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sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds
相關課程
- 我們先來複習一下
- 講過的軌域的內容
- 我之前在基礎化學課裏講過
- 我之前在基礎化學課裏講過
- 比如這是
- 原子的原子核 超級小
- 在原子核周圍的第一個軌道
- 是1s軌道
- 大家可以把1s軌道想象成
- 原子核附近的雲
- 這是1s軌道
- 而且它可以容納兩個電子
- 所以第一個電子會進入1s軌道
- 然後第二個電子
- 也會進入1s軌道上
- 例如 氫原子只有一個電子
- 所以它一定在1s上
- 氦原子有兩個電子
- 所以它們也都在1s軌道上
- 1s軌道填滿了之後
- 電子就繼續填到2s軌道上
- 你可以把2s軌道想象成
- 1s外面的一個殼
- 你不能用傳統軌道的概念
- 理解軌域
- 而是要把它看做機率雲
- 也就是電子出現的可能性
- 但是爲了形象化一點
- 就把它想象成1s外面的
- 一個球殼就行啦
- 就想象一個1s軌道外面
- 一層毛茸茸的球殼就好了
- 那麽它就在1s的外層
- 然後下一個電子就會進入這兒咯
- 第4個電子還是進入這兒
- 我這裡標了上下箭頭
- 是因爲第一個
- 填到1s軌道的電子有一個自轉方向
- 然後第二個填到1s上的電子
- 自轉方向相反
- 而且電子都是這樣湊對的
- 它們的自轉方向相反
- 如果我再繼續填電子
- 那就來到2p軌道啦
- 實際上
- 大家可以把2p軌道看成三部分
- 每個部分都能hold住兩個電子
- 所以2p軌道總共可以容納
- 6個電子
- 我把這三個部分都畫出來
- 你就看到了
- 我們可以建個坐標軸
- 想象它是三維的
- 假設這個是x軸
- 我用不同的顏色表示坐標
- 假設這個是y軸
- 然後這個是z軸
- 我用藍色表示z軸
- 假設這個是z軸
- 每個坐標軸上
- 都有一瓣p軌道
- 所以2p…
- 我用一樣的顏色表示
- 這有2px的軌道
- 然後軌道是啞鈴形的
- 這兩個是x軸方向的
- 畫的不太好 湊合看吧
- 這是x軸方向的啞鈴形軌道
- 正負兩個方向都有
- 而且它其實是對稱的
- 這頭比這頭大一點
- 這樣看起來這邊是向屏幕外的
- 我還是重新好好畫一次
- 我可以畫得更好的
- 應該是這個樣子
- 要記住 軌域其實是機率雲
- 但是爲了便於理解
- 你可以把它想象成
- 看得到的東西
- 但是我覺得最好是
- 把它直接理解成機率雲
- 這是2px軌道
- 我還沒有說
- 電子怎樣排布在p軌道上呢
- 不過接著還有2py軌道
- 沿著y軸 但是模樣不變
- 它是y軸方上的啞鈴狀的軌道
- 正負兩個方向都有
- 分別朝兩個方向
- 然後我寫出2py
- 然後還有2pz
- 沿著z軸像這樣往上
- 然後往下
- 所以如果還有電子 第一個…
- 現在已經填進去4個電子啦
- 如果有第5個電子
- 那麽它就會填在這個2px軌道上
- 雖然2px軌道可以容納兩個電子
- 第一個電子會進來
- 但第二個電子不會進來
- 電子想要均勻分布在p軌道裏面
- 所以下一個電子
- 不會進入2px軌道
- 它會到2py
- 然後再下一個電子
- 不會占據2py或者2px
- 它會跑進2pz
- 它們會盡量把自己分開
- 如果再加一個電子 如果還有…
- 看看 我們已經填了1、2、3、
- 4、5、6、7個電子了
- 如果有第8個電子
- 它才會進入2px軌道
- 第8個電子會到這邊來
- 但是自轉方向相反
- 剛才就是在視覺上
- 領大家複習一下
- 現在 複習完之後
- 我們來看看
- 碳原子的情況
- 碳原子有6個電子
- 它的電子構型是
- 1s2 1s軌道上有2個電子
- 然後2s2
- 接著2p2 對嘛？
- 只剩下2個電子了
