4.2.3 杂化轨道(hybrid orbital ) 新理论的提出 键角 理论 实测 O: 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz2 H: H: 1 s1 1 s1 90 104.5 N: 1s2 2s2 2px1 2py1 1 s1 2pz1 键角 理论 90 实测 107°18 ′ H: H: 1 s1 H: 1 s1 问题: 1. 6C 核外电子排布 2s2 2p2 → 2s2 2px1 2py1 2pz0 2. 有几个单电子? 3.在形成共价键时可以和几个单 电子配对? 4.和H形成的C-H化合物中,应该 形成CH2,但实际上是形成了CH4,怎样解释? 4.2.3 杂化轨道(hybrid orbital ) 一、基本要点 ● 成键时能级相近的价电子轨道相混杂,形成新的 价电子轨道——杂化轨道 P52 ● 杂化前后轨道数目不变 ● 杂化后轨道伸展方向,形状和能量发生改变 总之,杂化后的轨道 ●轨道成分变了 变了 结果,当然是更有利于 成键! ●轨道的能量变了 ●轨道的形状变了 二、杂化轨道的种类 a ) 按参加杂化的轨道分类 s-p型 sp 、 sp2 、 sp3 杂化 ; sp3 d 、 sp3 d2 杂化等 。 s-p-d型 b ) 按杂化轨道能量是否一致分类 等性杂化 如C的 激发 杂化 sp3 杂化 不等性杂化 4 条sp3 杂化轨道能量一致 杂化 如 O 的 sp3 杂化 4 条 sp3 杂化轨道能量不相等。 又如 C 的 sp2 杂化 激发 杂化 形成 3 个能量相等的 sp2 杂化轨道,属于等性杂化。 判断是否等性杂化,要看各条杂化轨道的能量是否相等,不 看未参加杂化的轨道的能量。 三、各种杂化轨道在空间的几何分布 1° sp 杂化 两条杂化轨道呈直线形分布 互成 180°角。 + + BeCl2分子的成键过程: Be:2s2 2p0 → 2s1 2p1 →(sp)1 (sp)1 Cl: 3s2 3p5 → 3px1 3py2 3pz2 Cl: 3s2 3p5 → 3px1 3py2 3pz2 2个sp分别与Cl 的3px形成2个sp-p ?键 乙炔分子直线形 H 激发 杂化 σ C C σ H C py pz sp 杂化, sp-1s , sp - sp 均为 σ 键 。分子为直线形 。 py _ py H 两点结论 _ C σ pz _ pz C _ H 1 ) 分子构型由 σ 键确定; 2 ) π 键在σ 键基础上形成。 例如 CO2 C 2s 2 2p 2 1 2 O 2s 2 2p1 2 p 2 p x z y 激发 2p 2s 2p 2s 杂化 O σ π C σ π 2p sp O O C O SP2 2° sp2 杂化 一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三 个等同的sp2杂化轨道,sp2杂化轨道间 夹角120? ,呈平面三角形。 BCl3 BF3 3个?键,1个?46键。 分子是平面三角形,键角120? , NO3- , CO32-, SO3 是sp2杂化 C C-H sp2 杂化 sp2-s C - C sp2- sp2 , ,均为 ? 键 。 HCH H H 键角为 120°,未杂化的 p 轨道之间 成 π 键,故有 C = C 的存在。 C + - + - H H C ?键 H C H C H H = H H C C H H H C O H = ?键 H H C O 苯 C6H6 平面正六边形 C sp2 等性杂化 3 条杂化轨道互成 120°角 。 C-C ? 键 sp2-sp2 C-H ? 键 sp2-1s 键角 C-C-C 120°,H-C-C 120°。 3° sp3 杂化 ? 等性sp3杂化 C: 2s22p2 CH4 CCl 4 , SO 2? 4 , ClO , ? 4 ? P O3 4 , SiF4 4 °s-p-d 杂化 PCl 5 三角双锥 P sp3d 杂化 sp3d 杂化 三种交角 5条 三角双锥 90°120°和 180° s p3 d2 杂化------SF6 S 呈正八面体形状, sp3d2 杂化 5 °不等性杂化 ●不等性sp3杂化 H2O V 形结构 , O sp3 不等性杂化 。 sp3 不等性杂化 孤对电子 HOH 键角本应 109°28 ′ ,但由 于孤对电子的斥力,该角变小,为 104°45 ′。 H ?? O ?? H NH3 三角锥形 N sp3 不等性杂化 NH3: N: 2s2 2p3 H: H: H: → 2s1 2p4 → (sp3)1 (sp3)1 (sp3)1 (sp3)2 1 s1 1 s1 1 s1 NH3: 3个?