结构化学

α cos θ = 1α
下面给出几种s、 轨道等性杂化的空间角度分布图 轨道等性杂化的空间角度分布图： 下面给出几种 、p轨道等性杂化的空间角度分布图： sp杂化轨道 杂化轨道 sp杂化轨道是碳原子在成键过程中，碳的激发态的一个2s轨道与一个2P 轨道重新组合杂化形成两个相同的sp杂化轨道。这两个轨道夹角为180°， 呈直线形。未参与杂化的两个互相垂直的P轨道又都垂直于sp杂化轨道 （见下图）。炔烃分子中碳碳三键的碳原子和其他化合物中含有三键的 碳原子均为sp2杂化。
sp3杂化轨道 碳原子在基态时的电子构型为 。按理只有2px和 2py可以形成共价键，键角应为 90°。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28。这是 因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，成为 。然 后3个p 轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。其形状一头 大一头小。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向 正四面体的四个顶点， sp3轨道间的夹角是109°28 烷经和其他化合物分子中的饱和碳原子均为sp3杂化。 杂化。
1S 2S 2Px 2Py 2Pz
σ
排布结构；然后由C原子的1个2S轨道与3个2P轨道进行等性杂化，从而 形成4个新的 能量相同的 杂化轨道，并分别与4个H原子的1S轨道发生电 子云重叠，组成4个 键，形成呈正四面体结构的分子。这与实验测得的 结果完全相符。
例2： (1). O3分子的键角为116.8°，这是不等性杂化，若用杂化轨 ψ = c1ψ 2 s + c1ψ 2 p 描述中心原子的杂化情况， 道 试求成键杂化轨道中的c1和c2值。 解： 2 2 即：
小结：
我们已开始听说要写专题时，在老师未给题目时，就拟订了要写量子力 学大师pauling，因为其对于物质结构及量子力学的贡献当代无人能出其右。 而且它不仅在化学领域，在生物等领域建树颇多，使得我们比较关注他。限 于我们对结构化学的学习以及知识的掌握仍很浅显，所以我们只能对于他提 出的杂化轨道理论这一方面进行进一步的认识和了解。 首先我们俩对杂化轨道理论的共识是中心原子有一定的原子轨道，但是当 它想和别人化合是轨道又不对称，于是就于其他轨道进行杂化形成自己的新 的杂化轨道，以方便化合。举个例子就是有个人很喜欢另一个的话，他一定 会创造出非常有利于自己的条件来赢得他人的心！森之改变自己的性格、行 为。所以他要进行杂化。 杂化又分为等性和不等性两类，其量子理论比较复杂我们不易理解，就没 有列出，我们只列出比较好懂的部分来帮助我们理解。根据对杂化轨道的推 导也有助于我们对其有一个直观理性的认识，例如前面我们举的例子中就可 以看出一些分子的结构特点。
sp2杂化轨道
碳原子在成键过程中，首先是碳的基态2s轨道中的一个电子激发到2Pz空轨道， 然后碳的激发态中一个2s轨道和二个2P轨道重新组合杂化，形成三个相同的 sp2杂化轨道。每一个sp2杂化轨道均由 s/3与2p/3轨道杂化组成，这三个sp2 杂化轨道在同一平面，夹角为120°。未参与杂化的2Pz轨道，垂直于三个sp2 杂化轨道所处的平面（见下图）。烯烃分子中构成双键的碳原子和其他不饱 和化合物分子中构成双键的碳原子均为sp2杂化。
结构化学专题
——Pauling和杂化轨道理论 ——Pauling和杂化轨道理论
作者：化学教育022班 张伟 022414201 李路路 022414212
Pauling简介：
鲍林是著名的量子化学家，他在化学的多 个领域都有过重大贡献。曾两次荣获诺贝尔 奖金（1954年化学奖， 1962年和平奖）， 有很高的国际声誉。 作为科学家，鲍林提出了化学键的共价键 理论，发现了蛋白质的α螺旋结构，1954年 因为“对化学键本质的研究并将其应用于复 杂物质的机构研究”获得诺贝尔化学奖。 作为政治活动家，在美国麦卡锡主义盛行 的时代投身于反对核武器与捍卫言论自由的 活动，1962年获得诺贝尔和平奖。 他系统地研究了化学物质的组成、结构、 性质三者的联系，同时还从方法论上探讨了 决定论和随机性的关系。他最感兴趣的问题 是物质结构，他认为，人们对物质结构的深 入了解，将有助于人们对化学运动、的全面 认识。
自测题：
1. 比较SP3、SP2、SP杂化轨道，简述其特点。 2．求s-p等性杂化轨道的波函数 3、在HCHO分子中，四个原子处在同一平面上，C原子采用的杂化 是 A sp B sp2 C sp3 D 其他杂化形式 4、OF2分子中O原子的杂化轨道类型是 A sp2 B sp C 等性sp3 D 不等性sp3
α = (0.4508)(1 α ) / α = 0.6107 β = 1 0.3107= 0.6893 β /α = 0.6893 0.3107= 2.22 ,
ψ 1, 2 = 0.3107ψ s + 0.6893ψ p
cosθ = c1 / c2 = α / β = α /(1 α ) cos 116 .8° = α /(1 α )
