分子杂化轨道学案

-1-（共5页）分子杂化轨道学案一、常见分子的空间构型1.双原子分子都是直线形，如：HCl、NO、O2、N2等。2.三原子分子有直线形，如CO2、CS2等；还有“V”形，如H2O、H2S、SO2等。3.四原子分子有平面三角形，如BF3、BCl3、CH2O等；有三角锥形，如NH3、PH3等；也有正四面体，如P4。4.五原子分子有正四面体，如CH4、CCl4等，也有不规则四面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。另外乙烯分子和苯分子都是平面形分子。二、价层电子对互斥模型1.理论模型分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)，由于相互排斥作用，而趋向尽可能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间构型。2.价电子对之间的斥力(1)电子对之间的夹角越小，排斥力越大。(2)由于成键电子对受两个原子核的吸引，所以电子云比较紧缩，而孤对电子只受到中心原子的吸引，电子云比较“肥大”，对邻近电子对的斥力较大，所以电子对之间斥力大小顺如下：孤电子对－孤电子对孤电子对－成键电子成键电子－成键电子(3)由于三键、双键比单键包含的电子数多，所以其斥力大小次序为三键双键单键。3.价层电子对互斥模型的两种类型价层电子对互斥模型说明的是价层电子对的空间构型，而分子的空间构型指的是成键电子对空间构型，不包括孤对电子。(1)当中心原子无孤对电子时，两者的构型一致；(2)当中心原子有孤对电子时，两者的构型不一致。4.价电子对数计算方法对于ABm型分子(A为中心原子，B为配位原子)，分子的价电子对数可以通过下式确定：n＝中心原子的价电子数＋每个配位原子提供的价电子数×m2其中，中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数，配位原子中卤素原子、氢原子提供1个价电子，氧原子和硫原子按不提供价电子计算。先根据价电子对数判断分子的VSEPR模型，再根据中心原子是否有孤对电子判断分子的立体结构模型。5.孤电子对数的计算公式2配位原子的价数总和中心原子价电子数孤电子对数6.用价层电子对互斥理论推断分子或离子的空间构型具体步骤：(1)确定中心原子A价层电子对数目中心原子A的价电子数与配体X提供共用的电子数之和的一半，即中心原子A价层电子对数目。计算时注意：①氧族元素原子作为配位原子时，可认为不提供电子，但作中心原子时可认为它提供所有的6个价电子。②如果讨论的是离子，则应加上或减去与离子电荷相应的电子数。如PO3－4中P原子价层子数应加上3，而NH＋4中N原子的价层电子数应减去1。③如果价层电子数出现奇数电子，可把这个单电子当作电子对看待。(2)确定价层电子对的空间构型由于价层电子对之间的相互排斥作用，它们趋向于尽可能的相互远离。价层电子对的空间构型与价层电子对数目的关系：价层电子对数目23456价层电子对构型直线形三角形四面体三角双锥八面体(3)分子空间构型确定根据分子中成键电子对数和孤对电子数，可以确定相应的较稳定的分子几何构型。如下表：-2-（共5页）A的电子对数成键电子对数孤电子对数几何构型中心原子A价层电子对的排列方式分子的几何构型实例220直线形··——A——··BeCl2HgCl2(直线形)CO2330平面三角形BF3BCl3(平面三角形)21三角形SnBr2PbCl2(V形)440四面体CH4CCl4(四面体)31四面体NH3(三角锥)22四面体H2O(V形)660八面体SF6(八面体)42八面体XeF4(平面正方形)三、ABm型杂化类型的判断1.公式电子对数n＝12(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数±电荷数)2.