雜化軌道。由于電子間的相互排斥作用，這兩個軌道處于相互遠(yuǎn)離的方向，即軌道間夾角為180o ，處于同一直線上。余

19、下兩個 2py 、2pz 軌道與兩個 sp 雜化軌道所在的直線相互垂直。乙炔分子中兩個碳原子之間相互以 sp sp 雜化軌道形成一個 b 鍵，并各自用一個 sp 雜化軌道與氫原子的 1s 形成一個 b 鍵，這樣形成一個直線型分子。同時兩個碳原子 之間分別以2py 2py , 2pz 2pz側(cè)面重疊形成兩個相互垂直的n鍵，這兩個n鍵分別處于 C C b 鍵的上下兩方和前后兩方。5. NH3 中 N 原子的 sp3 雜化sp3 雜化的N原子：, T , T ,T 。一共四個軌道，其中一個軌道上有一對“孤對電子，其他三個軌道上是單電子，是 可以與氫原子的電子成對然后成鍵。NH3 中 N 雖然是 sp

20、3 雜化，但是成了三個鍵，另一個軌道由孤對電子占據(jù)。 NH3 中 N 原子的 sp3 雜化是不等性雜化。H H H6. 硝酸根NO3-中N原子的sp2雜化氮原子 2S 軌道上的一個電子被激發(fā)到一個 2P 軌道。此時 2S 軌道上只有一個電子。 2S軌道與兩個含有單電子的 2P軌道進(jìn)行SP2雜化，形成 三個各含一個電子的 SP2雜化 軌道。氮原子有一個未雜化軌道，含兩個電子。每個氧原子的 2s 軌道與兩個分別含一個電子和兩個電子 2p 軌道進(jìn)行 sp2 雜化，形 成三個 sp2 雜化軌道。這三個雜化軌道分別含兩個電子，兩個電子，一個電子。每個氧原 子未雜化 2p 軌道有一個，含一個電子。氮原子的

21、三個SP2軌道分別和三個氧原子形成三個d鍵。這樣以來三個氧原子的三個未雜化軌道共有三個電子，氮原子未雜化 P 軌道還剩兩個電子，硝酸根自己帶有一個電 子所以總共剩余六個電子沒有填充，但是卻有四個空的 P 軌道，于是這四個軌道共同相互 重疊形成一個四中心六電子的離域n鍵。7. 乙硼烷的雜化每個硼原子的 2S 軌道和各自的三個 2P 軌道 sp3 雜化，兩個硼原子與四個氫原子形 成四個 d 鍵。這四個 d 鍵在同一平面上，另外兩個氫原子和這兩個硼原子形成了兩個垂直于該平 面的三中心兩電子離域鍵該離域鍵中的氫原子與硼原子形成的不是d鍵，也不是n鍵此三中心兩電子鍵也叫三中心兩電子橋鍵 .8. 三氟化硼

22、的雜化硼原子的 2S 軌道和兩個 2P 軌道進(jìn)行 sp2 雜化，形成 3個 sp2 雜化軌道，每個軌道 各有一個電子。硼原子有一個未雜化的 P 軌道，為不含電子的空軌道。每個氟原子的 2S 軌道和兩個分別含一個電子和兩個電子 2p 軌道進(jìn)行 sp2 雜化，形 成三個 sp2 雜化軌道。這三個雜化軌道分別含兩個電子，兩個電子，一個電子。每個氟原 子的未雜化 2p 軌道均有一個，各含兩個電子。硼原子每個 sp2 雜化軌道上的一個電子與氟原子的含一個電子的 sp 雜化軌道形成一 個廳鍵。每個氟原子提供一個全充滿的未雜化2p軌道的兩個電子，共六個電子，與硼原子的空的未雜化2p軌道形成一個四中心六電子離

23、域n鍵。所以三氟化硼共形成四個鍵：三個d鍵，一個四中心六電子離域n鍵。9 二氧化碳 (co 2 ) 的雜化碳原子 2S 軌道和一個空 2P 軌道 sp 雜化，形成兩個 sp 雜化軌道，各有一個電子。 氧原子 2S 軌道和一個含一個電子的 2P 軌道 sp 雜化，形成兩個 sp 雜化軌道，分別有有 一個電子和兩個電子。碳原子的兩個 sp 雜化軌道各與兩個氧原子的含一個電子的 sp 雜化軌道形成一個 d 鍵。氧原子還剩兩個未雜化的 2P 軌道，分別含一個電子和兩個電子，碳原子還剩兩個未 雜化的 2P 軌道，各含一個電子。碳原子和兩個氧原子一共還有六個未雜化的 2P 軌道。一個氧原子提供一個未雜化的