- 因爲一共只有6個電子
- 2個在1s 2個在2s
- 剩下的2個會進入p軌道
- 根據我們剛剛畫的圖
- 和講到的東西
- 你覺得碳…
- 我用這個格式表示吧
- 那麽 有1s軌道、2s軌道
- 然後2px軌道
- 2py軌道
- 還有2pz的軌道
- 如果按照電子排布規律來看
- 你可能會以爲碳原子…
- 那麽先填1s軌道
- 這是第1個電子
- 第2個電子
- 然後第3個電子 它在2s軌道上
- 第3個和第4個電子都在2s軌道上
- 然後你預計第5個電子會
- 排布在2px上
- 或者是2py 或者2pz
- 這個就看你怎麽標坐標軸了
- 第5個電子
- 會進入1個p軌道
- 然後你覺得第6個會進入另一個p軌道
- 你會以爲這個就是
- 碳原子的電子排布啦
- 如果要畫出來…
- 我把坐標都畫出來
- 這是y軸
- 然後這是x軸
- 我畫漂亮點兒
- 這是x軸
- 當然還有z軸
- 你需要建立一點立體感
- 然後還有z軸 就像這樣
- 首先 電子填充1s軌道
- 所以如果原子核在這裡
- 1s軌道上有2個電子
- 你可以把1s想象成
- 圍繞原子核的雲
- 然後再填充2s軌道
- 而2s軌道環繞在1s外面
- 像1s的球殼一樣
- 然後再把1個電子放在2px軌道上
- 所以有1個電子可以
- 在2px上亂蹦亂晃
- 你可以想象它在這2px上
- 各種運動
- 然後下一個電子在2py軌道上
- 活蹦亂跳
- 那麽它就是在這裡面運動的
- 如果你在這一步停下來
- 你沒準兒會說 你知道嘛？
- 這些電子
- 它和它都好孤單好可憐
- 它一直在找個自轉相反的對象
- 這些就是唯一可以成鍵的地方
- 在x軌道和y軌道上
- 可以形成某些化學鍵
- 現在 這就是你推測的結果
- 如果你嚴格堅持
- 排布的規則
- 和軌道的外形
- 但現實是…
- 我覺得碳最簡單的特點是
- 如果你仔細觀察過甲烷分子
- 你會發現和你的猜想一點都不一樣
- 首先 你會猜測
- 碳很可能…
- 應該可以形成兩個化學鍵
- 但是我們知道 碳有四個鍵
- 而且它想假裝有8個電子
- 坦白講 幾乎所有的原子都想
- 假裝自己有8個電子結構
- 所以爲了美夢成真
- 你需要考慮一下另一個可能
- 這不是碳真實的成鍵方式
- 碳不是這樣成鍵的
- 那麽碳的真實的成鍵情況是什麽？
- 這就涉及到了
- sp3軌道雜化的問題
- 不過你會發現
- 它不是很複雜
- 雖然聽起來挺嚇人的
- 不過其實非常直接簡單
- 碳的真正的成鍵情況是…
- 因爲碳要形成4個化學鍵
- 它的排布變了
- 你可以想象排布變成這樣
- 那麽有1s軌道 上面有兩個電子
- 然後是2s、2px、2py和2pz
- 大家可以想象一下
- 它想形成4個鍵
- 就是有四個電子都想
- 從別的分子裏找到對象
- 比如說甲烷
- 其他分子就是氫原子
- 所以可以想象電子其實…
- 可能是氫原子把這個電子帶到了
- 高能級狀態
- 然後把它放在2z上
- 這是一種想象方法
- 所以這個電子可能跑到這裡來了
- 然後這兩個孩子還在這裡
- 然後馬上
- 看起來就有了4個單身漢了
- 而且它們都想要對象
- 然後這樣表示碳成鍵的原理就更準確啦
- 碳總是和4個電子成鍵
- 好啦 哪個電子被放到了
- 哪個軌道上都是隨機的
- 所以即使你學會了這種成鍵
- 也不清楚氫
- 是在x、y還是z軸上成鍵的
- 碳成鍵的真相是
- 第2層軌道的這4個電子
- 不像…
- 第一個電子不是只呆在s軌道上的
- 然後另外3個也不是只在p的x、y、z上
- 看上去 它們又在s軌道上
- 又在p軌道上
- 我再講清楚一點
- 所以這個軌道不是2s
- 對於碳原子來說
- 它就是2sp3軌道
- 這個看上去就是2sp3軌道
- 是2sp3軌道
- 這個也是2sp3軌道
- 這些軌道看起來一模一樣
- 這是一種特殊的…
- 它的名字不錯
