sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds
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0:01 - 0:03我们先来复习一下
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0:03 - 0:04讲过的电子轨道的内容
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0:04 - 0:06我之前在基础化学课里讲过
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0:06 - 0:08我之前在基础化学课里讲过
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0:08 - 0:10比如这是
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0:10 - 0:12原子的原子核 超级小
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0:12 - 0:14在原子核周围的第一个轨道
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0:14 - 0:16是1s轨道
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0:16 - 0:19大家可以把1s轨道想象成
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0:19 - 0:23原子核附近的云
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0:23 - 0:25这是1s轨道
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0:25 - 0:27而且它可以容纳两个电子
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0:27 - 0:30所以第一个电子会进入1s轨道
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0:30 - 0:31然后第二个电子
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0:31 - 0:33也会进入1s轨道上
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0:33 - 0:36例如 氢原子只有一个电子
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0:36 - 0:37所以它一定在1s上
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0:37 - 0:38氦原子有两个电子
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0:38 - 0:40所以它们也都在1s轨道上
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0:40 - 0:421s轨道填满了之后
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0:42 - 0:50电子就继续填到2s轨道上
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0:50 - 0:52你可以把2s轨道想象成
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0:52 - 0:541s外面的一个壳
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0:54 - 0:56你不能用传统轨道的概念
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0:56 - 0:58理解电子轨道
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0:58 - 1:00而是要把它看做概率云
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1:00 - 1:02也就是电子出现的可能性
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1:02 - 1:03但是为了形象化一点
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1:03 - 1:05就把它想象成1s外面的
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1:06 - 1:09一个球壳就行啦
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1:09 - 1:13就想象一个1s轨道外面
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1:13 - 1:14一层毛茸茸的球壳就好了
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1:14 - 1:16那么它就在1s的外层
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1:16 - 1:20然后下一个电子就会进入这儿咯
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1:20 - 1:22第4个电子还是进入这儿
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1:22 - 1:25我这里标了上下箭头
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1:25 - 1:26是因为第一个
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1:26 - 1:30填到1s轨道的电子有一个自旋方向
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1:30 - 1:33然后第二个填到1s上的电子
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1:33 - 1:34自旋方向相反
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1:34 - 1:36而且电子都是这样凑对的
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1:36 - 1:38它们的自旋方向相反
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1:38 - 1:40如果我再继续填电子
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1:40 - 1:46那就来到2p轨道啦
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1:46 - 1:47实际上
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1:47 - 1:50大家可以把2p轨道看成三部分
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1:50 - 1:52每个部分都能hold住两个电子
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1:53 - 1:55所以2p轨道总共可以容纳
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1:55 - 1:576个电子
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1:57 - 1:58我把这三个部分都画出来
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1:58 - 1:59你就看到了
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1:59 - 2:01我们可以建个坐标轴
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2:01 - 2:02想象它是三维的
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2:02 - 2:08假设这个是x轴
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2:08 - 2:11我用不同的颜色表示坐标
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2:11 - 2:17假设这个是y轴
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2:17 - 2:20然后这个是z轴
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2:20 - 2:21我用蓝色表示z轴
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2:21 - 2:25假设这个是z轴
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2:25 - 2:27每个坐标轴上
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2:27 - 2:30都有一瓣p轨道
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2:30 - 2:34所以2p…
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2:34 - 2:37我用一样的颜色表示
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2:37 - 2:43这有2px的轨道
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2:43 - 2:45然后轨道是哑铃形的
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2:45 - 2:46这两个是x轴方向的
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2:46 - 2:49画的不太好 凑合看吧
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2:49 - 2:53这是x轴方向的哑铃形轨道
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2:53 - 2:54正负两个方向都有
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2:54 - 2:56而且它其实是对称的
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2:56 - 2:57这头比这头大一点
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2:57 - 2:59这样看起来这边是向屏幕外的
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2:59 - 3:01我还是重新好好画一次
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3:01 - 3:03我可以画得更好的
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3:03 - 3:06应该是这个样子
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3:06 - 3:08要记住 电子轨道其实是概率云
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3:09 - 3:11但是为了便于理解
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3:11 - 3:14你可以把它想象成
