上海交通大学：《材料化学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第二章 物质结构基础（材料化学理论基础）2.1 原子结构与化学键理论 2.1.4 杂化轨道理论-价键理论的改进 2.1.5 分子轨道理论 2.1.6 金属键理论

第二章物质结构基础 1

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2.1原子结构与化学键理 论 2.1.1不同历史时期的原子结构模型 2.1.2化学徒、离子键与共价键 2.1.3价层电子对互斥理论 2.1.4杂化轨道理论-价健理论的改进 2.1.5分子轨道理论 2.1.6金属键理论

2 2.1 原子结构与化学键理 论 2.1.1 不同历史时期的原子结构模型 2.1.2 化学键、离子键与共价键 2.1.3 价层电子对互斥理论 2.1.4 杂化轨道理论-价键理论的改进 2.1.5 分子轨道理论 2.1.6 金属键理论

2.1.4 杂化轨道理论 价键理论对多原子分子的分子构型以及键角的解释很困难。不能解释H2O、NH3、 CH4等的分子结构和键角 CH4形成的过程中，C原子的电子曾有过如下的激发步骤，以得到 4个单电子。 电子激发 个 2p 2p 2s 2s 显然，这4个单电子所在原子轨道不一致。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 的四个顶点。CH,为什么是正四面体结构？ AICl3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？ 3

CH4 形成的过程中， C 原子的电子曾有过如下的激发步骤，以得到 4 个单电子。 电子激发 2p 2s     2p 2s    显然，这 4 个单电子所在原子轨道不一致。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 的四个顶点。CH4 为什么是正四面体结构 ？ AlCl 3 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 ？ 3 价键理论对多原子分子的分子构型以及键角的解释很困难。不能解释H2O、NH3、 CH4 等的分子结构和键角

>价层电子对互斥理论，可以用来判断分子和离子的几 何构型。但是这一理论说明不了分子和离子的几何构型 的形成原因。 >这些问题用一般价键理论难以解释。Pauling1931 年提出杂化轨道理论，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，可以对已知的构型进行 解释

Ø 这些问题用一般价键理论难以解释。 Pauling 1931 年提出杂化轨道理论，非常成功地解释了构型方面的这 类问题 。 Ø 价层电子对互斥理论，可以用来判断分子和离子的几 何构型。但是这一理论说明不了分子和离子的几何构型 的形成原因。 Ø 杂化轨道理论发展了价键理论，可以对已知的构型进行 解释。 4

1.杂化与杂化轨道的概念 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。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等四条原子轨道 发生杂化，形成一组（四条)新的杂化轨道，即4条5p3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

。这个过程叫做 ，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 等四条原子轨道 发生杂化，形成一组（四条）新的杂化轨道，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

2.杂化轨道的类型 (a)sp杂化 在sp杂化轨道中，s和p的成份各1/2 两条杂化轨道呈直线形分布互成180°角。 Bec,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。 Be 激发 sp杂化 s22p0 杂化 ①① 2条sp杂化轨道呈直线形分布，分别与2个cl的3p轨道成键，故分子为直线形。 6

（a） sp 杂化 + + _ + + + _ + = + 在 sp 杂化轨道中，s 和 p 的成份各 1/2 两条杂化轨道呈直线形分布互成 180°角。 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。 Be sp 杂化 2s 2 2p0 激发 杂化 2 条 sp 杂化轨道呈直线形分布，分别与 2 个 Cl 的 3p 轨道成键，故分子为直线形。 6

180° BeClz 直线型 sp杂化轨道示意图 CI Be CI BeCL,分子结构示意图 7

Cl Be Cl sp杂化轨道示意图 BeCl2分子结构示意图 7

(b)sp2杂化 BCl3平面三角形构型 B sp2杂化 ①OO ① ①①① 3个sp2杂化轨道呈三角形分布，分别与3个Cl的3p成o键， 故BCI3分子构型为三角形。 8

（b） sp2 杂化 BCl 3 平面三角形构型 B sp2杂化 3 个 sp2杂化轨道呈三角形分布，分别与 3 个 Cl 的 3p 成σ键， 故 BCl 3 分子构型为三角形。 8

120 120 sp杂化轨道示意图 B BF3分子的结构示意图 9

B F F F sp2杂化轨道示意图 BF3分子的结构示意图 9

(C)SP3杂化（以甲烷的分子结构为例） 激发 基态 激发态 >杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，C原子上的一个 2s电子可被激发到2p空轨道上，形成四个单键，这时虽然解 决了4个共价键的问题，但是如果这4个轨道，即1个s轨道和 3个p轨道，分别与4个氢原子结合，形成4个键能量是不同的， 这与事实不符。 10

（C）SP3杂化（以甲烷的分子结构为例） 杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，C原子 上的一个 2s电子可被激发到2p空轨道上，形成四个单键，这时虽然解 决了4个共价键的问题，但是如果这4个轨道，即1个s轨道和 3个p轨道，分别与4个氢原子结合，形成4个键能量是不同的， 这与事实不符。 基态 激发态 10