碳原子的结构

第三节第三节 有机化合物的结构理论有机化合物的结构理论一、碳原子的结构及轨道的杂化一、碳原子的结构及轨道的杂化(一一)碳原子的结构碳原子的结构碳元素是形成有机化合物的主体元素，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它位于元素周期表中第二周期第4主族，主族，碳原子的电子结构为碳原子的电子结构为 Is2、2s2、2p2。碳原子的最外层有碳原子的最外层有 4个电子，与其它个电子，与其它原子结合时，不易得失电子，而通过原子结合时，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此，有机化合物分子中的化学键主要是共价键。是共价键。外层电子结构：外层电子结构：2 2 2 2s 2ps 2ps 2ps 2px x x x 2p 2p 2p 2py y y y 2p 2p 2p 2pz z z z 2s 2px 2py 2pz在碳原子中，外层只有在碳原子中，外层只有2个未成对的电个未成对的电子能形成共价键，所以碳原子应是子能形成共价键，所以碳原子应是2价。价。但实践证明，碳原子在有机化合物的结但实践证明，碳原子在有机化合物的结构中，一般都是构中，一般都是4价，这是因为碳原子价，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，其中有化。即碳原子在成键时，其中有1个个ZS电子激发到同一个电子层能级相近的电子激发到同一个电子层能级相近的2p轨道上去，变成了轨道上去，变成了4个未成对的电子，个未成对的电子，碳原子即从基态转变为激发态。碳原子即从基态转变为激发态。2s 2p2s 2p2s 2p2s 2px x x x 2p 2p 2p 2py y y y 2p 2p 2p 2pz z z z 2s 2p 2s 2p 2s 2p 2s 2px x x x 2p 2p 2p 2py y y y 2p2p2p2pz z z z基态基态 激发态激发态 基态激发态基态激发态（二）轨道的杂化（二）轨道的杂化激发态碳原子的激发态碳原子的4个价电子中，个价电子中，1个是个是s电子，电子，3个是个是p电子，其成键的能量。电子，其成键的能量。方向都不完全相同。但实验证明，在方向都不完全相同。但实验证明，在单键化合物分子中，碳的单键化合物分子中，碳的4个价键是完个价键是完全相同的。这是由于在电子激发的同全相同的。这是由于在电子激发的同时发生了原子轨道的杂化。时发生了原子轨道的杂化。不不同同类类型型、能能级级相相近近的的原原子子轨轨道道，可可以以“混混杂杂”起起来来重重新新形形成成一一组组数数目目相相等等，能能量量相相同同的的新新的的轨轨道道，这这种种新新轨轨道道叫叫做做“杂杂化化轨轨道道”，这这种种“混混杂杂”的的过过程程叫叫做做杂杂化化。杂杂化化轨轨道道电电子子云云的的能能量量、形形状状及及方方向向均均发发生生了了改改变变。杂杂化化后后的的电电子子云云变变得得向向一一个个方方向向集集中中，在在成成键键时时则则有有利利于于电电子子云云最最大大限限度度的的重重叠叠，且且杂杂化化轨轨道道的的空空间间排排列列，是是互互相相之之间间尽尽可可能能相相距距最最远远，以以使使相相互间的斥力最小，可以形成更为稳定的键。互间的斥力最小，可以形成更为稳定的键。碳的杂化轨道有以下三种类型：碳的杂化轨道有以下三种类型：1.sp3杂杂化化轨轨道道：由由1个个2s轨轨道道和和3个个2p轨轨道道杂杂化化，形形成成能能量量、形形状状完完全全相相等等的的4个个sp3杂杂化化轨轨道道，4个个sp3杂杂化化轨轨道道对对称称地地指指向向正正四四面面体体的的4个个顶顶端端，互互相相之之间间的的夹夹角角10928。