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第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
课时三 杂化轨道理论
学习目标
1.通过认识分子结构以及杂化轨道理论,分析杂化类型与分子空间结构的关系,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.结合实例了解共价分子具有特定的空间结构,并可运用杂化轨道理论进行解释,培养证据推理与模型认知的核心素养。
思考讨论
2、成键电子中，碳原子提供的是哪个轨道上的电子？
1、根据价层电子互斥理论，预测CH4的VSEPR模型及分子构型
思考讨论
鲍林的价键理论——杂化轨道理论
3、碳原子的2s、2p轨道电子云形状不同，形成共价键的能量也不同，与氢原子的1s电子云重叠，不可能得到四个键长相同的C-H键，那么如何用价键理论解释CH4的结构呢？
甲烷的形成
第一步：由于碳原子的价层电子2s、2p轨道能量接近，2s上的一个电子跃迁到2p轨道上
第二步：把这四个能量接近的轨道糅合在一起并重新分配，形成数目不变（4个）的、方向不同的、能量相同的轨道——该过程称为杂化
sp3
甲烷的形成
由于该轨道是由1个1s和3个2p轨道形成的，所以新轨道名称为sp3杂化轨道，4个sp3杂化轨道均为哑铃型，一头大，一头小，伸向四面体的四个顶点，夹角109°28′
甲烷的形成
第三步：4个sp3杂化轨道再分别与4个H原子的1s轨道“头碰头”重叠，形成4个σ键，键角109°28′，呈正四面体型
1s
1s
1s
1s
1s
1s
1s
1s
杂化轨道理论
01
杂化轨道理论
莱纳斯·卡尔·鲍林
（1901-1994）
1931年由鲍林等人在价键理论的基础上提出杂化轨道理论，它实质上仍属于现代价键理论，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。
01
杂化轨道理论
在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
杂化轨道的含义
能量相近
原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道
数目不变
形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等且杂化轨道的能量相同
(变：轨道的成分、能量、形状、方向，使原子的成键能力增加)
杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，成键时根据最大重叠原理，重叠程度越大，形成的共价键越牢固。
杂化轨道理论四要点
01
杂化轨道理论
杂化轨道的含义
在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
能量相近
原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道
数目不变
形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等且杂化轨道的能量相同
(变：轨道的成分、能量、形状、方向，使原子的成键能力增加)
杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，成键时根据最大重叠原理，重叠程度越大，形成的共价键越牢固。
杂化轨道理论四要点
01
杂化轨道理论
杂化轨道的含义
在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
杂化轨道理论四要点
成键能力增强
杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。
排斥力最小
杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同但形状完全相同。
01
杂化轨道理论
回顾所学内容，判断下列语句正误
问题1
发生轨道杂化的原子一定是中心原子(　　)
原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的(　　)
问题2
只有能量相近的轨道才能杂化(　　)
问题3
杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键(　　)
问题4
杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道可用于形成π键(　　)
问题5
01
杂化轨道理论
杂化轨道的类型
sp3杂化轨道是由 ns轨道和 np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有___和______的成分，sp3杂化轨道间的夹角为 ，空间结构为正四面体形
sp3杂化轨道——正四面体形
1个
3个
109°28′
s
Sp3杂化
109°28′
s
p
p
p
sp3
1/4s
3/4 p
01
杂化轨道理论
杂化轨道的类型
sp2杂化轨道——平面三角形
sp2杂化轨道是由 ns轨道和 np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有____和____成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形
1个
2个
1/3s
2/3p
s
sp2杂化
120°
120°
120°
s
p
p
p
p
sp2
01
杂化轨道理论
杂化轨道的类型
sp杂化——直线形
sp杂化轨道是由 ns轨道和 np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有____和____的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形
1个
1个
1/2s
1/2p
sp杂化
s
p
p
p
sp
p
p
180°
01
杂化轨道理论
杂化轨道类型与分子空间结构的关系
情况一：当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同
杂化类型 sp sp2 sp3
轨道夹角 180° 120° 109°28′
杂化轨道 示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
分子结构 示意图
分子空间结构
直线形
平面三角形
正四面体形
180°
01
杂化轨道理论
杂化轨道类型与分子空间结构的关系
情况二：当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同
ABn型分子 中心原子杂化类型 中心原子孤电子对数 空间结构 实例
AB2 sp2 1 SO2
AB3 sp3 1 NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2或(B2A) 2 H2S、NH2-
V形
三角锥形
V形
01
杂化轨道理论