根据n值判断杂化类型一般有如下规律：当n＝2，sp杂化；n＝3，sp2杂化；n＝4，sp3杂化。例如：SO2n＝12(6＋0)＝3sp2杂化NO－3n＝12(5＋1)＝3sp2杂化NH3n＝12(5＋3)＝4sp3杂化注意：①当上述公式中电荷数为正值时取“－”，电荷数为负值时取“＋”。②当配位原子为氧原子或硫原子时，成键电子数为零。四、分子几何形状的确定①BeCl2分子中心原子Be有两个配位原子，故形成键的电子对数等于2；而孤电子对数=2-2/2=0，所以Be原子的价层电子对数等于2。-3-（共5页）BeCl2分子应是直线型分子：Cl—Be—Cl，和用杂化轨道理论处理的结果相同，属sp杂化。②CO23离子中心原子C的配位原子数是3，形成键的电子对数等于3，孤电子对数=4-6+2/2=0，所以O原子的价层电子对数=3。平面三角形结构，属sp2杂化。③NH4离子N原子的配位原子数是4，即形成键的电子对数等于4；N原子的孤电子对数=5-4-1/2=0，即没有孤电子对。所以中心原子N的价层电子对数等于4，应是正四面体构型，sp3杂化。④H2S分子价层电子对数=2+6-2/2=4，角形结构，sp3不等性杂化。⑤PCl5分子配位原子数=5，孤电子对数=7-5/2=1，共有6对电子，四方角锥，sp3d2杂化。⑥ClF3分子。中心原子Cl的配位原子数是3，即形成键的电子对数等于3；Cl原子的孤电子对数=7-3/2=2，所以Cl原子的价层电子对数=3+2=5。五对电子应排成三角锥的形状。五、配合物的组成（1）配合物的内界和外界（2）配位体（简称配体）：是含有孤对电子对的分子和离子。（3）中心离子：一般是金属离子，特别是过渡金属离子。但也有中性原子做配合物形成体。（4）配位数：直接与中心原子和离子配位的配位原子的数目。（5）、配合物的命名：自右而左为某酸某或某化某如：[Zn(NH3)2]SO4硫酸二氨合锌（Ⅱ）[Zn(NH3)4]Cl2氯化四氨合锌（Ⅱ）K3[Fe(CN)6]六氰合铁（Ⅲ）酸钾K[Pt(NH3)Cl3]三氯一氨合铂(Ⅱ)酸钾-4-（共5页）判断物质分子杂化轨道类型的万能公式太有用了公式如下：（括号内为举例，以下均以CO2为例）k=mn当k=2sp杂化k=3sp2杂化k=4sp3杂化其中n值为ABn中的n，与中心原子结合的原子数（此时n是CO2中的2）(中心原子：按字面意思理解，就是分子形成是被当做中心的原子，CO2的中心原子为C)m=(e-nd)/2m：孤电子对数(指未成键电子）e：中心原子价电子数（价电子数就是最外层电子数，C碳的e=4）n：和上面的n是同一个值d：与中心原子结合的原子最多能接收的电子数（与中心原子结合的原子指O氧原子，最外层差2个电子排满，此处d=2）于是，CO2的k=2(4-2*2)/2=2故CO2是sp杂化判断共价化合物ABn型分子中A原子杂化类型的公式法判断共价化合物ＡＢｎ型分子中Ａ原子杂化类型的公式法李保云，李石蕊，丁建义，张殿文摘要：本文是根据价键理论和杂化轨道数与杂化类型的关系提出判断共价化合物ＡＢｎ型分子中，Ａ原子的杂化类型的公式法，并以实例验证了公式的可靠性．关键词：价键理论、杂化轨道共价化合物ＡＢｎ型分子中Ａ原子所采取的杂化类型，取决于ＡＢｎ分子中参加成键的电子数，参加成键的电子数取决于Ａ原子的价电子数与ｎ个配位原子在成键时所提供的价电子数之和。设在共价化合物ＡＢｎ型分子中：ｍ为Ａ原子的价电子数，ｎ为ｎ个Ｂ原子在成键时所提供的价电子数，Ｑ为Ａ原子在成键时的杂化轨道数．价键理论告诉我们：中心原子Ａ与配位原子Ｂ在成键时双方各自提供一个价电子构成一个共用电子对形成一个。键，由于在ＡＢｎｇｉ分子中有ｎ个配位Ｂ原子，则形成ｎ个ａ键，必然配位原子提供ｎ个价电子参加成键．