杂杂化化轨轨道道的的形形状状似似葫葫芦芦形形，一一头头大大一一头头小小，这这样样在在成成键键时时有有利利于电子云最大限度的重叠。于电子云最大限度的重叠。烷烷烃烃分分子子中中碳碳的的4个个价价键键。都都是是由由sp3杂杂化化轨轨道道形形成成的的。如如甲甲烷烷分分子子中中的的4个个 CH健健 完完 全全 相相 同同，健健 角角 都都 是是10928，与理论推断相符。与理论推断相符。（a a a a）碳的碳的碳的碳的spspspsp3 3 3 3杂化轨道；（杂化轨道；（杂化轨道；（杂化轨道；（b b b b）甲烷正四面体模型甲烷正四面体模型甲烷正四面体模型甲烷正四面体模型2sp2杂化轨道：杂化轨道：sp2杂化轨道由杂化轨道由1个个2s轨轨道和道和2个个2p轨道发生杂化，形成能量、形轨道发生杂化，形成能量、形状完全相同的状完全相同的3个个sp2杂化轨道，形状与杂化轨道，形状与sp3杂化轨道类似，杂化轨道类似，3个个sp2杂化轨道间的杂化轨道间的夹角为夹角为120o，成平面正三角形。剩下的成平面正三角形。剩下的未参与杂化的未参与杂化的1个个p轨道垂直轨道垂直于于sp2杂化轨杂化轨道所在的平面。乙烯分子中的碳原子就道所在的平面。乙烯分子中的碳原子就是是sp2杂化，所以乙烯分子为平面结构。杂化，所以乙烯分子为平面结构。碳的碳的sp2杂化轨道杂化轨道3sp杂化轨道：由杂化轨道：由1个个2s轨道与轨道与1个个2p轨轨道发生杂化，形成能量、形状完全相同道发生杂化，形成能量、形状完全相同的的2个个sp杂化轨道，轨道形状大体同前，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，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所以两个轨道间的夹角为180o。剩下的剩下的2个未参加杂化的个未参加杂化的p轨道与杂化轨道间相轨道与杂化轨道间相互垂直。乙炔分子中的碳原子就是互垂直。乙炔分子中的碳原子就是sp杂杂化，乙炔分子为直线形结构。化，乙炔分子为直线形结构。碳的碳的sp杂化轨道杂化轨道二、共价键的种类二、共价键的种类 在在有有机机化化合合物物分分子子中中，由由于于成成键键时时原原子子轨轨道道重重叠叠方方式式不不同同，共共价价键键可分为可分为键和键和键两种。键两种。键键：轨轨道道沿沿着着键键轴轴（即即成成键键两两原原子子核核之之连连线线）方方向向相相互互重重叠叠，轨轨道道的的重重叠叠部部分分沿沿键键轴轴呈呈圆圆柱柱形形对对称称分分布布，在在两两原原子子核核间间电电子子云云密密度度最最大大。所所以以键键结结合合得得比比较较牢牢固固，不不易易断断裂裂，它它是是构构成分子的骨架。成分子的骨架。键键：由由2个个相相互互平平行行的的p轨轨道道从从侧侧面面重重叠叠，其其重重叠叠部部分分不不呈呈圆圆柱柱形形对对称称分分布布，而而是是具具有有1个个对对称称面面，由由碳碳一一碳碳键键所所在在平平面面的的上上下下两两部部分分组组成成。而而键键电电子子云云重重叠叠程程度度较较小小。也也不不象象键键电电子子云云那那样样集集中中在在2个个原原子子核核的的连连线线上上，而而是是垂垂直直并并对对称称地地分分布布于于键键平平面面的的上上下下，电电子子云云流流动动性性大大，在在外外电电场场影影响响下下较较易易极极化化并并发发生生共共价价键键的的断断裂裂，从从而参与化学反应。而参与化学反应。一一般般来来说说，共共价价单单键键是是键键，共共价价双双键键中中有有1个个键键和和1个个键键，共共价价叁叁键键中则有一个中则有一个键和键和2个个键。键。烷烷烃烃分分子子中中碳碳氢氢键键和和碳碳碳碳键键都都是是单键，重键化合物中均含有单键，重键化合物中均含有键。键。