π键和sp2杂化轨道

上集 我讲到了σ键的概念 σ键是… 好吧 我还是先画两个原子核 再画一个电子轨道 假如这是sp3杂化轨道 一个原子上的 这边有个大波瓣 然后这家伙也有一个sp3杂化轨道 还有个小的波瓣 再画一个大波瓣 σ键就是沿着波瓣相接的方向的键 σ键就是沿着波瓣相接的方向的键 你可能要问了 怎么可能有方向不同的键呢？ 好啦 另外一种化学键 这个呢… 我强调一下 这个是σ键 你会说 好啦 那两个电子轨道 还能怎么重叠 形成什么别的键呢？ 另外一种化学键… 想象一下有两个p轨道 我先画两个原子核 每个原子核上都有一个p轨道 比如这个是原子核 它们都有p轨道 p轨道都是哑铃状的 它们俩要靠近一点才行 哑铃状的p轨道 我现在画这个原子的 一个p轨道 我再画大一点 你马上就能明白第二种键是怎么回事 这里有一个p轨道 像这样伸出来 这边的原子也有一个p轨道 这两个p轨道平行 长这样 我画的有点歪了 正过来一点 它是… 重合的部分要多点 所以这样 我想你明白了 这里 两个p轨道相互平行 你可以想象 这两个是sp3杂化轨道 它们是头碰头的 但是这两个是平行的 这两个p轨道是肩并肩的 你看 它们重合了 上边的波瓣上重合了 下边的波瓣也重合了 这就叫π键 我再说一次 这是一个π键 大家可以直接叫它pai 希腊字母的π 有时候也会直接写成PI键 它就叫π键 因为希腊字母的π相当于英文字母的p 而且它就是由p轨道形成的 σ键形成的是 单键 这些σ键比π键更牢固 π键通常出现在 σ键的基础上再形成双键或三键的 情况下 现在我们来举个例子 说明一下π键 就以乙烯为例吧 它的分子结构是这样的 碳碳之间是双键 然后每个碳上都只有2个氢 我把它的电子轨道画出来吧 示意一下 用最好理解的角度 画出碳周围的电子轨道 首先 我画的是sp2杂化轨道 我先讲讲这个是怎么回事儿 讲到甲烷的时候 甲烷其实就是 1个碳连了4个氢 然后如果我要用比较好的角度 来表示三维的甲烷的 空间四面体结构 甲烷就是这样的 这个氢是指向外的 这个氢是在屏幕上的 然后这个氢是向着屏幕里面的 还有一个向上的氢 这就是甲烷 大家已经知道了 碳的这4个电子轨道都是sp3杂化的 然后每个杂化轨道都和氢 形成σ键 我们上集讲过了 然后再画它的电子排布 为了让碳形成四个化学键 在甲烷中 碳的电子排布一定是这样的 它应该是1s2 然后这里不是2s2和2p2 而实际上是… 我还是这样写吧 好理解一点 我重新写个 在1s轨道上 有2个电子 然后 这里不是2s 而是两个电子 自己有1个 然后剩下的分给p的轨道 就是说 s轨道和p轨道杂化了 然后就形成了2sp3杂化轨道 还是一个2sp3杂化轨道 再来一个2sp3杂化轨道 这里还有一个sp3 通常 如果是单独的碳原子 这里会有一个2s 然后在x轴上有一个2p轨道 y轴上一个2p轨道 z轴上一个2p轨道 但是上次我们讲过了 甲烷的两个轨道杂化了 它们都有25%的s轨道血统 和75%的p轨道血统 而且电子会分散开来 如果是乙烯中的碳… 还记得嘛 “乙”表示2个碳 “烯” 因为它是个烯烃 这里有个碳碳双键 这样 在乙烯中碳的电子排布 就变成这样啦 看1s轨道 1s轨道还是满电子的 这上面有2个电子 然后在第二层上 我直接写… 我换个颜色吧 在第2层电子中 一会儿我会解释这些“2” 我故意没有写s或者p 不过我们还是有4个电子 一如往常 还是形成4个键 还是有4个单身的电子 每个碳还是要有1、2、3、4 4个键 所以它们会分散开来 但是在乙烯中 不是所有的p轨道都杂化的 一共有1个s轨道 和3个p轨道 但s轨道只和2个p轨道结合 所以这里是 2sp2杂化轨道 你可以想象一下 s轨道和其中2个p轨道结合 那么现在1/3是s 2/3是p轨道 然后剩下的p轨道就不变 而且我们需要它不变 是因为这个地方 要形成π键 一会儿我们就知道 π键在分子里的作用很有意思 它是不可以沿键轴旋转的 一会儿你就明白了 现在看看我们能不能 表示出这两个碳的三维结构 有… 我换个颜色 