- 這叫sp3混成軌域
- 這個軌道就像是
- 介於s軌道和p軌道之間的軌道
- 這個軌道有25%的s的特性
- 和75%的p的特性
- 你可以把它想象成
- 這四個軌道的混合體
- 這就是碳的心機所在
- 這些軌道雜化之後
- 就沒有這個s軌道了
- 如果這個是原子核 我們來畫橫切平面
- s軌道是這樣子的
- p軌道有點像回形針
- 這是s軌道 這是p軌道
- 軌道雜化以後 軌道變了
- sp3軌道是這個模樣的
- 這是sp3混成軌域
- Hybrid表示兩者結合
- hybid car就是氣電混合動力車
- 混成軌域就是s軌道和p軌道的結合
- sp3混成軌域就是
- 碳氫成鍵時的軌道
- 其實碳和別人成鍵也是這樣
- 所以如果你仔細觀察甲烷
- 然後聽說了sp3混成軌域
- 他們指的就是
- 中心有一個碳原子…
- 比如中間有個碳的原子核…
- 這裡就不是1個s軌道和3個p軌道了
- 而是4個sp3混成軌域
- 我努力畫好
- sp3軌道
- 比如說這波瓣
- 指向我們
- 然後它後面有一個小的波瓣
- 然後再來一個
- 大波瓣
- 然後它後面有個小波瓣
- 然後還有一個在屏幕後面的軌道
- 我畫一下
- 這個有點像三腳凳
- 然後這個上面有個小波瓣
- 然後還有一個
- 垂直向上的大波瓣
- 然後有一個向下的小波瓣
- 你可以把它想象成一個三腳凳
- 有一個腿兒是朝裏的
- 而這個是向上的
- 這是一個三腳凳…
- 它點像三腳架一樣
- 我覺得還是三腳架容易想象一點
- 然後中間有一個碳原子核
- 然後還有氫
- 所以這是碳
- 然後是氫
- 氫原子在這裡
- 氫只有一個在1s上的電子
- 所以是 氫原子和1s軌道
- 這裡有個氫原子 它有1s軌道
- 氫原子 1s軌道
- 氫原子 1s軌道
- 這就是氫的軌域
- 和碳的軌域結合的的樣子
- 氫的1s軌道和…
- 你看 每個氫的1s軌道
- 都和碳的sp3軌道成鍵
- 你需要注意的一點是
- 人們提到sp3軌道的時候
- 他們說的其實是 呐 碳不是…
- 如果碳…
- 這是一個甲烷 對嘛？
- 這是CH4 甲烷
- 而它的成鍵方式和你想象的不同
- 如果你直接理解成s和p軌道
- 那麽鍵就會在…
- 可能氫連在這裡和這兒
- 如果有4個氫 就可以是這兒…
- 就看你想怎麽成鍵啦
- 但是實際情況並非如此
- 它和三腳架的形狀差不多
- 是個四面體的形狀
- 最好的解釋
- 分子結構的辦法
- 就是 實際上有4個…
- 4個同樣類型的軌域
- 而且這4個軌域
- 就是s和p的雜化
- 另外一個需要注意的地方是
- 有時大家覺得有點怪怪的
- 不過如果兩個原子之間成鍵
- 兩個軌道是頭碰頭的
- 你可以想象
- 這個氫軌域向著這邊
- sp3軌道指向這邊
- 所以這裡兩個軌域重合
- 這個叫σ鍵
- 重合的方向沿著軌道
- 如果兩個原子成鍵的話
- 這裡 兩個分子成鍵
- 軌道重合的方向就在軸上
- 所以這是最牢固的共價鍵
- 這裡給下集我們討論π鍵
- 這裡給下集我們討論π鍵
- 打個好基礎
- 這集裏最重要的一點就是
- 理解混成軌域的意義
- sp3混成軌域是什麽呢？
- 沒什麽複雜的
- sp3混成軌域就是s和p軌道的結合
- 它有25%的s的性質
- 和75%的p的性質
- 這都很合理的
- 碳成鍵的時候軌道就會雜化
- 尤其是甲烷
- 這就是分子是四面體結構的原因
- 這就是兩個鍵之間
- 角度總是109.5°的原因
- 有些化學老師會講這個
- 它非常有用
- 如果你量一下這個鍵角 是109.5°
- 這個鍵角也一樣的
- 把分子翻過來看
- 這個鍵角也是109.5°
- sp3雜化能解釋這一切
- 這些化學鍵都是σ鍵
- 疊置的方向就在
- 碳氫相連的軸上
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