乙烷分子中乙烷分子中键键 乙烯分子中乙烯分子中键和键和键键三、共价键的属性三、共价键的属性 在在有有机机化化合合物物中中，共共价价键键有有一一些些基基本本属属性性，如如键键长长、键键角角、键键能能和和键键的的极极性性等等。根根据据这这些些属属性性，可可了了解解有有机机化合物分子的结构以及性质。化合物分子的结构以及性质。l.键长：以共价键相结合的键长：以共价键相结合的2个原子核个原子核之间的距离称为键长。它取决于电子之间的距离称为键长。它取决于电子云的重叠程度，重叠程度愈大，键长云的重叠程度，重叠程度愈大，键长愈短。愈短。常见共价键的键长为：常见共价键的键长为：CC 154pm C=C 134pm CC 120pm2键键角角：分分子子中中同同一一原原子子形形成成的的2个个共共价价键键间间的的夹夹角角称称为为键键角角。键键角角是是决决定定有有机机化化合合物物分分子子的的空空间间结结构构和和某某些些性质的重要因素。性质的重要因素。3键能：对于双原子分子，破坏键能：对于双原子分子，破坏 其共价键时所需提供的能量，其共价键时所需提供的能量，称为该共价键的离解能，也就称为该共价键的离解能，也就 是该共价键的键能。但对多原是该共价键的键能。但对多原 子分子，共价键的键能是指同子分子，共价键的键能是指同 一类共价键的平均离解能。一类共价键的平均离解能。4共价键的极性和极化性共价键的极性和极化性 （l l）共共共共价价价价键键键键的的的的极极极极性性性性：当当当当2 2个个个个相相相相同同同同原原原原子子子子成成成成键键键键时时时时，其其其其电电电电子子子子云云云云对对对对称称称称分分分分布布布布于于于于2 2个个个个原原原原子子子子中中中中间间间间，这这这这种种种种键键键键是是是是无无无无极极极极性性性性的的的的，称称称称为为为为非非非非极极极极性性性性共共共共价价价价键键键键，简简简简称称称称非非非非极极极极性性性性键键键键。如如如如 HHHH键键键键、CCCC键键键键。但但但但2 2个个个个不不不不同同同同原原原原子子子子形形形形成成成成共共共共价价价价键键键键时时时时，由由由由于于于于成成成成键键键键两两两两原原原原子子子子的的的的电电电电负负负负性性性性不不不不同同同同，吸吸吸吸引引引引电电电电子子子子对对对对的的的的能能能能力力力力也也也也就就就就不不不不同同同同，电电电电子子子子云云云云靠靠靠靠近近近近电电电电负负负负性性性性较较较较大大大大的的的的原原原原子子子子，使使使使其其其其带带带带上上上上部部部部分分分分负负负负电电电电荷荷荷荷，一一一一般般般般用用用用 符符符符号号号号表表表表示示示示，而而而而电电电电负负负负性性性性较较较较小小小小的的的的原原原原子子子子则则则则带带带带部部部部分分分分正正正正电电电电荷荷荷荷，一一一一般般般般以以以以 符符符符号号号号表表表表示示示示。如如如如氯甲烷分子中的碳氯键：氯甲烷分子中的碳氯键：氯甲烷分子中的碳氯键：氯甲烷分子中的碳氯键：HH3 3CCICCI这这种种电电子子云云非非对对称称分分布布的的共共价价键键称称为为极极性性共共价价键键。电电负负性性相相差差越越大大，则则键键的的极极性性也也越越大大。共共价价键键的的这这种种极极性性是是键的内在性质，是永久存在的。键的内在性质，是永久存在的。（2）共共价价键键的的极极化化性性：在在外外界界电电场场影影响响下下，共共价价键键内内电电子子云云分分布布发发生生改改变变，即即分分子子的的极极性性状状态态发发生生了了改改变变，这这种种现现象象称称为为键键的的极极化化性性。不不论论是是极极性性或或非非极极性性共共价价键键，均均有有此此性性质质。键键极极化化的的难难易易程程度度称称为为极极化化度度。键键的的极极化化度度大大小小主主要要决决定定于于成成键键原原子子电电子子云云的的流流动动性性，电电子子云云流流动动性性越越大大，键键的的极化度也就越大。极化度也就越大。