故ｍ＋ｎ为ＡＢｎ型分子中参加成键的电子总数．（其中包括Ａ原子成键后孤对电子数）因为一个成健电子占有一个杂化轨道，所以Ａ原子在成键时的杂化道数为（ｍ＋ｎ）／２（四舍五人取整数）即Ｑ＝（ｍ十ｎ）乃实践证明：当配位原子为氧原子时可以认为它与中心原子Ａ成键时所提供的价电子数为零如何计算分子的杂化方式一个分子的中心原子究竟采取哪种类型的轨道杂化，直接可以预测整个分子的空间构型。杂化轨道理论成功地解释了部分共价分子杂化与空间构型关系，但是，仅用杂化轨道理论预测有时是难以确定的。1940年美国的SidgwickNV等人相继提出了价层电子对互斥理论（valenceshellelectronpairrepulsiontheory），简称VSEPR法，该法适用于主族元素间形成的ABn型分子或离子。该理论认为，一个共价分子或离子中，中心原子A周围所配置的原子B（配位原子）的几何构型，主要决定于中心原子的价电子层中各电子对间的相互排斥作用。这些电子对在中心原子周围按尽可能互相远离的位置排布，以使彼此间的排斥能最小。所谓价层电子对，指的是形成σ键的电子对和孤对电子。孤对电子的存在，增加了电子对间的排斥力，影响了分子中的键角，会改变分子构型的基本类型。根据此理论，只要知道分子或离子中的中心原子上的价层电子对数，就能比较容易而准确地判断ABn型共价分子或离子的空间构型。价层电子对理论预测分子空间构型步骤为：1.确定中心原子中价层电子对数中心原子的价层电子数和配体所提供的共用电子数的总和除以2，即为中心原子的价层电子对数。规定：(1)作为配体，卤素原子和H原子提供1个电子，氧族元素的原子不提供电子；(2)作为中心原子，卤素原子按提供7个电子计算，氧族元素的原子按提供6个电子计算；(3)对于复杂离子，在计算价层电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数；(4)计算电子对数时，若剩余1个电子，亦当作1对电子处理。(5)双键、叁键等多重键作为1对电子看待。2．判断分子的空间构型根据中心原子的价层电子对数，从表9-4中找出相应的价层电子对构型后，再根据价层电子对中的孤对电子数，确定电子对的排布方式和分子的空间构型。表9-4电子对数和空间构型实例分析：试判断PCl5离子的空间构型。解：P离子的正电荷数为5，中心原子P有5个价电子，Cl原子各提供1个电子，所以P原子的价层电子对数为（5+5）/2=5，其排布方式为三角双锥。因价层电子对中无孤对电子，所以PCl5为三角双锥构型。-5-（共5页）实例分析：试判断H2O分子的空间构型。解：O是H2O分子的中心原子，它有6个价电子，与O化合的2个H原子各提供1个电子，所以O原子价层电子对数为（6+2）/2=4，其排布方式为四面体，因价层电子对中有2对孤对电子，所以H2O分子的空间构型为V形。表9-5理想的价层电子对构型和分子构型实例分析6：判断HCHO分子和HCN分子的空间构型解分子中有1个C=O双键，看作1对成键电子，2个C-H单键为2对成键电子，C原子的价层电子对数为3，且无孤对电子，所以HCHO分子的空间构型为平面三角形。HCN分子的结构式为H—C≡N∶，含有1个C≡N叁键，看作1对成键电子，1个CH单键为1对成键电子，故C原子的价层电子对数为2，且无孤对电子，所以HCN分子的空间构型为直线。至于ClO2，很复杂的一种情况，按上面的方法计算，之（7+0*3）/2=3.5，该为sp3杂化，但实验数据：∠OClO是118°，这个用表面的价层电子对互斥理论不能解释。有人提出，Cl原子的一对p电子被激发一个到3d轨道上，并进行sp2杂化，其中一个杂化轨道占据一对电子，余下两个杂化轨道各占一个对子，这两个轨道分别与O原子的对抗2p成单电子形成σ键，两个O原子的另一个p成单电子与Cl原子的3d和3p电子形成一个三中心5电子π键。