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3:14 - 3:14看得到的东西
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3:14 - 3:16但是我觉得最好是
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3:16 - 3:17把它直接理解成概率云
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3:17 - 3:19这是2px轨道
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3:19 - 3:21我还没有说
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3:21 - 3:22电子怎样排布在p轨道上呢
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3:22 - 3:23不过接着还有2py轨道
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3:24 - 3:25沿着y轴 但是模样不变
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3:25 - 3:29它是y轴方上的哑铃状的轨道
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3:29 - 3:32正负两个方向都有
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3:32 - 3:35分别朝两个方向
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3:35 - 3:38然后我写出2py
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3:38 - 3:44然后还有2pz
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3:44 - 3:48沿着z轴像这样往上
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3:48 - 3:52然后往下
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3:53 - 3:56所以如果还有电子 第一个…
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3:56 - 3:58现在已经填进去4个电子啦
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3:58 - 4:02如果有第5个电子
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4:02 - 4:10那么它就会填在这个2px轨道上
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4:10 - 4:12虽然2px轨道可以容纳两个电子
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4:12 - 4:13第一个电子会进来
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4:13 - 4:15但第二个电子不会进来
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4:15 - 4:18电子想要均匀分布在p轨道里面
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4:18 - 4:19所以下一个电子
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4:19 - 4:22不会进入2px轨道
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4:22 - 4:24它会到2py
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4:24 - 4:26然后再下一个电子
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4:26 - 4:27不会占据2py或者2px
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4:27 - 4:29它会跑进2pz
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4:29 - 4:31它们会尽量把自己分开
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4:31 - 4:34如果再加一个电子 如果还有…
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4:34 - 4:36看看 我们已经填了1、2、3、
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4:36 - 4:374、5、6、7个电子了
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4:37 - 4:38如果有第8个电子
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4:38 - 4:42它才会进入2px轨道
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4:42 - 4:44第8个电子会到这边来
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4:44 - 4:46但是自旋方向相反
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4:46 - 4:48刚才就是在视觉上
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4:48 - 4:49领大家复习一下
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4:50 - 4:51现在 复习完之后
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4:51 - 4:52我们来看看
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4:52 - 4:54碳原子的情况
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4:54 - 5:02碳原子有6个电子
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5:02 - 5:04它的电子构型是
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5:04 - 5:091s2 1s轨道上有2个电子
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5:09 - 5:11然后2s2
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5:11 - 5:14接着2p2 对嘛？
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5:14 - 5:16只剩下2个电子了
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5:16 - 5:17因为一共只有6个电子
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5:17 - 5:192个在1s 2个在2s
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5:19 - 5:22剩下的2个会进入p轨道
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5:22 - 5:24根据我们刚刚画的图
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5:24 - 5:26和讲到的东西
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5:26 - 5:29你觉得碳…
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5:29 - 5:31我用这个格式表示吧
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5:31 - 5:35那么 有1s轨道、2s轨道
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5:35 - 5:38然后2px轨道
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5:38 - 5:412py轨道
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5:41 - 5:44还有2pz的轨道
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5:44 - 5:46如果按照电子排布规律来看
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5:46 - 5:48你可能会以为碳原子…
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5:48 - 5:50那么先填1s轨道
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5:50 - 5:51这是第1个电子
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5:51 - 5:52第2个电子
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5:52 - 5:55然后第3个电子 它在2s轨道上
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5:55 - 5:59第3个和第4个电子都在2s轨道上
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5:59 - 6:01然后你预计第5个电子会
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6:01 - 6:03排布在2px上
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6:03 - 6:04或者是2py 或者2pz
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6:04 - 6:06这个就看你怎么标坐标轴了
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6:06 - 6:09第5个电子
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6:09 - 6:11会进入1个p轨道
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6:11 - 6:13然后你觉得第6个会进入另一个p轨道
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6:13 - 6:16你会以为这个就是
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6:16 - 6:17碳原子的电子排布啦
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6:17 - 6:20如果要画出来…
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6:20 - 6:21我把坐标都画出来
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6:21 - 6:24这是y轴
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6:24 - 6:27然后这是x轴