24、 全充滿的 2p 軌道，另一個氧原子提供一個未雜化的含一個電子的 2p 軌道，碳原子提供 一個未雜化的含一個電子的 2p 軌道，三個原子的三個 P 軌道共有四個電子，形成一個三 中心四電子的離域 n鍵。同樣三個原子的另外三個 P軌道也形成一個三中心四電子的離 域n鍵。所以上形成了兩個三中心四電子離域n鍵。co 2 的三個原子在兩個方 向所以二氧化碳共形成三個鍵：兩個d鍵，兩個三中心四電子離域 n鍵。10. 一氧化碳 (co ) 的雜化碳原子 2S 軌道和一個含一個電子 2P 軌道 sp 雜化，形成兩個 sp 雜化軌道，各有一 個電子和兩個電子。氧原子 2S 軌道和一個含一個電子的 2P 軌道

25、sp 雜化，形成兩個 sp 雜化軌道，分別有一個電子和兩個電子。碳原子的含一個電子 sp 雜化軌道與氧原子的含一個電子的 sp 雜化軌道形成一個 d 鍵。氧原子還剩兩個未雜化的 2P 軌道，分別含一個電子和兩個電子。碳原子還剩兩個未 雜化的 2P 軌道，分別為含一個電子的軌道和空軌道。氧原子的含一個電子未雜化 2p 軌道，與碳原子的含一個電子未雜化 2p 軌道形成一 個定域n鍵；氧原子一個全充滿的未雜化 2p軌道，與碳原子的未雜化空 2p軌道形成一 個定域n鍵(定域n配鍵)。所以一氧化碳共形成了三個鍵：一個d鍵，兩個定域n鍵一個定域n鍵，一個定域n配鍵。11. PCL5 的 sp3d 雜化雜類

26、型P 的 3S 軌道上的一個電子被激發(fā)到 3d 軌道。這樣， 3 s 軌道、三個 3p 軌道和一個 3d 各有一個電子，這五個軌道進(jìn)行 sp3d 雜化，得到 5 個 sp3d 雜化軌道。由于每個氯原子只形成一個鍵，且為 d 鍵，所以五個氯原子都不進(jìn)行雜化。 P 原子 的5個sp3d雜化軌道與每個氯原子的含單電子的3p軌道形成5個d鍵。所以五氯化磷一共形成五個鍵，而且均為 d 鍵。12. 氧氣的雜化氧氣是雙原子分子，每個氧原子的 2s 軌道和含單電子的 2p 軌道進(jìn)行 sp 雜化。形成 兩個 sp 雜化軌道，這兩個雜化軌道分別有一個電子和兩個電子。每個氧原子有兩個未雜 化 2p 軌道，分別有一個

27、電子和兩個電子。兩個氧原子的兩個含單電子的 sp 雜化軌道形成一個 d 鍵；一個氧原子含 單電子的未雜化 2p 軌道與另一個氧原子的含兩個電子未雜化 2p 軌道形成一個兩中 心三電子定域n鍵，這樣，共可以形成兩個兩中心三電子定域n鍵，這兩個定域 n鍵分別位于兩個氧原子的兩個方向。所以氧氣分子共形成三個鍵，一個d鍵，兩個兩中心三電子定域 n鍵。13. 臭氧的雜化中心0原子的2s軌道和兩個含單電子 2p軌道進(jìn)行sp2雜化，形成三個sp2雜化軌 道。這三個雜化軌道其中兩個含一個電子，一個含兩個電子。中心 O 原子的未雜化 2p 軌 道有一個，含兩個電子。兩側(cè)的每個 0 原子的 2s 軌道與兩個分別含一個電子和兩個電子 2p 軌道進(jìn)行 sp2 雜 化，形成三個 sp2 雜化軌道。這三個雜化軌道分別含兩個電子，兩個電子，一個電子。兩 側(cè)的每個氧原子有一個未雜化 2p 軌道，均含一個電子。中心氧原子的兩個含單電子的 sp2雜化軌道分別與兩側(cè)氧原子的含單電子的sp2雜化軌道形成一個 d 鍵；中心氧原子的含兩個電子的未雜化 2p 軌道與兩側(cè)的每一個氧原子的