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1、原子杂化轨道理论原子杂化轨道理论1、共价键的形成条件、共价键的形成条件?2、共价键的成键特征是什么？、共价键的成键特征是什么？ 按照共价键的成键过程中按照共价键的成键过程中,一个原子有几个未成对电一个原子有几个未成对电子子,通常只能和几个通常只能和几个自旋相反自旋相反的电子形成共价键的电子形成共价键,所以所以在共价分子中在共价分子中,每个原子形成共价键的数目是每个原子形成共价键的数目是一定一定,这这就是共价键的就是共价键的“饱和性饱和性”.如如HF而不是而不是H2F。2s 2p2s 2p2s 2p2s 2px x x x 2p 2p 2p 2py y y y 2p 2p 2p 2pz z z
2、z CC原子的电子排布式是原子的电子排布式是1s22s22p2,从轨道表示式从轨道表示式 看出只有两个未成对电子看出只有两个未成对电子,只能只能形成两个共价键形成两个共价键,但甲烷但甲烷CH4分子中形成四个共价分子中形成四个共价键键,且键角是且键角是109.50,怎么解释怎么解释?为解决这一矛盾为解决这一矛盾, ,鲍林提出了杂化轨道理论鲍林提出了杂化轨道理论. .原子在形成分子时原子在形成分子时, ,为了增强成键能力为了增强成键能力, ,使分子的使分子的稳定性增加稳定性增加, ,趋向于将不同类型的原子轨道重新趋向于将不同类型的原子轨道重新组合成能量、形状和方向与原来不同的新原子轨组合成能量、形
3、状和方向与原来不同的新原子轨道道; ;这种重新组合称为杂化这种重新组合称为杂化; ;杂化后的原子轨道称杂化后的原子轨道称为杂化轨道为杂化轨道. . 一一.杂化轨道理论简介杂化轨道理论简介注意点注意点(1)只有能量相近的轨道才能相互杂化。只有能量相近的轨道才能相互杂化。(2)形成的杂化轨道数目等于参加杂化的原子轨道数目。形成的杂化轨道数目等于参加杂化的原子轨道数目。(3)杂化轨道成键能力大于原来的原子轨道杂化轨道成键能力大于原来的原子轨道 -因为杂化因为杂化轨道的形状变成一头大一头小了轨道的形状变成一头大一头小了,用大的一头与其他原用大的一头与其他原子的轨道重叠子的轨道重叠,重叠部分显然会增大。
4、重叠部分显然会增大。二、杂化轨道理论1、SP3杂化（以甲烷的分子结构为例）基态基态激发态激发态 杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，C C原子原子 上的一个上的一个2s2s电子可被激发到电子可被激发到2p2p空轨道上，形成空轨道上，形成四个单键，这时虽然解决了四个单键，这时虽然解决了4 4个共价键的问题，个共价键的问题，但是如果这但是如果这4 4个轨道，即个轨道，即1 1个个s s轨道和轨道和3 3个个p p轨道，轨道，分别与分别与4 4个氢原子结合，形成个氢原子结合，形成4 4个键能量是不同的，个键能量是不同的，这与事实不符。这与事实不符。 杂化轨道还认为
5、：在成键过程中，这杂化轨道还认为：在成键过程中，这4 4个不同的轨个不同的轨道重新组合成道重新组合成4 4个能量相等的新轨道，由于是由个能量相等的新轨道，由于是由1 1个个s s与与3 3个个p p轨道组合而成，因而新轨道称作轨道组合而成，因而新轨道称作spsp3 3杂化轨杂化轨道。每一个道。每一个spsp3 3杂化轨道含杂化轨道含1/4s1/4s成分和成分和3/4p3/4p成分成分. .激发态激发态杂化态杂化态杂化杂化这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键，形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。杂化态杂化态 问题： 在CH4分子形成过程中，C原子的轨道为什么要激发，杂化？激发过
6、程所需的能量从哪里来？S S轨道轨道p p轨道轨道SpSp杂化轨道杂化轨道CHCH4 4分子的空间结构分子的空间结构spsp2 2杂化杂化: :三个夹角为三个夹角为120120的平面三角形杂化轨道的平面三角形杂化轨道。2. sp2 杂化杂化同同一一个个原原子子的的一一个个ns轨轨道道与与两两个个np轨轨道道进进行行杂杂化化组组合合为为sp2杂化轨道杂化轨道.x y z x y z z x y z x y z 1202s2pB的基态的基态2p2s激发态激发态正三角形正三角形sp2 杂化态杂化态BF3分子形成分子形成BFFF激发激发120用杂化轨道理论分析用杂化轨道理论分析乙烯分子乙烯分子的成键情
