sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds
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0:01 - 0:03我們先來複習一下
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0:03 - 0:04講過的軌域的內容
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0:04 - 0:06我之前在基礎化學課裏講過
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0:06 - 0:08我之前在基礎化學課裏講過
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0:08 - 0:10比如這是
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0:10 - 0:12原子的原子核 超級小
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0:12 - 0:14在原子核周圍的第一個軌道
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0:14 - 0:16是1s軌道
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0:16 - 0:19大家可以把1s軌道想象成
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0:19 - 0:23原子核附近的雲
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0:23 - 0:25這是1s軌道
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0:25 - 0:27而且它可以容納兩個電子
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0:27 - 0:30所以第一個電子會進入1s軌道
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0:30 - 0:31然後第二個電子
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0:31 - 0:33也會進入1s軌道上
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0:33 - 0:36例如 氫原子只有一個電子
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0:36 - 0:37所以它一定在1s上
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0:37 - 0:38氦原子有兩個電子
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0:38 - 0:40所以它們也都在1s軌道上
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0:40 - 0:421s軌道填滿了之後
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0:42 - 0:50電子就繼續填到2s軌道上
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0:50 - 0:52你可以把2s軌道想象成
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0:52 - 0:541s外面的一個殼
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0:54 - 0:56你不能用傳統軌道的概念
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0:56 - 0:58理解軌域
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0:58 - 1:00而是要把它看做機率雲
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1:00 - 1:02也就是電子出現的可能性
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1:02 - 1:03但是爲了形象化一點
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1:03 - 1:05就把它想象成1s外面的
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1:06 - 1:09一個球殼就行啦
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1:09 - 1:13就想象一個1s軌道外面
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1:13 - 1:14一層毛茸茸的球殼就好了
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1:14 - 1:16那麽它就在1s的外層
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1:16 - 1:20然後下一個電子就會進入這兒咯
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1:20 - 1:22第4個電子還是進入這兒
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1:22 - 1:25我這裡標了上下箭頭
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1:25 - 1:26是因爲第一個
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1:26 - 1:30填到1s軌道的電子有一個自轉方向
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1:30 - 1:33然後第二個填到1s上的電子
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1:33 - 1:34自轉方向相反
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1:34 - 1:36而且電子都是這樣湊對的
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1:36 - 1:38它們的自轉方向相反
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1:38 - 1:40如果我再繼續填電子
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1:40 - 1:46那就來到2p軌道啦
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1:46 - 1:47實際上
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1:47 - 1:50大家可以把2p軌道看成三部分
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1:50 - 1:52每個部分都能hold住兩個電子
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1:53 - 1:55所以2p軌道總共可以容納
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1:55 - 1:576個電子
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1:57 - 1:58我把這三個部分都畫出來
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1:58 - 1:59你就看到了
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1:59 - 2:01我們可以建個坐標軸
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2:01 - 2:02想象它是三維的
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2:02 - 2:08假設這個是x軸
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2:08 - 2:11我用不同的顏色表示坐標
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2:11 - 2:17假設這個是y軸
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2:17 - 2:20然後這個是z軸
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2:20 - 2:21我用藍色表示z軸
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2:21 - 2:25假設這個是z軸
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2:25 - 2:27每個坐標軸上
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2:27 - 2:30都有一瓣p軌道
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2:30 - 2:34所以2p…
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2:34 - 2:37我用一樣的顏色表示
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2:37 - 2:43這有2px的軌道
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2:43 - 2:45然後軌道是啞鈴形的
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2:45 - 2:46這兩個是x軸方向的
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2:46 - 2:49畫的不太好 湊合看吧
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2:49 - 2:53這是x軸方向的啞鈴形軌道
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2:53 - 2:54正負兩個方向都有
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2:54 - 2:56而且它其實是對稱的
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2:56 - 2:57這頭比這頭大一點
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2:57 - 2:59這樣看起來這邊是向屏幕外的
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2:59 - 3:01我還是重新好好畫一次
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3:01 - 3:03我可以畫得更好的
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3:03 - 3:06應該是這個樣子
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3:06 - 3:08要記住 軌域其實是機率雲
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3:09 - 3:11但是爲了便於理解
