碳原子的結(jié)構(gòu)及軌道的雜化

關(guān)于碳原子的結(jié)構(gòu)及軌道的雜化第1頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三碳元素是形成有機(jī)化合物的主體元素，它位于元素周期表中第二周期第4主族，碳原子的電子結(jié)構(gòu)為Is2、2s2、2p2。碳原子的最外層有4個電子，與其它原子結(jié)合時，不易得失電子，而通過電子對的共用與其它原子相結(jié)合。因此，有機(jī)化合物分子中的化學(xué)鍵主要是共價鍵。第2頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三外層電子結(jié)構(gòu)：2s2px2py2pz

2s2px2py2pz第3頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三在碳原子中，外層只有2個未成對的電子能形成共價鍵，所以碳原子應(yīng)是2價。但實踐證明，碳原子在有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)中，一般都是4價，這是因為碳原子在成鍵時發(fā)生了電子的激發(fā)和軌道的雜化。即碳原子在成鍵時，其中有1個ZS電子激發(fā)到同一個電子層能級相近的2p軌道上去，變成了4個未成對的電子，碳原子即從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。第4頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三2s2px2py2pz2s2px2py2pz基態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)第5頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三（二）軌道的雜化激發(fā)態(tài)碳原子的4個價電子中，1個是s電子，3個是p電子，其成鍵的能量。方向都不完全相同。但實驗證明，在單鍵化合物分子中，碳的4個價鍵是完全相同的。這是由于在電子激發(fā)的同時發(fā)生了原子軌道的雜化。第6頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三

不同類型、能級相近的原子軌道，可以“混雜”起來重新形成一組數(shù)目相等，能量相同的新的軌道，這種新軌道叫做“雜化軌道”，這種“混雜”的過程叫做雜化。雜化軌道電子云的能量、形狀及方向均發(fā)生了改變。雜化后的電子云變得向一個方向集中，在成鍵時則有利于電子云最大限度的重疊，且雜化軌道的空間排列，是互相之間盡可能相距最遠(yuǎn)，以使相互間的斥力最小，可以形成更為穩(wěn)定的鍵。第7頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三

碳的雜化軌道有以下三種類型：1.sp3雜化軌道：由1個2s軌道和3個2p軌道雜化，形成能量、形狀完全相等的4個sp3雜化軌道，4個sp3雜化軌道對稱地指向正四面體的4個頂端，互相之間的夾角109°28′。雜化軌道的形狀似葫蘆形，一頭大一頭小，這樣在成鍵時有利于電子云最大限度的重疊。第8頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三

烷烴分子中碳的4個價鍵。都是由sp3雜化軌道形成的。如甲烷分子中的4個C—H健完全相同，健角都是109°28′，與理論推斷相符。第9頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三（a）碳的sp3雜化軌道；（b）甲烷正四面體模型第10頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三2．sp2雜化軌道：sp2雜化軌道由1個2s軌道和2個2p軌道發(fā)生雜化，形成能量、形狀完全相同的3個sp2雜化軌道，形狀與sp3雜化軌道類似，3個sp2雜化軌道間的夾角為120o，成平面正三角形。剩下的未參與雜化的1個p軌道垂直于sp2雜化軌道所在的平面。乙烯分子中的碳原子就是sp2雜化，所以乙烯分子為平面結(jié)構(gòu)。第11頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三碳的sp2雜化軌道第12頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三3．sp雜化軌道：由1個2s軌道與1個2p軌道發(fā)生雜化，形成能量、形狀完全相同的2個sp雜化軌道，軌道形狀大體同前，兩個雜化軌道的對稱軸在同一直線上，所以兩個軌道間的夾角為180o。剩下的2個未參加雜化的p軌道與雜化軌道間相互垂直。乙炔分子中的碳原子就是sp雜化，乙炔分子為直線形結(jié)構(gòu)。第13頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三碳的sp雜化軌道第14頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三二、共價鍵的種類

在有機(jī)化合物分子中，由于成鍵時原子軌道重疊方式不同，共價鍵可分為σ鍵和π鍵兩種。第15頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三σ鍵：軌道沿著鍵軸（即成鍵兩原子核之連線）方向相互重疊，軌道的重疊部分沿鍵軸呈圓柱形對稱分布，在兩原子核間電子云密度最大。所以鍵結(jié)合得比較牢固，不易斷裂，它是構(gòu)成分子的骨架。第16頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三π鍵：由2個相互平行的p軌道從側(cè)面重疊，其重疊部分不呈圓柱形對稱分布，而是具有1個對稱面，由碳一碳鍵所在平面的上下兩部分組成。而π鍵電子云重疊程度較小。也不象σ鍵電子云那樣集中在2個原子核的連線上，而是垂直并對稱地分布于σ鍵平面的上下，電子云流動性大，在外電場影響下較易極化并發(fā)生共價鍵的斷裂，從而參與化學(xué)反應(yīng)。第17頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三

一般來說，共價單鍵是σ鍵，共價雙鍵中有1個σ鍵和1個π鍵，共價叁鍵中則有一個σ鍵和2個π鍵。

烷烴分子中碳?xì)滏I和碳碳鍵都是σ單鍵，重鍵化合物中均含有π鍵。第18頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三乙烷分子中σ鍵

第19頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三乙烯分子中σ鍵和π鍵第20頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三三、共價鍵的屬性

在有機(jī)化合物中，共價鍵有一些基本屬性，如鍵長、鍵角、鍵能和鍵的極性等。根據(jù)這些屬性，可了解有機(jī)化合物分子的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)。第21頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三l.鍵長：以共價鍵相結(jié)合的2個原子核之間的距離稱為鍵長。它取決于電子云的重疊程度，重疊程度愈大，鍵長愈短。常見共價鍵的鍵長為：C—C154pmC=C134pmC≡C120pm第22頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三2．鍵角：分子中同一原子形成的2個共價鍵間的夾角稱為鍵角。鍵角是決定有機(jī)化合物分子的空間結(jié)構(gòu)和某些性質(zhì)的重要因素。第23頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三3．鍵能：對于雙原子分子，破壞

其共價鍵時所需提供的能量，

稱為該共價鍵的離解能，也就

是該共價鍵的鍵能。但對多原

子分子，共價鍵的鍵能是指同

一類共價鍵的平均離解能。第24頁，講稿共27頁，2023年5月2日，星期三4．共價鍵的極性和極化性

（l）共價鍵的極性：當(dāng)2個相同原子成鍵時，其電子云對稱分布于2個原子中間，這種鍵是無極性的，稱為非極性共價鍵，簡稱非極性鍵。如H—H鍵、C—C鍵。但2個不同原子形成共價鍵時，由于成鍵兩原子的電負(fù)性不同，吸引電子對的能力也就不同，電子云靠近電負(fù)性較大的原子，使其帶上部分負(fù)電荷，一般用δ－符號表示，而電負(fù)性較小的原子則帶部分正電荷，一般以δ＋符號表示。如氯甲烷分子中的碳氯鍵：δ