7、况的成键情况sp2杂化的杂化的C sp2杂化的杂化的C 相互靠拢相互靠拢 分子中分子中2 2个平行个平行形成形成s-s-骨架骨架 的的p轨道形成轨道形成p p 键键 碳的碳的sp2杂化轨道杂化轨道 同同一一原原子子中中 ns-np 杂杂化化成成新新轨轨道道：一一个个 s 轨轨道道和一个和一个 p 轨道杂化组合成两个新的轨道杂化组合成两个新的 sp 杂化轨道。杂化轨道。3. sp 杂化杂化夹角为夹角为180180的直线形杂化轨道的直线形杂化轨道x y z x y z z x y z x y z 180BeCl2分子形成分子形成激发激发2s2pBe基态基态2s2p激发态激发态杂化杂化直线形直线形s
8、p杂化态杂化态键合键合直线形直线形化合态化合态Cl Be Cl180 等性杂化与不等性杂化等性杂化与不等性杂化 基态基态O 的最外层电子构型为的最外层电子构型为2s22p4，在，在 H 的的影响下，影响下，O 采用采用sp3 不等性杂化，形成四个不等性杂化，形成四个sp3 杂杂化轨道，其中两个杂化轨道中各有一个未成对电化轨道，其中两个杂化轨道中各有一个未成对电子，另外两个杂化轨道分别被两对孤对电子所占子，另外两个杂化轨道分别被两对孤对电子所占据。据。O 用两个各含有一个未成对电子的用两个各含有一个未成对电子的sp3杂化轨杂化轨道分别与两个道分别与两个H 的的 1s 轨道重叠，形成两个轨道重叠，
9、形成两个 键。键。由于由于O的两对孤对电子对两个的两对孤对电子对两个 键的成键键的成键电子有更大的排斥作用，使电子有更大的排斥作用，使 键之间的键角被键之间的键角被压缩到压缩到 ，因此因此 H2O 的空间构型为角型。的空间构型为角型。 课堂思考题：推断、解释NH3的结构？N N氧子基态氧子基态spsp3 3杂化态杂化态NHNH3 3分子分子杂化杂化杂化杂化孤电子对数：孤电子对数： 0 1 2 0 1 2夹夹 角：角：109.5109.5 107.3 107.3 104.5 104.5 空间结构：空间结构： 正四面体正四面体 三角锥三角锥 V V形形结论：在结论：在CHCH4 4、NHNH3 3
10、和和H H2 2OO分子中，中心原子都取分子中，中心原子都取spsp3 3杂化，其杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。夹角随孤电子对数的增加而减少。杂化轨道的类型与空间结构的关系 讲解结束！ 谢谢！莱纳斯卡尔鲍林鲍林（1901.2.281994.8.19）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（1954年化学奖， 1962年和平奖），有很高的国际声誉。成才之路1901年2月28日，鲍林出生在美国俄勒冈州波特兰市。幼年聪明好学，11岁认识了心理学教授捷夫列斯，捷夫列斯有一所私人实验室，他曾给幼小的鲍林做过许多有意思的化学演示实验，这使鲍林从小萌生了对化学的热爱
11、，这种热爱使他走上了研究化学的道路。 Linus Pauling鲍林在读中学时、各科成绩都很好，尤其是化学成绩一直名列全班第一名。他经常埋头在实验室里做化学实验，立志当一名化学家。1917年，鲍林以优异的成绩考入俄勒冈州农学院化学工程系，他希望通过学习大学化学最终实现自己的理想。鲍林的家境很不好，父亲只是一位一般的药剂师，母亲多病。家中经济收入微薄，居住条件也很差。于经济困难，鲍林在大学曾停学一年，自己去挣学费，复学以后，他靠勤工俭学来维持学习和生活，曾兼任分析化学教师的实验员，在四年级时还兼任过一年级的实验课。 鲍林在艰难的条件下，刻苦攻读。他对化学键的理论很感兴趣，同时，认真学习了原子物理
12、、数学、生物学等多门学科。这些知识，为鲍林以后的研究工作打下了坚实的基础。1922年，鲍林以优异的成绩大学毕业，同时，考取了加州理工学院的研究生，导师是著名化学家诺伊斯。诺伊斯擅长物理化学和分析化学，知识非常渊博。对学生循循善诱，为人和蔼可亲，学生们评价他“极善于鼓动学生热爱化学”。 诺伊斯告诉鲍林，不要只停留在书本知识上，应当注重独立思考，同时要研究与化学有关的物理知识。1923年，诺伊斯写了一部新书，名为化学原理，此书在正式出版之前，他要求鲍林在一个假期中，把书上的习题全部做一遍。鲍林用了一个假期的时间，把所有的习题都准确地做完了，诺伊斯看了鲍林的作业，十分满意。诺伊斯十分赏识鲍林，并把鲍