杂化轨道理论的应用： 例1、以CH4 分子结构为例加以说明：由于C原子的基态核外电子的排布
为：
1S 2 2 S 2 2 Px1 2 Py1
只有两个未成对电子说，根据VB法，它只能形成两个共价键，且键角应 。 该是90 ，这与由实验测得的分子为正四面体，C-H键间的夹角为 109°28显然不相符。而应用杂化轨道理论就能很好地解释CH4 分子的 结构。杂化轨道理论认为，在形成CH4分子时，由于C原子的2S轨道与2P 轨道能量相近，因此2S轨道中的1个S电子先激发到2Pz轨道中去，使C原 子形成： 1 2 1 1 1
[9] 周永洽．无机分子立体化学[M]．天津：南开大学出版社，1988． [10]武汉大学，吉林大学．无机化学(第二版)[M]．北京：高等教育出版社，1983．
即：
这是中心氧原子与邻近两个氧原子成键的两个杂化轨道，另 ' 一个杂化轨道为孤对电子占据，其α ' , β 分别如下：
α ' = 1 2 × 0.3107= 0.3786 β ' = 1 0.3786 = 0.6214 sp1.64 β ' / α ' = 0.6214 / 0.3786 = 1.64
二、理论基础
按照量子力学近似处理方法， 按照量子力学近似处理方法，杂化轨道可以看作是由原子中能量相 近的s和 原子轨道的波函数 也有d轨道的波函数 原子轨道的波函数（ 轨道的波函数） 近的 和p原子轨道的波函数（也有 轨道的波函数）的线形组合
根据上面的推导可以得到杂化轨道基本公式： 根据上面的推导可以得到杂化轨道基本公式
ααj + (1αi ) (1αj )cosθij = 0 i
αi ,α j
当等性杂化时： 当等性杂化时：
是轨道中所含的s和 成分 是轨道中所含的 和p成分
αi = α j
根据上式可以对不同类型的等性杂化轨道在空间的 角度分布进行讨论。 角度分布进行讨论。 1、杂化 由一个 轨道与一个 轨道进行杂化，可得到 由一个S轨道与一个 轨道进行杂化， 、杂化;由一个 轨道与一个p轨道进行杂化 可得到2 杂化轨道， 轨道中的s成分为 个sp杂化轨道，可以证明当每个 轨道中的 成分为 杂化轨道 可以证明当每个sp轨道中的 成分为1/2 所形成的杂化轨道的成键能力最强。因此， 时，所形成的杂化轨道的成键能力最强。因此，取a=1 o 代入上式。可以求得： 代入上式。可以求得： θ = 180 说明sp杂化轨道在空间上时呈直线分布的 杂化轨道在空间上时呈直线分布的。 说明 杂化轨道在空间上时呈直线分布的。对于其他两 种情况a分别取 分别取1/3、 可得分别为平面三角形和正四 种情况 分别取 、1/4可得分别为平面三角形和正四 面体
首先我们看下甲烷，其中有四个等性杂化 轨道，因为是等性的杂化轨道所以呈现出 正四面体的空间分布，而且键长、键角等 都是相同的，所以其几何构型如下图： CH4： 而臭氧分子中因为含有孤对电子，而采用 不等性杂化，又由于孤对电子较大，孤对 电子占据的轨道中s成分较多，所以占据的 空间较大使得臭氧分子成为角形分子
杂化轨道理论的成因：
鲍林在探索化学键理论时，遇到了甲烷的正四面体结 构的解释问题。传统价键理论认为，原子在未化合前外层 有未成对的电子，这些未成对电子如果自旋反平行，则可 两两结成电子对，在原子间形成共价键。一个电子与另一 电子配对以后，就不能再与第三个电子配对。在原子相互 结合成分子时，靠的是原子外层轨道重叠，重叠越多，形 成的共价键就越稳定一这种理论，无法解释甲烷的正四面 体结构。 杂化轨道理论由1931年鲍林(LPauling)和斯来脱 (JCSlater)首先提出，后又被我国量子化学家唐敖庆教授 等人进一步完善（1）。该理论在解释、分析多原子分子的 结构与其种种性质，特别是与其分子几何构型之间的关系 方面有独到之处。
参考文献： 参考文献： [1】邓存，刘怡春．结构化学基础M】．北京：高等教育出版社．1983． [2]徐光宪，王祥云．物质结构(第二版)[M]．北京：高等教育出版社， 1987． [3]周公度，段连运．结构化学基础(第二版)[M]．北京：北京大学出版社， 1995． [4]应用于分子构型的比较研究>朱斌 四川I师范学院学报(自然科学 版)2003年6月第24卷第2期 [5] 《化学键理论及分子的空间构型》，雷家珩、郭丽萍编著，化学工业出 版社，2004 [6]盂庆珍，胡鼎文．无机化学M]．北京：北京师范大学出版社。1987． [7]田荷珍．无机化学疑难问题解答[M】．北京：北京师范大学出版 社．1987． [8]王致勇．无机化学原理．北京：清华大学出版社，1983
杂化轨道理论： 杂化轨道理论：
一、基本概念： 基本概念
杂化轨道 ：多原子分子在成键时，可以不哟平内阁原来的分子轨道， 而是由中心原子中能量相近的各个原子轨道，通过线形组合而形成成键能 力更强的新的原子轨道——杂化轨道 杂化：上述过程叫杂化。 杂化 杂化轨道数：等于参加杂化的原子轨道数目之和。 杂化轨道数 如： sp杂化—s + p 杂化轨道数 = 2 杂化轨道的组成：参加杂化的原子轨道平均化。 杂化轨道的组成 杂化轨道的特征—角度分布图有大、小头，有利于成键 杂化轨道的特征 （提高重叠程度）。