方法一：根据杂化轨道数目判断
杂化轨道数目 2 3 4
杂化类型 sp sp2 sp3
判断中心原子杂化轨道类型的三种方法
杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键。
杂化轨道数目＝价层电子对数目＝σ键电子对数目＋中心原子的孤电子对数目
01
杂化轨道理论
①
若杂化轨道在空间的分布为正四面体或三角锥形，则中心原子发生sp3杂化
方法二：根据杂化轨道的空间分布判断
若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子发生sp2杂化
②
若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子发生sp杂化
③
01
杂化轨道理论
有机物分子中碳原子杂化类型的判断方法：饱和碳原子均采取sp3杂化；连接双键的碳原子均采取sp2杂化；连接三键的碳原子均采取sp杂化
方法三：根据杂化轨道之间的夹角判断
若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化
若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化
若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化
01
杂化轨道理论
物质 价层电子对数 杂化轨道数 杂化轨道类型
CO2
CH2O
CH4
SO2
NH3
H2O
【例1】回顾所学内容，认真填写下表：
2 2 sp
3 3 sp2
4 4 sp3
3 3 sp2
4 4 sp3
4 4 sp3
01
杂化轨道理论
现代共价键理论之一——分子轨道理论
分子轨道理论又称分子轨道法或MO法，1932年由美国化学家马利肯及德国物理学家洪特提出，是一种描述多原子分子中电子所处状态的方法。要点是：从分子的整体性来讨论分子的结构，认为原子形成分子后，电子不再属于个别的原子轨道，而是属于整个分子的分子轨道，分子轨道是多中心的；分子轨道由原子轨道组合而成，形成分子轨道时遵从能量近似原则、对称性一致(匹配)原则、最大重叠原则，即通常说的“成键三原则”；在分子中电子填充分子轨道的原则也服从能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。
F.Hund
R.S.Mulliken
课堂总结
02
课堂总结
杂化轨道
理论四要点
杂化轨道
的类型
能量相近
数目不变
sp3杂化轨道——正四面体形
sp2杂化轨道——平面三角形
sp杂化——直线形
成键能力增强
排斥力最小
杂化轨道
的含义
在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
杂化轨道类型与分子空间结构的关系
情况一：当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同
情况二：当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同
杂化轨道理论
课堂练习
03
课堂练习
1.下列有关于sp2杂化轨道的说法错误的是（ ）
A.由同一能层上的s轨道和p轨道杂化而成
B.共有3个能量相同的杂化轨道
C.每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一
D.sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
D
03
课堂练习
2.根据价层电子对互斥模型及杂化轨道理论判断NF3分子的空间结构和中心原子的杂化方式为（ ）
A.直线形，sp杂化
B.三角形，sp2杂化
C.三角锥形，sp2杂化
C.三角锥形，sp3杂化
D
03
课堂练习
3．已知次氯酸分子的结构式为H－O－Cl，下列说法正确的是
A．O原子发生sp杂化 B．O原子与H、Cl都形成π键
C．该分子为V形分子 D．该分子的电子式是
03
课堂练习
【答案】C
【分析】HClO分子的结构式为H—O—Cl，O原子应为sp3杂化，形成4个杂化轨道，其中有2个是孤对电子，另2个杂化轨道分别与H原子和Cl原子各形成1个σ键。
【详解】A．由以上分析知，O原子是sp3杂化，A错误；
B．O原子应为sp3杂化，形成4个杂化轨道，其中有2个是孤对电子，另2个杂化轨道分别与H原子和Cl原子各形成1个σ键。B错误。
C．由以上分析知，该分子构型为V形，C正确；
D．其电子式为 ，D错误；
故选C。
03
课堂练习
4．用价层电子对互斥理论(VSEPR)可以预测许多分子或离子的立体构型，有时也能用来推测键角大小。下列判断正确的是
A．SO2、CS2、HI都是直线形的分子
B．BF3键角为120°，SnBr2键角大于120°
C．P4、CH4、SF4都是正四面体形的分子
D．HCHO、BF3、SO3都是平面三角形的分子
03
课堂练习
03
课堂练习
5.三溴化砷(AsBr3)常应用于医药和化学分析领域。下列说法正确的是
A．该分子含非极性共价键
B．中心原子采取sp3杂化
C．键角等于120°
D．空间结构为平面三角形
03
课堂练习
【答案】B
【详解】A．该分子只有As-Br键，属于极性键，A错误；
B．As有3个σ键和1对孤电子对，故价层电子对数为4，即sp3杂化，B正确；
C．该分子属于三角锥形，键角大约为107。，C错误；
D． 该分子空间结构为三角锥形，D错误；
故选B。
03
课堂练习
6.下列有机物分子中的碳原子既有sp3杂化又有sp杂化的是
A．CH3CH2CH3
B．CH3—C≡CH
C．CH3CHO
D．CH≡CH
03
课堂练习
【答案】B
【详解】A．CH3CH2CH3碳原子只有sp3杂化，A错误；
B．CH3—C ≡ CH中三键碳为sp、单键碳为sp3，B正确；
C．CH3CHO中醛基碳为sp2、单键碳为sp3杂化，C错误；
D．CH ≡ CH中碳原子只有sp杂化，D错误；
故选B。
03
课堂练习
7.化合物A是近年来采用的锅炉水添加剂，其结构简式如图，A能除去锅炉水中溶解的氧气，下列对A分子说法正确的是
A．所有原子都在同一平面内
B．所含的σ键与π键个数之比为10∶1
C．C的杂化方式均为sp2杂化
D．N的化合价均为-3价
03
课堂练习
【答案】C
【详解】A．氮原子形成3个共价键且有1对孤电子对，为三角锥形结构，即氮原子与所连的三个原子不在同一平面，所以A分子中所有原子不可能共平面，故A错误；
B．一个单键就是1个σ键，一个双键含有1个σ键和1个π键，所以A分子中含有11个σ键和1个π键，所含的σ键与π键个数之比为11:1，故B错误；
C．碳原子为羰基碳，其杂化方式为sp2杂化，故C正确；
D．因N原子的电负性大于氢，与氮原子所连的氨基中的氮的化合价为﹣2价，故D错误；
故选C。
03
课堂练习
8.下列分子中的中心原子采取sp2杂化的是(　　)
①C2H2　②C2H4　③C3H8　④CO2 ⑤BeCl2　⑥SO3　⑦BF3
A．①⑥⑦　　 B．③⑤⑦ C． ② ⑥⑦ D．③⑤⑥
C
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