13、林介绍给许多知名化学家，使他很快地进入了学术界的社会环境中。这对鲍林以后的发展十分有用。鲍林在诺伊斯的指导下，完成的第一个科研课题是测定辉铝矿（mosz）的晶体结构，鲍林用调射线衍射法，测定了大量的数据，最后确定了mosz的结构，这一工作完成得很出色，不仅使他在化学界初露锋芒，同时也增强了他进行科学研究的信心。 鲍林在加州理工学院，经导师介绍，还得到了迪肯森、托尔曼的精心指导，迪肯森精通放射化学和结晶化学，托尔曼精通物理化学，这些导师的精心指导，使鲍林进一步拓宽了知识面，建立了合理的知识结构。1925年，鲍林以出色的成绩获得化学哲学博士。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
14、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。 鲍林获博士学位以后，于1926年2月去欧洲，在索未菲实验室里工作一年。然后又到玻尔实验室工作了半年，还到过薛定谔机和德拜实验室。这些学术研究，使鲍林对量子力学有了极为深刻的了解，坚定了他用量子力学方法解决化学键问题的信心。鲍林从读研究生到去欧洲游学，所接触的都是世界第一流的专家，直接面临科学前沿问题，这对他后来取得学术成就是十分重要的。化学贡献1927年，鲍林结束了两年的欧洲游学回到了美国，在帕莎迪那担任了理论化学的助理教授，除讲授量子力学及其在化学中的应用
15、外，还讲授晶体化学及开设有关化学键本质的学术讲座。1930年，鲍林再一次去欧洲，到布拉格实验室学习有关射线的技术，后来又到慕尼黑学习电子衍射方面的技术，回国后，被加州理工学院聘为教授。 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。 为了解释甲烷的正四面体结构。说明碳原子四个键的等价性，鲍林在1
16、928一1931年，提出了杂化轨道的理论。该理论的根据是电子运动不仅具有粒子性，同时还有波动性。而波又是可以叠加的。所以鲍林认为，碳原子和周围四个氢原子成键时，所使用的轨道不是原来的s轨道或p轨道，而是二者经混杂、叠加而成的“杂化轨道”，这种杂化轨道在能量和方向上的分配是对称均衡的。杂化轨道理论，很好地解释了甲烷的正四面体结构。 在有机化学结构理论中，鲍林还提出过有名的“共振论” 共振论直观易懂，在化学教学中易被接受，所以受到欢迎，在本世纪40年代以前，这种理论产生了重要影响，但到60年代，在以苏联为代表的集权国家，化学家的心理也发生了扭曲和畸变，他们不知道科学自由为何物，对共振论采取了疾风暴
17、雨般的大批判，给鲍林扣上了“唯心主义”的帽子。 鲍林在研究量子化学和其他化学理论时，创造性地提出了许多新的概念。例如，共价半径、金属半径、电负性标度等，这些概念的应用，对现代化学、凝聚态物理的发展都有巨大意义。1932年，鲍林预言，惰性气体可以与其他元素化合生成化合物。惰性气体原子最外层都被8个电子所填满，形成稳定的电子层按传统理论不能再与其他原子化合。但鲍林的量子化学观点认为，较重的惰性气体原子，可能会与那些特别易接受电子的元素形成化合物，这一预言，在1962年被证实。 鲍林还把化学研究推向生物学，他实际上是分子生物学的奠基人之一，他花了很多时间研究生物大分子，特别是蛋自质的分子结构，本世纪
18、40年代初，他开始研究氨基酸和多肽链，发现多肽链分子内可能形成两种螺旋体，一种是a -螺旋体，一种是g -螺旋体。经过研究他进而指出：一个螺旋是依靠氢键连接而保持其形状的，也就是长的肽键螺旋缠绕，是因为在氨基酸长链中，某些氢原子形成氢键的结果。作为蛋白质二级结构的一种重要形式，a -螺旋体，已在晶体衍射图上得到证实，这一发现为蛋白质空间构像打下了理论基础。这些研究成果，是鲍林1954年荣获诺贝尔化学奖的项目。 1954年以后，鲍林开始转向大脑的结构与功能的研究，提出了有关麻醉和精神病的分子学基础。他认为，对精神病分子学基础的了解，有助于对精神病的治疗，从而为精神病患者带来福音。鲍林是第一个提出“分子病”概念的人，他通过研究发现，镰刀形细胞贫血症，就是一种分子病，包括了由突变基因决定的血红蛋白分子的变态。即在血红蛋白的众多氨基酸分子中，如果将其中的一个谷氨酸分子用缬氨酸替换，就会导致血红蛋白分子变形，造成镰刀形贫血病。鲍林通过研究，得出了镰刀形红细胞贫血症是分子病的结论。他还研究了分子医学，写了矫形分子的精神病学的论文，指出：分子医学的研究，对解开记忆和意识之谜有着决定性的意义。鲍林学识渊博，兴趣广泛，他曾广泛研究自然科学的前沿课题。他从事古生物和遗传学的研究，希望这种研究能揭开生命起源的奥秘。他述于1965年提出原子核模型的设想，他提出的模型有许多独到之处。
