无机化学 杂化轨道理论 PPT课件
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5. 4 杂化轨道理论
价键理论中讲过，CH4 形 成的过程中， 碳原子有激发的 步骤，以得到 4 个单电子。
激发
2s 2p
2s 2p
显然，这 4 个单电子所在 的原子轨道不一致。
利用这些原子轨道与 4 个 H 原子形成的化学键，应该不 完全相同。
也不应该指向正四面体的 4 个顶点。
既然如此，形成的 CH4 为什么会是正四面体结构 ？
pz
每个 C 原子各有一条未参加 杂化的 pz 轨道，它们垂直于分子 平面，互相平行。
故相邻的 C－C 之间有 键， 如图所示，有 3 个等同的 键。
这样的解释，将得出苯环有 3 个单键， 3 个双键，即 6 个碳－碳 键的强度不一致的结论。
这与实验测试结果不相符合。 测试结果表明苯中不仅 6 个 C 等同，6 个 H 等同， 而且 6 个 C－C 键等同。
意思是 6 个电子不再属于哪个 原子，而是在 6 个碳的原子轨道中 运动。
这个过程叫做轨道的杂化，产生 的新轨道叫做杂化轨道。
形成 CH4 分子时，中心 碳原子的 2s 和 2px，2py，2pz 等 4 条原子轨道发生杂化。
产生一组新的原子轨道， 即 4 条 sp3 杂化轨道。
这些 sp3 杂化轨道不同于 s 轨 道，也不同于 p 轨道。
杂化轨道有自己的波函数、能 量、形状和空间取向。
5. 4. 2 杂化轨道的数目、形状、 成分和能量
杂化过程中形成的杂化轨道的 数目，等于参加杂化的轨道的数。
CH4 中参加杂化的有 2s，2px， 2py，2pz 共 4 条原子轨道。
形成的杂化轨道也是 4 条。 4 条形状和能量完全相同的 sp3 杂化轨道。
杂化过程的实质是波函数 的线性组合，得到新的波函数 —— 杂化轨道的波函数。
故乙炔分子为直线形。
激发
杂化
py pz
C 中未杂化的 py 与另一 C 中 未杂化的 py 沿纸面方向成 键；
而 pz 与 pz 沿与纸面垂直方向 成 键。
碳碳三键： 一个 键， 两个 键
二氧化碳分子直线形 碳氧之间有双键
OCO C sp 杂化
激发 杂化
py pz
激发
杂化
py pz
Be 2s2 2p0 sp 杂化
激发 杂化
两条 sp 杂化轨道呈直线形分布， 分别与两个 Cl 的 3p 轨道成键。
故 BeCl2 分子为直线形。
乙炔分子直线形，碳碳之间有三键 H CC H
C sp 杂化
激发
杂化
py pz
两条 sp 杂化轨道互成 180°
激发
杂化
py pz
C 的 sp 杂化轨道 —— H 的 1s， C 的 sp —— C 的 sp 均成 键。
。
在 sp2 杂化中，
s 占 1 ，p占 2 。
3
3
s 和 p 之间形成的杂化轨道， 其能量高于 s，低于 p。
其中 p 的成份越多能量越高。
p
E
sp3
sp2
sp s
5. 4. 3 各种杂化轨道在空间的分布
sp 杂化 两条杂化轨道呈
直线形分布。 互成 180°角。
sp2 杂化
3 条杂化轨道指向正三角形
例如 s 和 px 杂化，产生两条
杂化轨道，分别用 1 和 2 表示：
1 =
1 2
s
+
1 2
p
2 =
1 2
s －
1 2
p
杂化轨道有自身的波函数， 当然有自身的轨道角度分布。
+
+
+=
s 轨道
p 轨道
+
sp 杂化轨道
在 sp 杂化轨道中，
s
和
p
的成份各
1 2
C 与 O 之间 sp － 2px 成 键，决定了 O－C－O 分子 为直线形。
来自百度文库
激发
杂化
py pz
C 中未杂化的 py 与左边 O 的
py 沿纸面方向成 键；
激发
杂化
py pz
C 中未杂化的 pz 与右边 O 的 pz 沿垂直于纸面的方向成 键。
故 CO2 分子中有两个碳氧双键 OCO
两点结论 ① 分子构型由 键确定； ② 键在 键基础上形成。
2. sp2 杂化
BCl3 平面三角形构型 B sp2 杂化
3 条 sp2 杂化轨道呈三角形分 布，分别与 3 个 Cl 的 3p 成 键。
故 BCl3 分子构型为三角形。
