高二化學分子結構2:價鍵理論

      結構化學第二章《分子結構與性質》，分為五個課時。第一課時為 「共價鍵」。

      第二章、五個課時的內容如下。

      現在是 「課時2 分子結構 / 價鍵理論」。

一、分子的種類

      分子，是原子之間通過共價鍵而形成的粒子。有

    雙原子分子

    多原子分子

    單原子分子

      三者成鍵相同，但是空間結構有很大的不同。

   § 1.1 雙原子分子   

      由兩個原子構成的分子，是雙原子分子。

      有七種單質是雙原子分子。它們之間的共價鍵，由相同原子構成，叫非極性鍵。

      這七種單質的兩個原子之間，都只有一對電子，所以是單鍵，是 σ 鍵。

    雙原子分子

    都是直線型結構

    § 1.2 單原子分子

      稀有氣體物質，均以獨立的原子形式存在，通常把稀有氣體稱為 「單原子分子」。

      單原子分子，原子之間只有範德華力，沒有其它化學鍵。

    § 1.3 多原子分子——價鍵理論

      由三個原子、或三個原子以上構成的分子，是多原子分子。

      多原子分子的空間結構（立體結構）很複雜，可以有不同的形狀，V 型、四面體型、三角錐型、八面體型，等等。

      價鍵理論：就是為了解釋多原子分子的空間結構（立體結構）而產生的。

二、分子的空間結構——價鍵理論

      價鍵理論，是被形勢逼迫出來的。

      二十世紀初的物理世界，群星璀璨。

      原子光譜詮釋了原子結構。

      薛丁格方程計算出了原子軌道，揭示了電子運動的軌跡。

      分子光譜的發現，對解開分子結構之謎是偉大的革命：

    共價鍵的振動頻率

    反映出共價鍵的類型

      原子在組成 「原子核1—電子對—原子核2」 的共價鍵時，到底發生了什麼情況呢？

      形成共價鍵的時候，電子、原子軌道是怎樣變化的呢？用什麼來解釋呢？用——

    價鍵理論

      價鍵理論很多，最著名的有三個。

    雜化軌道理論

     (鮑林，1932年)

    價層電子對互斥理論

    簡稱 VSEPR 理論

    (西吉維克，1940年)

    前線軌道理論

    (福井謙一，1951年)

      這三個價鍵理論，兩個獲得了諾貝爾化學獎。

三、多原子分子不能直接形成

      雜化軌道理論，是美國化學家鮑林與 1932 年提出的。

      鮑林之前，分子的 「形狀」 非常令人困惑。

      碳原子的 2Px、2Py、2Pz 軌道是相互垂直的（夾角 90° ），為什麼 CH4 分子卻是正四面體空間構型，鍵角是 109.5° ？

      為什麼 NH3 分子是三角錐，而且鍵角 ∠HNH 比甲烷的鍵角小？

      …………

      雜化軌道理論橫空出世了！

       許多多原子分子的空間構型，用雜化軌道理論都得到了合理的解釋。

    § 3.1 甲烷分子的矛盾性

      以含有一個碳原子、四個氫原子的甲烷分子 CH4 為例。 

    （1）甲烷分子的結構

      許多證據表明，甲烷分子的四個 C—H 完全相同：

    分子光譜

    CH4 分子只有一個峰

    二氯甲烷 CH2Cl2

    只有一種結構

    （2）碳原子的原子軌道

      碳原子的電子排布式為

      碳原子的軌道表示圖為 

         碳原子最外層的四個電子的原子軌道的形狀、形成 CH4 分子的形狀見圖 1。

圖1、三個 p 軌道垂直、

三個 C—H 也垂直

    § 3.2 甲烷分子是正四面體

      甲烷是對稱的正四面體，見圖 2。

圖 2、甲烷分子的空間結構

      結論：甲烷不是——

    碳原子軌道

    直接形成的

      碳原子最外層的 2s、2Px、2Py、2Pz 四個軌道，能量不同、形狀不同。

      這四個軌道必須變得相同，才能形成對稱的甲烷 CH4 分子。

      怎麼變化呢？ 

    要形成多原子分子

    原子軌道必須改變

      雜化軌道理論由此而生。

四、雜化軌道理論

      不同能層的原子軌道，能量不同。

      相同能層的不同原子軌道，形狀不同（與原子核的距離不同），能量也不同。

    (n-1)d < ns < np < nd ...