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6:27 - 6:31我画漂亮点儿
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6:31 - 6:34这是x轴
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6:34 - 6:36当然还有z轴
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6:36 - 6:38你需要建立一点立体感
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6:38 - 6:45然后还有z轴 就像这样
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6:45 - 6:47首先 电子填充1s轨道
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6:47 - 6:49所以如果原子核在这里
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6:49 - 6:511s轨道上有2个电子
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6:52 - 6:53你可以把1s想象成
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6:53 - 6:54围绕原子核的云
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6:54 - 6:57然后再填充2s轨道
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6:57 - 7:01而2s轨道环绕在1s外面
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7:01 - 7:02像1s的球壳一样
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7:02 - 7:06然后再把1个电子放在2px轨道上
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7:06 - 7:07所以有1个电子可以
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7:07 - 7:10在2px上乱蹦乱晃
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7:10 - 7:11你可以想象它在这2px上
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7:11 - 7:14各种运动
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7:14 - 7:17然后下一个电子在2py轨道上
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7:17 - 7:19活蹦乱跳
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7:19 - 7:22那么它就是在这里面运动的
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7:22 - 7:25如果你在这一步停下来
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7:25 - 7:26你没准儿会说 你知道嘛？
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7:26 - 7:27这些电子
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7:27 - 7:31它和它都好孤单好可怜
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7:31 - 7:34它一直在找个自旋相反的对象
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7:34 - 7:36这些就是唯一可以成键的地方
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7:36 - 7:39在x轨道和y轨道上
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7:39 - 7:42可以形成某些化学键
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7:42 - 7:44现在 这就是你推测的结果
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7:44 - 7:45如果你严格坚持
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7:45 - 7:47排布的规则
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7:47 - 7:49和轨道的外形
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7:49 - 7:51但现实是…
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7:51 - 7:52我觉得碳最简单的特点是
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7:52 - 7:56如果你仔细观察过甲烷分子
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7:56 - 7:59你会发现和你的猜想一点都不一样
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7:59 - 8:01首先 你会猜测
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8:01 - 8:02碳很可能…
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8:02 - 8:04应该可以形成两个化学键
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8:04 - 8:06但是我们知道 碳有四个键
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8:06 - 8:09而且它想假装有8个电子
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8:09 - 8:12坦白讲 几乎所有的原子都想
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8:12 - 8:14假装自己有8个电子结构
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8:14 - 8:15所以为了美梦成真
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8:15 - 8:17你需要考虑一下另一个可能
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8:17 - 8:20这不是碳真实的成键方式
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8:20 - 8:31碳不是这样成键的
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8:31 - 8:34那么碳的真实的成键情况是什么？
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8:34 - 8:35这就涉及到了
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8:35 - 8:38sp3轨道杂化的问题
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8:38 - 8:39不过你会发现
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8:39 - 8:40它不是很复杂
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8:40 - 8:41虽然听起来挺吓人的
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8:41 - 8:43不过其实非常直接简单
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8:43 - 8:45碳的真正的成键情况是…
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8:45 - 8:47因为碳要形成4个化学键
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8:47 - 8:49它的排布变了
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8:49 - 8:53你可以想象排布变成这样
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8:53 - 8:57那么有1s轨道 上面有两个电子
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8:57 - 9:05然后是2s、2px、2py和2pz
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9:05 - 9:06大家可以想象一下
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9:06 - 9:07它想形成4个键
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9:08 - 9:09就是有四个电子都想
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9:09 - 9:12从别的分子里找到对象
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9:12 - 9:13比如说甲烷
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9:13 - 9:15其他分子就是氢原子
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9:15 - 9:19所以可以想象电子其实…
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9:19 - 9:24可能是氢原子把这个电子带到了
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9:24 - 9:25高能级状态
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9:25 - 9:27然后把它放在2z上
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9:27 - 9:28这是一种想象方法
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9:28 - 9:31所以这个电子可能跑到这里来了
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9:31 - 9:34然后这两个孩子还在这里
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9:34 - 9:34然后马上
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9:34 - 9:37看起来就有了4个单身汉了
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9:37 - 9:39而且它们都想要对象
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9:39 - 9:42然后这样表示碳成键的原理就更准确啦
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9:42 - 9:44碳总是和4个电子成键