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3:11 - 3:14你可以把它想象成
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3:14 - 3:14看得到的東西
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3:14 - 3:16但是我覺得最好是
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3:16 - 3:17把它直接理解成機率雲
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3:17 - 3:19這是2px軌道
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3:19 - 3:21我還沒有說
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3:21 - 3:22電子怎樣排布在p軌道上呢
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3:22 - 3:23不過接著還有2py軌道
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3:24 - 3:25沿著y軸 但是模樣不變
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3:25 - 3:29它是y軸方上的啞鈴狀的軌道
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3:29 - 3:32正負兩個方向都有
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3:32 - 3:35分別朝兩個方向
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3:35 - 3:38然後我寫出2py
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3:38 - 3:44然後還有2pz
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3:44 - 3:48沿著z軸像這樣往上
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3:48 - 3:52然後往下
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3:53 - 3:56所以如果還有電子 第一個…
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3:56 - 3:58現在已經填進去4個電子啦
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3:58 - 4:02如果有第5個電子
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4:02 - 4:10那麽它就會填在這個2px軌道上
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4:10 - 4:12雖然2px軌道可以容納兩個電子
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4:12 - 4:13第一個電子會進來
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4:13 - 4:15但第二個電子不會進來
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4:15 - 4:18電子想要均勻分布在p軌道裏面
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4:18 - 4:19所以下一個電子
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4:19 - 4:22不會進入2px軌道
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4:22 - 4:24它會到2py
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4:24 - 4:26然後再下一個電子
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4:26 - 4:27不會占據2py或者2px
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4:27 - 4:29它會跑進2pz
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4:29 - 4:31它們會盡量把自己分開
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4:31 - 4:34如果再加一個電子 如果還有…
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4:34 - 4:36看看 我們已經填了1、2、3、
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4:36 - 4:374、5、6、7個電子了
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4:37 - 4:38如果有第8個電子
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4:38 - 4:42它才會進入2px軌道
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4:42 - 4:44第8個電子會到這邊來
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4:44 - 4:46但是自轉方向相反
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4:46 - 4:48剛才就是在視覺上
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4:48 - 4:49領大家複習一下
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4:50 - 4:51現在 複習完之後
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4:51 - 4:52我們來看看
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4:52 - 4:54碳原子的情況
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4:54 - 5:02碳原子有6個電子
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5:02 - 5:04它的電子構型是
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5:04 - 5:091s2 1s軌道上有2個電子
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5:09 - 5:11然後2s2
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5:11 - 5:14接著2p2 對嘛？
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5:14 - 5:16只剩下2個電子了
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5:16 - 5:17因爲一共只有6個電子
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5:17 - 5:192個在1s 2個在2s
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5:19 - 5:22剩下的2個會進入p軌道
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5:22 - 5:24根據我們剛剛畫的圖
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5:24 - 5:26和講到的東西
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5:26 - 5:29你覺得碳…
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5:29 - 5:31我用這個格式表示吧
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5:31 - 5:35那麽 有1s軌道、2s軌道
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5:35 - 5:38然後2px軌道
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5:38 - 5:412py軌道
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5:41 - 5:44還有2pz的軌道
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5:44 - 5:46如果按照電子排布規律來看
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5:46 - 5:48你可能會以爲碳原子…
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5:48 - 5:50那麽先填1s軌道
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5:50 - 5:51這是第1個電子
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5:51 - 5:52第2個電子
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5:52 - 5:55然後第3個電子 它在2s軌道上
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5:55 - 5:59第3個和第4個電子都在2s軌道上
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5:59 - 6:01然後你預計第5個電子會
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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這個就看你怎麽標坐標軸了
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6:06 - 6:09第5個電子
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6:09 - 6:11會進入1個p軌道
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6:11 - 6:13然後你覺得第6個會進入另一個p軌道
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6:13 - 6:16你會以爲這個就是
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6:16 - 6:17碳原子的電子排布啦
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6:17 - 6:20如果要畫出來…
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6:20 - 6:21我把坐標都畫出來
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6:21 - 6:24這是y軸
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6:24 - 6:27然後這是x軸
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6:27 - 6:31我畫漂亮點兒
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6:31 - 6:34這是x軸
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6:34 - 6:36當然還有z軸
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6:36 - 6:38你需要建立一點立體感
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6:38 - 6:45然後還有z軸 就像這樣
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6:45 - 6:47首先 電子填充1s軌道
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6:47 - 6:49所以如果原子核在這裡
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6:49 - 6:511s軌道上有2個電子
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6:52 - 6:53你可以把1s想象成
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6:53 - 6:54圍繞原子核的雲
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6:54 - 6:57然後再填充2s軌道
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6:57 - 7:01而2s軌道環繞在1s外面
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7:01 - 7:02像1s的球殼一樣
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7:02 - 7:06然後再把1個電子放在2px軌道上
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7:06 - 7:07所以有1個電子可以
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7:07 - 7:10在2px上亂蹦亂晃
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7:10 - 7:11你可以想象它在這2px上
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7:11 - 7:14各種運動
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7:14 - 7:17然後下一個電子在2py軌道上
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7:17 - 7:19活蹦亂跳
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7:19 - 7:22那麽它就是在這裡面運動的
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7:22 - 7:25如果你在這一步停下來
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7:25 - 7:26你沒準兒會說 你知道嘛？
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7:26 - 7:27這些電子
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7:27 - 7:31它和它都好孤單好可憐
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7:31 - 7:34它一直在找個自轉相反的對象
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7:34 - 7:36這些就是唯一可以成鍵的地方
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7:36 - 7:39在x軌道和y軌道上
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7:39 - 7:42可以形成某些化學鍵
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7:42 - 7:44現在 這就是你推測的結果
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7:44 - 7:45如果你嚴格堅持
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7:45 - 7:47排布的規則
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7:47 - 7:49和軌道的外形
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7:49 - 7:51但現實是…
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7:51 - 7:52我覺得碳最簡單的特點是
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7:52 - 7:56如果你仔細觀察過甲烷分子
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7:56 - 7:59你會發現和你的猜想一點都不一樣
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7:59 - 8:01首先 你會猜測
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8:01 - 8:02碳很可能…
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8:02 - 8:04應該可以形成兩個化學鍵
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8:04 - 8:06但是我們知道 碳有四個鍵
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8:06 - 8:09而且它想假裝有8個電子
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8:09 - 8:12坦白講 幾乎所有的原子都想
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8:12 - 8:14假裝自己有8個電子結構
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8:14 - 8:15所以爲了美夢成真
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8:15 - 8:17你需要考慮一下另一個可能
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8:17 - 8:20這不是碳真實的成鍵方式
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8:20 - 8:31碳不是這樣成鍵的
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8:31 - 8:34那麽碳的真實的成鍵情況是什麽？
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8:34 - 8:35這就涉及到了
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8:35 - 8:38sp3軌道雜化的問題
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8:38 - 8:39不過你會發現
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8:39 - 8:40它不是很複雜
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8:40 - 8:41雖然聽起來挺嚇人的
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8:41 - 8:43不過其實非常直接簡單
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8:43 - 8:45碳的真正的成鍵情況是…
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8:45 - 8:47因爲碳要形成4個化學鍵
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8:47 - 8:49它的排布變了
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8:49 - 8:53你可以想象排布變成這樣
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8:53 - 8:57那麽有1s軌道 上面有兩個電子
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8:57 - 9:05然後是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個鍵
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9:08 - 9:09就是有四個電子都想
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9:09 - 9:12從別的分子裏找到對象
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9:12 - 9:13比如說甲烷
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9:13 - 9:15其他分子就是氫原子
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9:15 - 9:19所以可以想象電子其實…
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9:19 - 9:24可能是氫原子把這個電子帶到了
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9:24 - 9:25高能級狀態
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9:25 - 9:27然後把它放在2z上
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9:27 - 9:28這是一種想象方法
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9:28 - 9:31所以這個電子可能跑到這裡來了
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9:31 - 9:34然後這兩個孩子還在這裡
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9:34 - 9:34然後馬上
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9:34 - 9:37看起來就有了4個單身漢了
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9:37 - 9:39而且它們都想要對象
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9:39 - 9:42然後這樣表示碳成鍵的原理就更準確啦
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9:42 - 9:44碳總是和4個電子成鍵