键, N 上有1对孤对电子 HNH 角小于 109° 28 ′,为 107°18 ′。 H N H H 总 结 杂化轨道 2 3 3(不等性) sp sp sp sp 类型 参加杂化 轨道 1个s、1个p1个s、2个p1个s、3个p 1个s、3个p 杂化轨道 数目 成键轨道 键角 分子空间 构型 实例 中心原子 2 3 4 4 180° 直线型 BeCl2 HgCl2 Be Hg ⅡA ⅡB 120° 平面 三角形 BF3 BCl3 109°28′ 90 LP-BP > BP-BP 推断步骤 孤—孤 孤—成 成—成 推断分子或离子的空间构型的具体步骤: ?确定中心原子的价层电子对数, 以AXm为例 (A—中心原子,X—配位原子) : 原则: ①A的价电子数=主族序数; VP=1/2[A的价电子数+X提供的价电子数 负 ±离子电荷数( 正 )] ②配体: H和卤素每个原子各提供一个价 电子, 氧与硫不提供价电子; ③正离子应减去电荷数,负离子应加上电荷数。 1 例:VP(SO ) = (6+4×0+2)=4 2 2? 4 电子对与构型 ?确定电子对的空间构型: VP=2 直线形 VP=3 VP=4 平面三角形 正四面体 VP=5 VP=6 三角双锥 正八面体 分子构型 ?确定中心原子的孤对电子对数,推断分子 的空间构型。 ① LP=0:分子的空间构型=电子对的空间构型 例如: BeH2 BF3 CH 4 PCl5 SF 6 1 VP= 2 (2+2)=2 1 VP= 2 (3+3)=3 1 VP= 2 (4+4)=4 1 VP= 2 (5+5)=5 1 VP= 2 (6+6)=6 直线形 平面三角形 四面体 三角双锥 八面体 LP≠0 ②LP≠0 :分子的空间构型不同于电子对的空间 构型。 VP LP 3 电子对的 空间构型 分子的 空间构型 例 SnCl2 NH3 H 2O IF5 1 1 2 平面三角形 四面体 四面体 八面体 V形 三角锥 V形 四方锥 4 6 1 2 八面体 平面正方形 XeF4 VP=5 电子对数 (m) 3 配体数 (n) 2 孤电子对数 (m - n) 1 电子对构型 ?? ?? ?? 三角形 ?? A ?? ? ? B A 分子构型 B A ?? “ V ” 字形 ?? A B B 三角锥 ?? A ?? B B B 4 3 1 ?? 正四面体 ?? 4 2 2 ?? A ?? ? ? 正四面体 “ V ” 字形 5 对电子,4 个配体,1 对孤对电子,有 2 种情况供选择 : 孤对 - 孤对 孤对 - 成键 成键 - 成键 甲 0 2 4 乙 0 3 3 从 90 °方向上的分布情况看,‘ 甲 ’ 稳定,称变形四面体。 5 对电子,3 个配体,2 对孤对电子,有 3 种情况供选择 : 甲 乙 丙 孤对 - 孤对 孤对 - 成键 成键 - 成键 0 6 0 0 4 2 1 3 2 结论:乙种稳定,称 “ T ” 字形。 6 对电子对 6 对电子对 1 对孤对电子 2 对孤对电子 四角锥 正方形 例 1 利用价层电子对互斥理论判断下列分子和离子的几何 构型。要求写出价层电子总数、对数、电子对构型和分子构型 。 AlCl3 解:总数 对数 6 3 H2S 8 4 SO32 8 4 NH4 + 8 4 NO2 5 3 IF3 10 5 电子对构型 三角形 正四面体 正四面体 正四面体 三角形 三角双锥 分子构型 Cl Cl Al Cl S H H S O O O H H N F N H H F O O F 三角形 V字构型 三角锥 正四面体 V字形 T字形 2 多重键的处理 某配体(非 VI A 族)与中心之间有双键或三键时,价层电子 对数减 1 或减 2 。 H 如,乙烯 以左碳为中心 H C CH2 电子总数 4 + 1 ? 2 + 2 = 8 3 个配体 4对 减1 3对 平面三角形 。 注意,这里是以左碳为中心讨论的 。 进一步讨论影响键角的因素: ①π键的存在,相当于孤对电子排斥成键电 子,使键角变小。例如: Cl 111o18' 124 o 21' H 121o H C=O Cl C = C 118o H H ②中心原子和配位原子的电负性大小也影响键 角。例如: : P : N : H N H 107o18' H F 102o F F HH H 93o18' 中心原子电负性大者,键角较大;配位原子 电负性大者,键角较小。 思考 思考题: 解释NO2+, O3, SnCl3-, OF2, ICl3, I3-, XeF5+, ICl4- 等离子或分子的空间构型, 并指 出其中心原子的轨道杂化方式。 BrF3 , PCl3 , AsF5 , SnCl 2 , NO2 ? MO