      美國天才化學家鮑林提出：不同的原子軌道先 「雜化」 一下，能量、形狀都相同，再形成共價鍵。

      這就是雜化軌道理論。

     雜化軌道的形成規律：

    

     § 4.1 sp3 雜化

      σ 鍵和孤電子對數為 「4」，是 sp3 雜化。

       甲烷、氨氣、水分子，都是 sp3 雜化。

    （1）甲烷分子 CH4

      以碳原子 → 甲烷分子為例，碳原子最外層的四個軌道是這樣雜化的，見圖 3。 

圖 3、碳原子形成 sp3 雜化軌道

      甲烷分子的空間結構，用雜化軌道就可以解釋。

      四個相同的雜化軌道，分別與四個氫原子的 1s 軌道的電子重疊，形成四個 σ 單鍵 —— CH4 分子，圖 4。

      

圖 4、sp3 軌道(C) 與1s 軌道(H) 重疊

    （2）氨分子 NH3

 

      探討氨分子 NH3 的雜化軌道。看看 N 原子的電子排布式、軌道表示圖，見圖 5。

圖 5、N 原子的電子排布式、軌道表示圖

          

      氨分子形成三個 N—H 鍵，N 原子有一個孤電子對，一共要形成——

    四個雜化軌道 

        最外層的2s、2p 四個軌道參與雜化，所以也是

        N 原子的孤電子對佔據一個雜化軌道。

圖 6、氨分子的空間結構

(填充模型，或比例模型)

      氨分子是三角錐形結構。

      N 原子的孤電子對，對三個 N—H 的 σ 鍵有排斥作用。

      所以，三個 ∠HNH 鍵角是 107°（一個電子對，壓迫鍵角約 2.5°）。

    （3）水分子 H2O

      水分子 H2O：兩個 σ 鍵，氧原子兩個孤電子對，也是 sp3 雜化。

      但是 ∠HOH 鍵角更小，是 104.5°，見圖 7。

     § 4.2 sp2 雜化

      σ 鍵和孤電子對數為 「3」，是 sp2 雜化。

      BH3 中的 B 原子、乙烯 CH2=CH2 中的兩個 C原子，都是 sp2 雜化，見圖 7。

圖 7、sp2 雜化軌道是平面三角形

      BH3 分子中，形成三個 σ 鍵，沒有孤電子對，因此是 sp2 雜化。

      圖 7 中，硼原子最外層只有三個價電子，卻有四個原子軌道 2s、2Px、2Py、2Pz。 

      sp2 雜化時，只用前三個軌道即可，形成平面三角形的三個相同的雜化軌道。

      一個 p 軌道不參與雜化。

      不參與雜化的軌道，決定了三個雜化軌道的形狀。

      科學家們都把不參與 sp2 雜化的軌道算做 2Pz軌道，垂直於三個雜化軌道。

 

    （1）硼烷 BH3

       硼原子的三個雜化軌道，分別與三個氫原子的 1s 軌道重合，電子配對，形成三個 σ 鍵，見圖 8。

圖8、BH3 分子的空間結構

  

    （2）乙烯分子 CH2=CH2

      乙烯的兩個碳原子都是 sp2 雜化，兩個 2Pz 空軌道垂直於三個雜化軌道。

    兩個 C 形成 1 個 σ 鍵

    四個 H 形成 4 個 σ 鍵

     乙烯分子形成了五個 σ 鍵（共平面），剩餘的 2 個未雜化的 p 軌道電子重疊，形成一個 π 鍵（垂直於平面），見圖 9。

圖 9、乙烯分子的 sp2 雜化

    § 4.3 sp 雜化

      σ 鍵和孤電子對數為 「2」，是 sp 雜化。

    sp 雜化

    佔用 1 個 p 軌道

    剩餘 2 個 p 軌道相互垂直

     典型的 sp 軌道見圖 10。

圖10、sp 雜化軌道

      常見的 sp 雜化的分子是 BCl2、CO2 和 乙炔 HC三CH。

      乙炔分子的雜化軌道見圖 11 。兩個碳原子都是 sp 雜化，之間形成 σ 鍵，與兩個氫原子的 1s 軌道也形成 σ 鍵。 

圖11、乙炔分子的 sp 雜化

      碳原子剩餘兩個未雜化的軌道 2Py、2Pz，與雜化垂直，形成兩個 π 鍵。所以，乙炔的鍵角都是 180°，四個原子在一條直線上。

    4.4 孤電子對的計算

      教材上，是用公式計算。

       

      或者

      

    

      實際操作時，教材上的方法過於麻煩。

       如果先寫出分子的電子式，馬上就可以知道 「孤電子對數」(中心原子)。

五、價層電子對互斥理論

    （VSEPR理論）

      雜化軌道理論，較好地解釋了許多分子的空間構型。

      但是，都是在已經知道了分子的形狀之後，「事後」 做出的判斷。

      所以，有科學家拓展了雜化軌道理論，創立了 VSEPR 理論（價層電子對互斥理論）。

    共價鍵互相排斥

    孤電子對互相排斥

    距離越遠，越穩定

      VSEPR 理論，包括了雜化軌道理論，也解決了雜化軌道理論不能解決的問題。

                           (衷心感謝您的光臨)

  ————————————————————

  ————————————————————

微信號/QQ號：157 246 961  

地址：北京市海澱區西三環北路 72 號

微信：teacher_zhao_beijng