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9:44 - 9:46好啦 哪個電子被放到了
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9:46 - 9:49哪個軌道上都是隨機的
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9:49 - 9:51所以即使你學會了這種成鍵
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9:51 - 9:53也不清楚氫
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9:53 - 9:57是在x、y還是z軸上成鍵的
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9:57 - 10:00碳成鍵的真相是
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10:00 - 10:04第2層軌道的這4個電子
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10:04 - 10:06不像…
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10:06 - 10:08第一個電子不是只呆在s軌道上的
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10:08 - 10:12然後另外3個也不是只在p的x、y、z上
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10:12 - 10:14看上去 它們又在s軌道上
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10:14 - 10:17又在p軌道上
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10:17 - 10:18我再講清楚一點
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10:18 - 10:20所以這個軌道不是2s
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10:20 - 10:22對於碳原子來說
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10:22 - 10:26它就是2sp3軌道
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10:26 - 10:30這個看上去就是2sp3軌道
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10:30 - 10:32是2sp3軌道
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10:32 - 10:34這個也是2sp3軌道
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10:34 - 10:37這些軌道看起來一模一樣
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10:37 - 10:38這是一種特殊的…
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10:38 - 10:39它的名字不錯
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10:39 - 10:42這叫sp3混成軌域
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10:42 - 10:44這個軌道就像是
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10:44 - 10:46介於s軌道和p軌道之間的軌道
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10:47 - 10:49這個軌道有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這四個軌道的混合體
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10:56 - 10:58這就是碳的心機所在
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10:58 - 11:01這些軌道雜化之後
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11:01 - 11:03就沒有這個s軌道了
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11:03 - 11:05如果這個是原子核 我們來畫橫切平面
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11:05 - 11:08s軌道是這樣子的
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11:08 - 11:14p軌道有點像回形針
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11:14 - 11:19這是s軌道 這是p軌道
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11:19 - 11:22軌道雜化以後 軌道變了
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11:22 - 11:28sp3軌道是這個模樣的
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11:28 - 11:33這是sp3混成軌域
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11:33 - 11:35Hybrid表示兩者結合
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11:35 - 11:40hybid car就是氣電混合動力車
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11:40 - 11:43混成軌域就是s軌道和p軌道的結合
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11:43 - 11:47sp3混成軌域就是
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11:47 - 11:50碳氫成鍵時的軌道
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11:50 - 11:52其實碳和別人成鍵也是這樣
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11:52 - 11:55所以如果你仔細觀察甲烷
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11:55 - 11:58然後聽說了sp3混成軌域
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11:58 - 12:00他們指的就是
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12:00 - 12:01中心有一個碳原子…
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12:01 - 12:05比如中間有個碳的原子核…
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12:06 - 12:10這裡就不是1個s軌道和3個p軌道了
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12:10 - 12:16而是4個sp3混成軌域
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12:16 - 12:17我努力畫好
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12:18 - 12:20sp3軌道
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12:20 - 12:22比如說這波瓣
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12:22 - 12:23指向我們
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12:23 - 12:25然後它後面有一個小的波瓣
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12:25 - 12:27然後再來一個
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12:27 - 12:30大波瓣
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12:30 - 12:32然後它後面有個小波瓣
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12:32 - 12:36然後還有一個在屏幕後面的軌道
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12:36 - 12:37我畫一下
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12:37 - 12:39這個有點像三腳凳
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12:39 - 12:42然後這個上面有個小波瓣
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12:42 - 12:44然後還有一個
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12:44 - 12:49垂直向上的大波瓣
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12:49 - 12:51然後有一個向下的小波瓣
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12:51 - 12:54你可以把它想象成一個三腳凳
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12:54 - 12:55有一個腿兒是朝裏的
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12:55 - 12:57而這個是向上的
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12:57 - 12:58這是一個三腳凳…
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12:58 - 13:00它點像三腳架一樣
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13:00 - 13:02我覺得還是三腳架容易想象一點
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13:02 - 13:05然後中間有一個碳原子核
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13:05 - 13:07然後還有氫
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13:07 - 13:08所以這是碳
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13:08 - 13:11然後是氫
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13:11 - 13:12氫原子在這裡
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13:12 - 13:16氫只有一個在1s上的電子
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13:16 - 13:20所以是 氫原子和1s軌道
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13:20 - 13:22這裡有個氫原子 它有1s軌道
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13:22 - 13:24氫原子 1s軌道
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13:24 - 13:26氫原子 1s軌道
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13:26 - 13:28這就是氫的軌域
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13:28 - 13:31和碳的軌域結合的的樣子
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13:31 - 13:35氫的1s軌道和…
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13:35 - 13:38你看 每個氫的1s軌道
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13:38 - 13:41都和碳的sp3軌道成鍵
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13:41 - 13:43你需要注意的一點是
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13:43 - 13:46人們提到sp3軌道的時候
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13:46 - 13:50他們說的其實是 呐 碳不是…
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13:50 - 13:51如果碳…
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13:51 - 13:54這是一個甲烷 對嘛？
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13:54 - 13:59這是CH4 甲烷
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13:59 - 14:02而它的成鍵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軌道
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14:07 - 14:08那麽鍵就會在…
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14:08 - 14:10可能氫連在這裡和這兒
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14:10 - 14:14如果有4個氫 就可以是這兒…
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14:14 - 14:15就看你想怎麽成鍵啦
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14:15 - 14:17但是實際情況並非如此
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14:17 - 14:19它和三腳架的形狀差不多
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14:19 - 14:26是個四面體的形狀
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14:26 - 14:28最好的解釋
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14:28 - 14:31分子結構的辦法
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14:31 - 14:33就是 實際上有4個…
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14:33 - 14:364個同樣類型的軌域
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14:36 - 14:38而且這4個軌域
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14:38 - 14:41就是s和p的雜化
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14:41 - 14:43另外一個需要注意的地方是
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14:43 - 14:47有時大家覺得有點怪怪的
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14:47 - 14:51不過如果兩個原子之間成鍵
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14:51 - 14:53兩個軌道是頭碰頭的
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14:53 - 14:54你可以想象
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14:54 - 14:57這個氫軌域向著這邊
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14:57 - 15:00sp3軌道指向這邊
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15:00 - 15:04所以這裡兩個軌域重合
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15:04 - 15:11這個叫σ鍵
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15:11 - 15:15重合的方向沿著軌道
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15:15 - 15:17如果兩個原子成鍵的話
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15:17 - 15:19這裡 兩個分子成鍵
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15:19 - 15:21軌道重合的方向就在軸上
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15:21 - 15:24所以這是最牢固的共價鍵
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15:24 - 15:27這裡給下集我們討論π鍵
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15:27 - 15:27這裡給下集我們討論π鍵
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15:27 - 15:29打個好基礎
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15:29 - 15:31這集裏最重要的一點就是
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15:31 - 15:33理解混成軌域的意義
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15:33 - 15:36sp3混成軌域是什麽呢？
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15:36 - 15:36沒什麽複雜的
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15:36 - 15:39sp3混成軌域就是s和p軌道的結合
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15:39 - 15:41它有25%的s的性質
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15:41 - 15:43和75%的p的性質
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15:43 - 15:44這都很合理的
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15:44 - 15:48碳成鍵的時候軌道就會雜化
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15:48 - 15:49尤其是甲烷
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15:49 - 15:53這就是分子是四面體結構的原因
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15:53 - 15:56這就是兩個鍵之間
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15:56 - 16:00角度總是109.5°的原因
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16:00 - 16:02有些化學老師會講這個
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16:02 - 16:02它非常有用
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16:02 - 16:06如果你量一下這個鍵角 是109.5°
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16:06 - 16:07這個鍵角也一樣的
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16:07 - 16:09把分子翻過來看
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16:09 - 16:12這個鍵角也是109.5°
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16:12 - 16:14sp3雜化能解釋這一切
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16:14 - 16:17這些化學鍵都是σ鍵
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16:17 - 16:19疊置的方向就在
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16:19 - 16:20碳氫相連的軸上
- Title:
- sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds
- Description:
-
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- Video Language:
- English
- Team:
Khan Academy
- Duration:
- 16:23
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Fran Ontanaya edited Chinese (Traditional, Taiwan) subtitles for sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds |