碳原子的结构及轨道的杂化.ppt

关于碳原子的结构及轨道的杂化碳元素是形成有机化合物的主体元素，它位于元素周期表中第二周期第4主族，碳原子的电子结构为Is2、2s2、2p2。碳原子的最外层有4个电子，与其它原子结合时，不易得失电子，而通过电子对的共用与其它原子相结合。因此，有机化合物分子中的化学键主要是共价键。第2页,共27页，星期六，2024年，5月外层电子结构：2s2px2py2pz2s2px2py2pz第3页,共27页，星期六，2024年，5月在碳原子中，外层只有2个未成对的电子能形成共价键，所以碳原子应是2价。但实践证明，碳原子在有机化合物的结构中，一般都是4价，这是因为碳原子在成键时发生了电子的激发和轨道的杂化。即碳原子在成键时，其中有1个ZS电子激发到同一个电子层能级相近的2p轨道上去，变成了4个未成对的电子，碳原子即从基态转变为激发态。第4页,共27页，星期六，2024年，5月2s2px2py2pz2s2px2py2pz基态激发态基态激发态第5页,共27页，星期六，2024年，5月（二）轨道的杂化激发态碳原子的4个价电子中，1个是s电子，3个是p电子，其成键的能量。方向都不完全相同。但实验证明，在单键化合物分子中，碳的4个价键是完全相同的。这是由于在电子激发的同时发生了原子轨道的杂化。第6页,共27页，星期六，2024年，5月不同类型、能级相近的原子轨道，可以“混杂”起来重新形成一组数目相等，能量相同的新的轨道，这种新轨道叫做“杂化轨道”，这种“混杂”的过程叫做杂化。杂化轨道电子云的能量、形状及方向均发生了改变。杂化后的电子云变得向一个方向集中，在成键时则有利于电子云最大限度的重叠，且杂化轨道的空间排列，是互相之间尽可能相距最远，以使相互间的斥力最小，可以形成更为稳定的键。第7页,共27页，星期六，2024年，5月碳的杂化轨道有以下三种类型：1.sp3杂化轨道：由1个2s轨道和3个2p轨道杂化，形成能量、形状完全相等的4个sp3杂化轨道，4个sp3杂化轨道对称地指向正四面体的4个顶端，互相之间的夹角109°28′。杂化轨道的形状似葫芦形，一头大一头小，这样在成键时有利于电子云最大限度的重叠。第8页,共27页，星期六，2024年，5月烷烃分子中碳的4个价键。都是由sp3杂化轨道形成的。如甲烷分子中的4个C—H健完全相同，健角都是109°28′，与理论推断相符。第9页,共27页，星期六，2024年，5月（a）碳的sp3杂化轨道；（b）甲烷正四面体模型第10页,共27页，星期六，2024年，5月2．sp2杂化轨道：sp2杂化轨道由1个2s轨道和2个2p轨道发生杂化，形成能量、形状完全相同的3个sp2杂化轨道，形状与sp3杂化轨道类似，3个sp2杂化轨道间的夹角为120o，成平面正三角形。剩下的未参与杂化的1个p轨道垂直于sp2杂化轨道所在的平面。乙烯分子中的碳原子就是sp2杂化，所以乙烯分子为平面结构。第11页,共27页，星期六，2024年，5月碳的sp2杂化轨道第12页,共27页，星期六，2024年，5月3．sp杂化轨道：由1个2s轨道与1个2p轨道发生杂化，形成能量、形状完全相同的2个sp杂化轨道，轨道形状大体同前，两个杂化轨道的对称轴在同一直线上，所以两个轨道间的夹角为180o。剩下的2个未参加杂化的p轨道与杂化轨道间相互垂直。乙炔分子中的碳原子就是sp杂化，乙炔分子为直线形结构。第13页,共27页，星期六，2024年，5月碳的sp杂化轨道第14页,共27页，星期六，2024年，5月二、共价键的种类在有机化合物分子中，由于成键时原子轨道重叠方式不同，共价键可分为σ键和π键两种。第15页,共27页，星期六，2024年，5月σ键：轨道沿着键轴（即成键两原子核之连线）方向相互重叠，轨道的重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布，在两原子核间电子云密度最大。所以键结合得比较牢固，不易断裂，它是构成分子的骨架。第16页,共27页，星期六，2024年，5月π键：由2个相互平行的p轨道从侧面重叠，其重叠部分不呈圆柱形对称分布，而是具有1个对称面，由碳一碳键所在平面的上下两部分组成。而π键电子云重叠程度较小。也不象σ键电子云那样集中在2个原子核的连线上，而是垂直并对称地分布于σ键平面的上下，电子云流动性大，在外电场影响下较易极化并发生共价键的断裂，从而参与化学反应。第17页,共27页，星期六，2024年，5月一般来说，共价单键是σ键，共价双键中有1个σ