这儿有一个碳 比如说这是原子核 我写上C 这样大家就知道讲的是哪个碳了 然后再画… 假设这是1s轨道 1s围绕着核 范围非常小 然后还有3个杂化轨道 3个2ps2轨道 而且它们是共平面的 形成一个三角形 也有点像奔驰标志 不过我还是会努力画成立体的 第1个 是有点朝着屏幕外的 然后第2个 朝着屏幕里面 第3个… 它们的另一边还有一块小瓣 我就不画了 太挤了 它们还留着p轨道的特性 所以它们有两个波瓣 不过一大一小 然后第3个在这边 如果你在外面画个圈儿 就成了奔驰的标志啦 这是一个碳 当然 这个碳上也有氢 这里这个氢 它可能连在这里 氢只有1s轨道上的一个电子 这里这个氢 连在这儿 现在画第二个碳 这个碳在… 它们非常亲密 这个碳在这儿呢 它也有1s轨道 这两个碳的电子排布是一样的 1s轨道就在原子核附近 然后它的电子排布和第一个碳一样 这两个家伙 我都只… 第一个碳 我只画了这三个轨道 我还没画不杂化的那个p轨道呢 我马上就画 不过我先画它吧 首先 分子会形成 或者你可以想象 形成键 一个sp2轨道重叠成的键 我用一样的颜色表示 那么它会形成这个键 sp2杂化键 像这样 注意 这是一个σ键 这两个轨道的重叠 是头碰头的 这个比喻很好 这个碳上还有2个氢 其中一个… 它有一个朝屏幕里面的轨道 然后一个朝屏幕外面的 我画大一点 因为它是向着我们的嘛 对吧？ 然后这个氢 连在这里 这些也是σ键 一定要明白哦 它是s轨道和sp2轨道的重叠 不过也算是 头碰头的重叠了 方向和两个核的连线 是重合的 这是σ键 然后还有后面这个氢 它也是形成σ键 所以现在画出来的这些都是σ键 这个也是 这个也是 图有点乱了… 这儿是σ键 σ键 σ键 σ键 我已经画好了这个、这个、 这个、这个 还有这个 它们全都是σ键 那么 这两个碳的最后一个p轨道 怎么办？ 呐 它们 垂直这个奔驰标志 这是我能想到的最好的比喻了 我看看还有没有 没用过的颜色 哦 用这个紫色好了 你想象一个纯p轨道 一个纯p轨道… 我应该要画得再大一点 我应该要画得再大一点 一个纯p轨道 其实它相对来说没这么大啦 但是我要让它们重合啊 然后纯的p轨道是沿着… 你想象一下 沿着z轴 其他轨道 在xy这个平面上组成一个奔驰 然后z轴 垂直这个平面 下边这两个也要重合 我还是再画大一点吧 上边的是这样 下面是这样 而且是垂直的 注意 它们终于重合了 撒花… 所以这个键就是 这一横 两种表示方法都行 这就是第二个键 那现在结构是什么样的呢？ 让我好好解释一下 这个啊 是π键 然后这也是… 它们是同一个π键 就是这个π键 是双键里的第二个键 不过π键有什么不同？ 好啦 首先 π键自己比较弱 但是因为这里已经有一个σ键了 它会把两个原子拉在一起 这个π键会让两个原子更近一步 所以这个键长要小于 只有一个σ键的时候 现在 最有意思的是 如果这里只有一个σ键 这两个原子都可以沿着键 自由转动 这两个原子是可以旋转的 如果只有σ键的话 但是因为这里有了π键 它们是肩并肩的 而且它们会重叠 就有点把结构固定起来了 就不能转了 如果一个原子转动 那么另一个肯定要一起转 因为π键把两个原子锁一起了 所以这里 π键的作用是 让碳碳双键… 也就是说 双键是刚性的 你不能在一个原子不动的情况下 翻转另一个原子 和上面的氢 所以你也不能调换 这两个氢的相对位置 这就是π键的影响 希望这样大家就能清楚 σ键和π键的区别啦 要是你还好奇 如果分子… 我再整理一下 如果分子是乙炔 这个例子是乙烯 乙炔是这样的 中间有个三键 所以两边都只连着1个氢 这种情况下 这其中一根键 第1个键 想象一下 这三个是σ键 而且其实它们是sp杂化的 2s轨道只和一个p轨道杂化 所以这两个都是sp杂化轨道 形成的σ键 这些都是σ键 然后这两个… 我再换个颜色 这两个都是π键 如果你要想象一下 那就是还有一个p轨道 垂直屏幕 这边也还有一个 垂直屏幕的p轨道 垂直屏幕 然后它们重叠 然后分子的两端都只有一个氢 或许我还会用一集讲乙炔 所以 希望大家能听懂啦