乙烯 H－C－H 键角约为 120°
H
H
CC
又 AlCl3 键角 120° NH4+ 键角 109°28′
在成键过程中，轨道之间 的夹角是怎样形成的 ？
这些问题用价键理论难以 解释。
1931 年鲍林提出杂化轨道 理论，非常成功地解释了构型方 面的这类问题。
杂化轨道理论发展了价键理 论，可以对已知构型进行解释。
5. 4. 1 杂化概念
在形成多原子分子的过程中，中 心原子的若干能量相近的原子轨道重 新组合，形成一组新的原子轨道。
的三个顶点
交角 120°
sp3 杂化 4 条杂化轨道，正四面体
交角 109°28′
sp3d 杂化 5 条杂化轨道，三角双锥
三种交角 90°，120°和 180°
sp3d2 杂化 6 条杂化轨道，正八面体
两种交角 90°和 180°
5. 4. 4 用杂化轨道理论解释构型
1. sp 杂化
BeCl2 分子直线形，用杂化轨道 理论分析其成键情况，说明直线形构 型的原因。
事实上，6 条 pz 轨道对称性 一致，互相重叠，可以认为形成大
键，写成
6 6
，表示如下图
6 6
中右下的 6 表示 6 个原子轨
道对称性一致，互相重叠；
右上的 6 表示在大 键的轨道 中有 6 个电子。
6 6
称为 6 中心 6 电子键。
这个 键也称为不定域 键， 或离域 键。
平行，两个 pz 之间成 键。
＋
＋
－
－
故乙烯中有 C = C 的存在。
苯 C6H6 平面正六边形
键角 C－C－C 120° H－C－C 120°
C sp2 等性杂化 pz
pz 3 条杂化轨道互成 120°角 C － C sp2－sp2 键 C － H sp2－1s 键 6 个 C，6 个 H 形成苯分子平面。
H
H
中心 C 原子 sp2 等性杂化
pz
pz
H
H
CC
H
H
C－C sp2 － sp2
C－H sp2 － s
均为 键
pz
H
H
CC
H
H
以碳为中心，形成三角形， 同时确定乙烯的分子平面。
pz
H
H
CC
H
H
H－C－H 键角为 120°
pz
H
H
CC
H
H
两个 C 原子中未参加杂化的 pz 轨道，垂至于乙烯的分子平面，互相
价键理论中讲过，CH4 形 成的过程中， 碳原子有激发的 步骤，以得到 4 个单电子。
激发
2s 2p
2s 2p
显然，这 4 个单电子所在 的原子轨道不一致。
利用这些原子轨道与 4 个 H 原子形成的化学键，应该不 完全相同。
也不应该指向正四面体的 4 个顶点。
既然如此，形成的 CH4 为什么会是正四面体结构 ？
pz
每个 C 原子各有一条未参加 杂化的 pz 轨道，它们垂直于分子 平面，互相平行。
故相邻的 C－C 之间有 键， 如图所示，有 3 个等同的 键。
这样的解释，将得出苯环有 3 个单键， 3 个双键，即 6 个碳－碳 键的强度不一致的结论。
这与实验测试结果不相符合。 测试结果表明苯中不仅 6 个 C 等同，6 个 H 等同， 而且 6 个 C－C 键等同。
意思是 6 个电子不再属于哪个 原子，而是在 6 个碳的原子轨道中 运动。
这个过程叫做轨道的杂化，产生 的新轨道叫做杂化轨道。
形成 CH4 分子时，中心 碳原子的 2s 和 2px，2py，2pz 等 4 条原子轨道发生杂化。
产生一组新的原子轨道， 即 4 条 sp3 杂化轨道。
这些 sp3 杂化轨道不同于 s 轨 道，也不同于 p 轨道。
杂化轨道有自己的波函数、能 量、形状和空间取向。
5. 4. 2 杂化轨道的数目、形状、 成分和能量
杂化过程中形成的杂化轨道的 数目，等于参加杂化的轨道的数。
CH4 中参加杂化的有 2s，2px， 2py，2pz 共 4 条原子轨道。
形成的杂化轨道也是 4 条。 4 条形状和能量完全相同的 sp3 杂化轨道。
杂化过程的实质是波函数 的线性组合，得到新的波函数 —— 杂化轨道的波函数。
故乙炔分子为直线形。
激发
杂化
py pz
C 中未杂化的 py 与另一 C 中 未杂化的 py 沿纸面方向成 键；
而 pz 与 pz 沿与纸面垂直方向 成 键。
碳碳三键： 一个 键， 两个 键
二氧化碳分子直线形 碳氧之间有双键
OCO C sp 杂化
激发 杂化
py pz
激发
杂化
py pz
Be 2s2 2p0 sp 杂化
激发 杂化
两条 sp 杂化轨道呈直线形分布， 分别与两个 Cl 的 3p 轨道成键。
故 BeCl2 分子为直线形。
乙炔分子直线形，碳碳之间有三键 H CC H
C sp 杂化
激发
杂化
py pz
两条 sp 杂化轨道互成 180°
激发
杂化
py pz
C 的 sp 杂化轨道 —— H 的 1s， C 的 sp —— C 的 sp 均成 键。
。
在 sp2 杂化中，
s 占 1 ，p占 2 。
3
3
s 和 p 之间形成的杂化轨道， 其能量高于 s，低于 p。
其中 p 的成份越多能量越高。
p
E
sp3
sp2
sp s
5. 4. 3 各种杂化轨道在空间的分布
sp 杂化 两条杂化轨道呈
直线形分布。 互成 180°角。
sp2 杂化
3 条杂化轨道指向正三角形
例如 s 和 px 杂化，产生两条
杂化轨道，分别用 1 和 2 表示：
1 =
1 2
s
+
1 2
p
2 =
1 2
s －
1 2
p
杂化轨道有自身的波函数， 当然有自身的轨道角度分布。
+
+
+=
s 轨道
p 轨道
+
sp 杂化轨道
在 sp 杂化轨道中，
s
和
p
的成份各
1 2
C 与 O 之间 sp － 2px 成 键，决定了 O－C－O 分子 为直线形。
来自百度文库
激发
杂化
py pz
C 中未杂化的 py 与左边 O 的
py 沿纸面方向成 键；
激发
杂化
py pz
C 中未杂化的 pz 与右边 O 的 pz 沿垂直于纸面的方向成 键。
故 CO2 分子中有两个碳氧双键 OCO
两点结论 ① 分子构型由 键确定； ② 键在 键基础上形成。
2. sp2 杂化
BCl3 平面三角形构型 B sp2 杂化
3 条 sp2 杂化轨道呈三角形分 布，分别与 3 个 Cl 的 3p 成 键。
故 BCl3 分子构型为三角形。
乙烯 H－C－H 键角约为 120°
H
H
CC
又 AlCl3 键角 120° NH4+ 键角 109°28′
在成键过程中，轨道之间 的夹角是怎样形成的 ？
这些问题用价键理论难以 解释。
1931 年鲍林提出杂化轨道 理论，非常成功地解释了构型方 面的这类问题。
杂化轨道理论发展了价键理 论，可以对已知构型进行解释。
5. 4. 1 杂化概念
在形成多原子分子的过程中，中 心原子的若干能量相近的原子轨道重 新组合，形成一组新的原子轨道。
的三个顶点
交角 120°
sp3 杂化 4 条杂化轨道，正四面体
交角 109°28′
sp3d 杂化 5 条杂化轨道，三角双锥
三种交角 90°，120°和 180°
sp3d2 杂化 6 条杂化轨道，正八面体
两种交角 90°和 180°
5. 4. 4 用杂化轨道理论解释构型
1. sp 杂化
BeCl2 分子直线形，用杂化轨道 理论分析其成键情况，说明直线形构 型的原因。
事实上，6 条 pz 轨道对称性 一致，互相重叠，可以认为形成大
键，写成
6 6
，表示如下图
6 6
中右下的 6 表示 6 个原子轨
道对称性一致，互相重叠；
右上的 6 表示在大 键的轨道 中有 6 个电子。
6 6
称为 6 中心 6 电子键。
这个 键也称为不定域 键， 或离域 键。
平行，两个 pz 之间成 键。
＋
＋
－
－
故乙烯中有 C = C 的存在。
苯 C6H6 平面正六边形
键角 C－C－C 120° H－C－C 120°
C sp2 等性杂化 pz
pz 3 条杂化轨道互成 120°角 C － C sp2－sp2 键 C － H sp2－1s 键 6 个 C，6 个 H 形成苯分子平面。
H
H
中心 C 原子 sp2 等性杂化
pz
pz
H
H
CC
H
H
C－C sp2 － sp2
C－H sp2 － s
均为 键
pz
H
H
CC
H
H
以碳为中心，形成三角形， 同时确定乙烯的分子平面。
pz
H
H
CC
H
H
H－C－H 键角为 120°
pz
H
H
CC
H
H
两个 C 原子中未参加杂化的 pz 轨道，垂至于乙烯的分子平面，互相