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9:44 - 9:46好啦 哪个电子被放到了
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9:46 - 9:49哪个轨道上都是随机的
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9:49 - 9:51所以即使你学会了这种成键
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9:51 - 9:53也不清楚氢
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9:53 - 9:57是在x、y还是z轴上成键的
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9:57 - 10:00碳成键的真相是
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10:00 - 10:04第2层轨道的这4个电子
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10:04 - 10:06不像…
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10:06 - 10:08第一个电子不是只呆在s轨道上的
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10:08 - 10:12然后另外3个也不是只在p的x、y、z上
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10:12 - 10:14看上去 它们又在s轨道上
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10:14 - 10:17又在p轨道上
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10:17 - 10:18我再讲清楚一点
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10:18 - 10:20所以这个轨道不是2s
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10:20 - 10:22对于碳原子来说
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10:22 - 10:26它就是2sp3轨道
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10:26 - 10:30这个看上去就是2sp3轨道
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10:30 - 10:32是2sp3轨道
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10:32 - 10:34这个也是2sp3轨道
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10:34 - 10:37这些轨道看起来一模一样
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10:37 - 10:38这是一种特殊的…
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10:38 - 10:39它的名字不错
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10:39 - 10:42这叫sp3杂化轨道
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10:42 - 10:44这个轨道就像是
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10:44 - 10:46介于s轨道和p轨道之间的轨道
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10:47 - 10:49这个轨道有25%的s的特性
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10:49 - 10:51和75%的p的特性
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10:51 - 10:52你可以把它想象成
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10:52 - 10:56这四个轨道的混合体
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10:56 - 10:58这就是碳的心机所在
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10:58 - 11:01这些轨道杂化之后
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11:01 - 11:03就没有这个s轨道了
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11:03 - 11:05如果这个是原子核 我们来画横切面
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11:05 - 11:08s轨道是这样子的
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11:08 - 11:14p轨道有点像回形针
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11:14 - 11:19这是s轨道 这是p轨道
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11:19 - 11:22轨道杂化以后 轨道变了
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11:22 - 11:28sp3轨道是这个模样的
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11:28 - 11:33这是sp3杂化轨道
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11:33 - 11:35Hybrid表示两者结合
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11:35 - 11:40hybid car就是气电混合动力车
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11:40 - 11:43杂化轨道就是s轨道和p轨道的结合
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11:43 - 11:47sp3杂化轨道就是
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11:47 - 11:50碳氢成键时的轨道
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11:50 - 11:52其实碳和别人成键也是这样
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11:52 - 11:55所以如果你仔细观察甲烷
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11:55 - 11:58然后听说了sp3杂化轨道
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11:58 - 12:00他们指的就是
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12:00 - 12:01中心有一个碳原子…
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12:01 - 12:05比如中间有个碳的原子核…
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12:06 - 12:10这里就不是1个s轨道和3个p轨道了
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12:10 - 12:16而是4个sp3杂化轨道
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12:16 - 12:17我努力画好
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12:18 - 12:20sp3轨道
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12:20 - 12:22比如说这波瓣
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12:22 - 12:23指向我们
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12:23 - 12:25然后它后面有一个小的波瓣
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12:25 - 12:27然后再来一个
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12:27 - 12:30大波瓣
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12:30 - 12:32然后它后面有个小波瓣
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12:32 - 12:36然后还有一个在屏幕后面的轨道
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12:36 - 12:37我画一下
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12:37 - 12:39这个有点像三脚凳
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12:39 - 12:42然后这个上面有个小波瓣
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12:42 - 12:44然后还有一个
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12:44 - 12:49垂直向上的大波瓣
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12:49 - 12:51然后有一个向下的小波瓣
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12:51 - 12:54你可以把它想象成一个三脚凳
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12:54 - 12:55有一个腿儿是朝里的
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12:55 - 12:57而这个是向上的
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12:57 - 12:58这是一个三脚凳…
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12:58 - 13:00它点像三脚架一样
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13:00 - 13:02我觉得还是三脚架容易想象一点
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13:02 - 13:05然后中间有一个碳原子核
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13:05 - 13:07然后还有氢
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13:07 - 13:08所以这是碳
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13:08 - 13:11然后是氢
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13:11 - 13:12氢原子在这里
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13:12 - 13:16氢只有一个在1s上的电子
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13:16 - 13:20所以是 氢原子和1s轨道
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13:20 - 13:22这里有个氢原子 它有1s轨道
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13:22 - 13:24氢原子 1s轨道
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13:24 - 13:26氢原子 1s轨道
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13:26 - 13:28这就是氢的电子轨道
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13:28 - 13:31和碳的电子轨道结合的的样子
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13:31 - 13:35氢的1s轨道和…
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13:35 - 13:38你看 每个氢的1s轨道
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13:38 - 13:41都和碳的sp3轨道成键
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13:41 - 13:43你需要注意的一点是
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13:43 - 13:46人们提到sp3轨道的时候
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13:46 - 13:50他们说的其实是 呐 碳不是…
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13:50 - 13:51如果碳…
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13:51 - 13:54这是一个甲烷 对嘛？
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13:54 - 13:59这是CH4 甲烷
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13:59 - 14:02而它的成键方式和你想象的不同
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14:02 - 14:07如果你直接理解成s和p轨道
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14:07 - 14:08那么键就会在…
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14:08 - 14:10可能氢连在这里和这儿
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14:10 - 14:14如果有4个氢 就可以是这儿…
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14:14 - 14:15就看你想怎么成键啦
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14:15 - 14:17但是实际情况并非如此
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14:17 - 14:19它和三脚架的形状差不多
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14:19 - 14:26是个四面体的形状
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14:26 - 14:28最好的解释
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14:28 - 14:31分子结构的办法
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14:31 - 14:33就是 实际上有4个…
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14:33 - 14:364个同样类型的电子轨道
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14:36 - 14:38而且这4个电子轨道
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14:38 - 14:41就是s和p的杂化
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14:41 - 14:43另外一个需要注意的地方是
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14:43 - 14:47有时大家觉得有点怪怪的
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14:47 - 14:51不过如果两个原子之间成键
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14:51 - 14:53两个轨道是头碰头的
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14:53 - 14:54你可以想象
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14:54 - 14:57这个氢电子轨道向着这边
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14:57 - 15:00sp3轨道指向这边
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15:00 - 15:04所以这里两个电子轨道重合
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15:04 - 15:11这个叫σ键
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15:11 - 15:15重合的方向沿着轨道
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15:15 - 15:17如果两个原子成键的话
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15:17 - 15:19这里 两个分子成键
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15:19 - 15:21轨道重合的方向就在轴上
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15:21 - 15:24所以这是最牢固的共价键
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15:24 - 15:27这里给下集我们讨论π键
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15:27 - 15:27这里给下集我们讨论π键
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15:27 - 15:29打个好基础
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15:29 - 15:31这集里最重要的一点就是
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15:31 - 15:33理解杂化轨道的意义
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15:33 - 15:36sp3杂化轨道是什么呢？
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15:36 - 15:36没什么复杂的
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15:36 - 15:39sp3杂化轨道就是s和p轨道的结合
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15:39 - 15:41它有25%的s的性质
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15:41 - 15:43和75%的p的性质
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15:43 - 15:44这都很合理的
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15:44 - 15:48碳成键的时候轨道就会杂化
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15:48 - 15:49尤其是甲烷
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15:49 - 15:53这就是分子是四面体结构的原因
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15:53 - 15:56这就是两个键之间
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15:56 - 16:00角度总是109.5°的原因
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16:00 - 16:02有些化学老师会讲这个
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16:02 - 16:02它非常有用
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16:02 - 16:06如果你量一下这个键角 是109.5°
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16:06 - 16:07这个键角也一样的
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16:07 - 16:09把分子翻过来看
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16:09 - 16:12这个键角也是109.5°
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16:12 - 16:14sp3杂化能解释这一切
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16:14 - 16:17这些化学键都是σ键
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16:17 - 16:19重叠的方向就在
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16:19 - 16:20碳氢相连的轴上
- Title:
- sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds
- Description:
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- Video Language:
- English
- Team:
Khan Academy
- Duration:
- 16:23
|
Fran Ontanaya edited Chinese (Simplified, China) subtitles for sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds |