sp3 杂化轨道和σ键

我们先来复习一下 讲过的电子轨道的内容 我之前在基础化学课里讲过 我之前在基础化学课里讲过 比如这是 原子的原子核 超级小 在原子核周围的第一个轨道 是1s轨道 大家可以把1s轨道想象成 原子核附近的云 这是1s轨道 而且它可以容纳两个电子 所以第一个电子会进入1s轨道 然后第二个电子 也会进入1s轨道上 例如 氢原子只有一个电子 所以它一定在1s上 氦原子有两个电子 所以它们也都在1s轨道上 1s轨道填满了之后 电子就继续填到2s轨道上 你可以把2s轨道想象成 1s外面的一个壳 你不能用传统轨道的概念 理解电子轨道 而是要把它看做概率云 也就是电子出现的可能性 但是为了形象化一点 就把它想象成1s外面的 一个球壳就行啦 就想象一个1s轨道外面 一层毛茸茸的球壳就好了 那么它就在1s的外层 然后下一个电子就会进入这儿咯 第4个电子还是进入这儿 我这里标了上下箭头 是因为第一个 填到1s轨道的电子有一个自旋方向 然后第二个填到1s上的电子 自旋方向相反 而且电子都是这样凑对的 它们的自旋方向相反 如果我再继续填电子 那就来到2p轨道啦 实际上 大家可以把2p轨道看成三部分 每个部分都能hold住两个电子 所以2p轨道总共可以容纳 6个电子 我把这三个部分都画出来 你就看到了 我们可以建个坐标轴 想象它是三维的 假设这个是x轴 我用不同的颜色表示坐标 假设这个是y轴 然后这个是z轴 我用蓝色表示z轴 假设这个是z轴 每个坐标轴上 都有一瓣p轨道 所以2p… 我用一样的颜色表示 这有2px的轨道 然后轨道是哑铃形的 这两个是x轴方向的 画的不太好 凑合看吧 这是x轴方向的哑铃形轨道 正负两个方向都有 而且它其实是对称的 这头比这头大一点 这样看起来这边是向屏幕外的 我还是重新好好画一次 我可以画得更好的 应该是这个样子 要记住 电子轨道其实是概率云 但是为了便于理解 你可以把它想象成 看得到的东西 但是我觉得最好是 把它直接理解成概率云 这是2px轨道 我还没有说 电子怎样排布在p轨道上呢 不过接着还有2py轨道 沿着y轴 但是模样不变 它是y轴方上的哑铃状的轨道 正负两个方向都有 分别朝两个方向 然后我写出2py 然后还有2pz 沿着z轴像这样往上 然后往下 所以如果还有电子 第一个… 现在已经填进去4个电子啦 如果有第5个电子 那么它就会填在这个2px轨道上 虽然2px轨道可以容纳两个电子 第一个电子会进来 但第二个电子不会进来 电子想要均匀分布在p轨道里面 所以下一个电子 不会进入2px轨道 它会到2py 然后再下一个电子 不会占据2py或者2px 它会跑进2pz 它们会尽量把自己分开 如果再加一个电子 如果还有… 看看 我们已经填了1、2、3、 4、5、6、7个电子了 如果有第8个电子 它才会进入2px轨道 第8个电子会到这边来 但是自旋方向相反 刚才就是在视觉上 领大家复习一下 现在 复习完之后 我们来看看 碳原子的情况 碳原子有6个电子 它的电子构型是 1s2 1s轨道上有2个电子 然后2s2 接着2p2 对嘛？ 只剩下2个电子了 因为一共只有6个电子 2个在1s 2个在2s 剩下的2个会进入p轨道 根据我们刚刚画的图 和讲到的东西 你觉得碳… 我用这个格式表示吧 那么 有1s轨道、2s轨道 然后2px轨道 2py轨道 还有2pz的轨道 如果按照电子排布规律来看 你可能会以为碳原子… 那么先填1s轨道 这是第1个电子 第2个电子 然后第3个电子 它在2s轨道上 第3个和第4个电子都在2s轨道上 然后你预计第5个电子会 排布在2px上 或者是2py 或者2pz 这个就看你怎么标坐标轴了 第5个电子 会进入1个p轨道 然后你觉得第6个会进入另一个p轨道 你会以为这个就是 碳原子的电子排布啦 如果要画出来… 我把坐标都画出来 这是y轴 然后这是x轴 我画漂亮点儿 这是x轴 当然还有z轴 你需要建立一点立体感 然后还有z轴 就像这样 首先 电子填充1s轨道 所以如果原子核在这里 1s轨道上有2个电子 你可以把1s想象成 围绕原子核的云 然后再填充2s轨道 而2s轨道环绕在1s外面 像1s的球壳一样 然后再把1个电子放在2px轨道上 所以有1个电子可以 在2px上乱蹦乱晃 你可以想象它在这2px上 各种运动 然后下一个电子在2py轨道上 活蹦乱跳 那么它就是在这里面运动的 如果你在这一步停下来 你没准儿会说 你知道嘛？ 这些电子 它和它都好孤单好可怜 它一直在找个自旋相反的对象 这些就是唯一可以成键的地方 在x轨道和y轨道上 可以形成某些化学键 现在 这就是你推测的结果 如果你严格坚持 排布的规则 和轨道的外形 但现实是… 我觉得碳最简单的特点是 如果你仔细观察过甲烷分子 你会发现和你的猜想一点都不一样 首先 你会猜测 碳很可能… 应该可以形成两个化学键 但是我们知道 碳有四个键 而且它想假装有8个电子 坦白讲 几乎所有的原子都想 假装自己有8个电子结构 所以为了美梦成真 你需要考虑一下另一个可能 这不是碳真实的成键方式 碳不是这样成键的 那么碳的真实的成键情况是什么？ 这就涉及到了 sp3轨道杂化的问题 不过你会发现 它不是很复杂 虽然听起来挺吓人的 不过其实非常直接简单 碳的真正的成键情况是… 因为碳要形成4个化学键 它的排布变了 你可以想象排布变成这样 那么有1s轨道 上面有两个电子 然后是2s、2px、2py和2pz 大家可以想象一下 它想形成4个键 就是有四个电子都想 从别的分子里找到对象 比如说甲烷 其他分子就是氢原子 所以可以想象电子其实… 可能是氢原子把这个电子带到了 高能级状态 然后把它放在2z上 这是一种想象方法 所以这个电子可能跑到这里来了 然后这两个孩子还在这里 然后马上 看起来就有了4个单身汉了 而且它们都想要对象 然后这样表示碳成键的原理就更准确啦 碳总是和4个电子成键 好啦 哪个电子被放到了 哪个轨道上都是随机的 所以即使你学会了这种成键 也不清楚氢 是在x、y还是z轴上成键的 碳成键的真相是 第2层轨道的这4个电子 不像… 第一个电子不是只呆在s轨道上的 然后另外3个也不是只在p的x、y、z上 看上去 它们又在s轨道上 又在p轨道上 我再讲清楚一点 所以这个轨道不是2s 对于碳原子来说 它就是2sp3轨道 这个看上去就是2sp3轨道 是2sp3轨道 这个也是2sp3轨道 这些轨道看起来一模一样 这是一种特殊的… 它的名字不错 这叫sp3杂化轨道 这个轨道就像是 介于s轨道和p轨道之间的轨道 这个轨道有25%的s的特性 和75%的p的特性 你可以把它想象成 这四个轨道的混合体 这就是碳的心机所在 这些轨道杂化之后 就没有这个s轨道了 如果这个是原子核 我们来画横切面 s轨道是这样子的 p轨道有点像回形针 这是s轨道 这是p轨道 轨道杂化以后 轨道变了 sp3轨道是这个模样的 这是sp3杂化轨道 Hybrid表示两者结合 hybid car就是气电混合动力车 杂化轨道就是s轨道和p轨道的结合 sp3杂化轨道就是 碳氢成键时的轨道 其实碳和别人成键也是这样 所以如果你仔细观察甲烷 然后听说了sp3杂化轨道 他们指的就是 中心有一个碳原子… 比如中间有个碳的原子核… 这里就不是1个s轨道和3个p轨道了 而是4个sp3杂化轨道 我努力画好 sp3轨道 比如说这波瓣 指向我们 然后它后面有一个小的波瓣 然后再来一个 大波瓣 然后它后面有个小波瓣 然后还有一个在屏幕后面的轨道 我画一下 这个有点像三脚凳 然后这个上面有个小波瓣 然后还有一个 垂直向上的大波瓣 然后有一个向下的小波瓣 你可以把它想象成一个三脚凳 有一个腿儿是朝里的 而这个是向上的 这是一个三脚凳… 它点像三脚架一样 我觉得还是三脚架容易想象一点 然后中间有一个碳原子核 然后还有氢 所以这是碳 然后是氢 氢原子在这里 氢只有一个在1s上的电子 所以是 氢原子和1s轨道 这里有个氢原子 它有1s轨道 氢原子 1s轨道 氢原子 1s轨道 这就是氢的电子轨道 和碳的电子轨道结合的的样子 氢的1s轨道和… 你看 每个氢的1s轨道 都和碳的sp3轨道成键 你需要注意的一点是 人们提到sp3轨道的时候 他们说的其实是 呐 碳不是… 如果碳… 这是一个甲烷 对嘛？ 这是CH4 甲烷 而它的成键方式和你想象的不同 如果你直接理解成s和p轨道 那么键就会在… 可能氢连在这里和这儿 如果有4个氢 就可以是这儿… 就看你想怎么成键啦 但是实际情况并非如此 它和三脚架的形状差不多 是个四面体的形状 最好的解释 分子结构的办法 就是 实际上有4个… 4个同样类型的电子轨道 而且这4个电子轨道 就是s和p的杂化 另外一个需要注意的地方是 有时大家觉得有点怪怪的 不过如果两个原子之间成键 两个轨道是头碰头的 你可以想象 这个氢电子轨道向着这边 sp3轨道指向这边 所以这里两个电子轨道重合 这个叫σ键 重合的方向沿着轨道 如果两个原子成键的话 这里 两个分子成键 轨道重合的方向就在轴上 所以这是最牢固的共价键 这里给下集我们讨论π键 这里给下集我们讨论π键 打个好基础 这集里最重要的一点就是 理解杂化轨道的意义 sp3杂化轨道是什么呢？ 没什么复杂的 sp3杂化轨道就是s和p轨道的结合 它有25%的s的性质 和75%的p的性质 这都很合理的 碳成键的时候轨道就会杂化 尤其是甲烷 这就是分子是四面体结构的原因 这就是两个键之间 角度总是109.5°的原因 有些化学老师会讲这个 它非常有用 如果你量一下这个键角 是109.5° 这个键角也一样的 把分子翻过来看 这个键角也是109.5° sp3杂化能解释这一切 这些化学键都是σ键 重叠的方向就在 碳氢相连的轴上