杂化轨道理论PPT课件

• 甲烷分子中，四个σ键夹角为109°28′，分子构型 为正四面体型。 乙烷分子中，除σC- H外，还存在σC- C 键 （CH3-CH3 ）
σ键的成键特点
1). “头碰头”成键，电子云近似圆柱形分布； 2). σ键可以旋转； 3). σ键较稳定，存在于一切共价键中。
因而，只含有σ键的化合物性质是比较稳定的 （烷烃）。
π键
在乙烯分子中，碳原子采取sp2 杂化。 另有一个p轨道不参与杂化，而形成另一 类型的共价键π键。
未杂化的p轨道可以“肩并肩”平行重叠成键， 形成π键。构成π键的电子叫做π电子。
π键的成键特点
1). “肩并肩”成键； 2). 电子云重叠程度不及σ键，较活泼； 3). π键必须与σ键共存； 4). π键不能自由旋转。 因而，具有π键的化合物性质较活泼（烯烃、炔烃等）。
表1-1 碳原子的三种杂化类型
类 实 碳原个
别例
的
杂化类
型
烷 甲烷
sp3
烯 乙烯
sp2
炔 乙炔
spHale Waihona Puke Baidu
用于杂化 杂化轨 杂化轨道 几何构
的原子轨 道的数 的夹角 型
道
目
1个s 3个p 1个s 2个p 1个s 1个p
4个sp3 3个sp2 2个sp
109°28′ 120° 180°
正四面体 正三角形 直线形
sp2 杂化
由2s轨道核两个2p轨道杂化，形成三个等同 的sp2 杂化轨道。另有一个2p轨道不参与杂 化。
• a). 杂化轨道成分：1/3s轨道和2/3p轨道； • b). 成键能力较sp3杂化轨道弱，但较未杂
化轨道强； • c). 杂化轨道呈平面三角形，夹角120°。未
杂化2p轨道垂直于这一平面。
sp 杂化
由2s轨道核一个2p轨道杂化，形成两个等同的sp 杂化轨道。另有两个2p轨道不参与杂化。
• a). 杂化轨道成分：1/2s轨道和1/2p轨道； • b). 成键能力较sp2杂化轨道弱，但较未杂化
轨道强； • c). 杂化轨道呈直线型，夹角180°。另两个未
杂化2p轨道与这一直线两两垂直。
电子轨道示意图
价键理论（VB，valence bond theory）
价键理论的三个要点：
1. 定域性：自旋反平行的两个电子绕核做高速 运动，属于成键原子共同所有。电子对在两核 之间出现的几率最大；
• 2. 饱和性：每个原子成键的总数或以单键连 接的原子数目是一定的。原子中的成单电子数 决定成键总数；
能量最低原理
• 不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是 尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨 道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。也 就是尽可能使体系能量最低。
洪特规则
• 在等价轨道(指相同电子层、电子亚层上的各个轨 道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自 旋方向相同。后来经量子力学证明，电子这样排 布可能使能量最低，所以洪特规则也可以包括在 能量最低原理中。
• 3. 方向性：原子轨道有一定的方向性（s，p， d），与相连原子轨道重叠成键要满足最大重 叠条件。因此，一个原子与周围原子形成共价 键有一定的角度。
原子轨道重叠情况示意图
成键方向对分子结构的影响
杂化轨道理论（hybrid orbital theory）
• 1. 杂化与杂化轨道：杂化是指在形成分子 时，由于原子间的相互影响，若干不同类 型而能量相近的原子轨道混合起来，重新 组合成一组新轨道的过程。所形成的新轨 道称为杂化轨道。
（2）p-π共轭：与双键碳原子相连的原子，由于共平面，其 p轨道与双键的π轨道平行并发生侧面重叠，形成共轭体系。
• 形成共轭体系的条件是： （1）有关的原子必须在同一平面上； （2）必须有可实现平行重叠的p轨道； （3）要有一定数量供成键用的p电子。
诱导效应
在多原子分子中，由于成键原子和基团之间的电负性 不同，不仅使成键原子之间电子云密度呈不对称分布， 键上产生极性，而且会引起分子中其它原子之间的电 子云沿着碳链向电负性大的原子一方偏移，往往使共 价键的极性也发生变化。通常把这种不直接相连原子 间的相互影响称为诱导效应，用符号I表示。
• 2. 孤立的原子不可能发生杂化，只有在形 成分子的过程中才会发生。
• 3. 在杂化前后，原子轨道的数目保持不变。
• 4. 条件不同，杂化轨道类型可能不同。
sp3 杂化
• 这是用一个2s轨道和三个2p轨道进行的杂化，故称 为sp3 杂化。与基态轨道相比，杂化轨道具有以下 特点：
• a). 能量相等，成分相同（1/4s轨道和3/4p轨 道）； b). 杂化轨道的电子云分布更集中，可使成键轨 道间的重叠部分增大，成键能力增强； c) sp3 杂化轨道在空间尽量伸展，呈最稳定正四 面体型，轨道夹角109°28′。 sp3 杂化又称为正四 面体杂化。
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2019/8/15
1.4 共价键的属性
σ键和π键
共价键具有方向性。按照成键的方向 不同，分为σ键和π键。 σ键和π键是两 类重要的共价键。
σ键
在甲烷分子中，存在四个等同的C-H 键，碳原子采取sp3 杂化。取一个杂化 轨道进行分析
当氢原子的1s轨道沿着对称轴的方向与碳原子sp3 杂化 轨道重叠时，原子轨道重叠程度最大，形成的共价键最牢 固。由原子轨道是立体对称的，原子轨道绕轴的旋转不影 响成键，因而，形成的键是可以自由旋转的。这种沿着对 称轴的方向以“头碰头”的方式相互重叠形成的键叫做σ 键。构成σ键的电子称为σ电子。一个σ键包括两个σ电子。
共轭 键与键的重叠，使电子离域,体系稳定。
共
轭 p-共轭 p轨道与键的重叠，使电子离域,体系稳定。
共轭体系（conjugated system）是指分子中发生电子离域 的部分，可以是分子的一部分或是整个分子。共轭体系有以下 几类：
（1）π-π共轭：在链状分子中，凡双键、单键交替排列的 结构都属此类。
杂化轨道理论
原子结构示意图
泡利不相容原理
• 泡利不相容原理指在原子中不能容纳运动状态完 全相同的电子。又称泡利原子不相容原理。1925 年由奥地利物理学家W．泡利提出。一个原子中 不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和 自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个 电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形 对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向 必然相反。每一轨道中只能客纳自旋相反的两个 电子，每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每 层最多容纳电子数是2n2。