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第一节 分子的空间结构
课时1 杂化轨道理论与分子的空间结构
第四章 分子空间结构与物质性质
授课人：
学习目标
1．了解杂化轨道理论的基本内容。
2．能运用相关的理论来解释或预测简单分子的空间结构，理解分子的空间结构与原子轨道重叠的方向性有关，
3．了解碳原子的杂化轨道。
4．能运用杂化轨道理论来解释或预测简单分子的空间结构。培养证据推理与模型认知核心素养。
常见分子的空间结构
为什么甲烷分子的空间结构是正四面体形？
C 电子排布图
（轨道表示式）
1s2
2s2
2p2
H 电子排布图
1s1
甲烷的4个C — H单键都应该是σ键，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p 轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体构型的甲烷分子。
为了解释CH4等分子的空间结构，美国化学家鲍林于1931年提出了杂化轨道理论。
美国化学家鲍林
在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组能量相等、成分相同的新轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化，所形成的新轨道就称为杂化轨道。
一、杂化轨道理论
一、杂化轨道理论
2p
2s
2s
2p
sp3
4个 sp3 杂化轨道
跃迁
sp3杂化
基态
激发态
一、杂化轨道理论
在形成CH4分子的过程中，碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道。这样，1个2s轨道和3个2p轨道“混合”起来，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道。
一、杂化轨道理论
碳原子的4个sp3杂化轨道指向正四面体的4个顶点，每个轨道上都有一个未成对电子。
一、杂化轨道理论
甲烷分子中碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个相同的C-H σ键，呈正四面体形。
甲烷分子中C—H键之间的夹角——键角
都是109°28＇。
一、杂化轨道理论
要点
（1）参与杂化的原子轨道能量相近（同一能级组或相近能级组的轨道）
（2）杂化前后原子轨道数目不变：
参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目；
杂化轨道是不同于原来的轨道的一组新的轨道，新的轨道能量相等、
成分相同，且有一定的空间取向。成键时更有利于轨道间的重叠。
（3）杂化后的轨道之间尽可能远离，在空间取最大夹角分布，能使相
互间排斥力最小。
(4)杂化轨道与其他原子轨道形成σ键。
一、杂化轨道理论
杂化前后的不变与变
不变：原子轨道的数目
变
轨道的成分
轨道的能量
轨道的形状
轨道的方向
更有利于成键：
轨道成键时更有利于轨道间的重叠
满足最小排斥，最大夹角分布
杂化后形成的化学键更稳定
杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对
一、杂化轨道理论
金刚石中的碳原子、晶体硅和石英（SiO2）晶体中的硅原子也是采用sp3杂化轨道形成共价键的。
正四面体结构的分子或离子的中心原子，一般采用sp3杂化轨道形成共价键，如CCl4、NH4+等。
一、杂化轨道理论
2s2p轨道
2s
2p
2s
2p
sp2
3个sp2杂化轨道
跃迁
sp2杂化
BF3分子的结构示意图
在形成BF3分子的过程中，碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道。这样，1个2s轨道和2个2p轨道“混合”起来，形成能量相等、成分相同的3个sp2杂化轨道。
一、杂化轨道理论
sp2杂化轨道的形成过程
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
120°
每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有 1/3 s 轨道和 2/3 p 轨道的成分每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。
sp2杂化：1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化, 形成3个sp2 杂化轨道。
一、杂化轨道理论
BF3是平面正三角形分子，F原子位于正三角形的三个顶点，
B原子位于分子中心，分子中键角均为120°。
与F成键
一、杂化轨道理论
BeCl2分子的结构示意图
2s
2p
2s
2p
sp
2个 sp 杂化轨道
跃迁
sp杂化
在形成BeCl2分子的过程中，碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道。这样，1个2s轨道和1个2p轨道“混合”起来，形成能量相等、成分相同的2个sp杂化轨道。
一、杂化轨道理论
sp杂化轨道的形成过程
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
180°
sp杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有1/2 s 轨道和1/2 p 轨道的成分两个轨道间的夹角为180°，呈直线形。
sp 杂化：1个s 轨道与1个p 轨道进行的杂化, 形成2个sp杂化轨道。
一、杂化轨道理论
sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
典例解析
例1 下列关于杂化轨道的说法正确的是(　　)A．凡是中心原子采用sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是正四面体形B．CH4中的sp3杂化轨道是由4个氢原子的1s轨道和碳原子的2p轨道混合起来形成的C．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相同的新轨道D．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键
C
二、几种碳原子的杂化轨道
已知:乙烯是平面分子，键角为120o，分子中含有碳碳双键。
如何来确定中心原子C的杂化类型呢？
二、几种碳原子的杂化轨道
2s
2p
2s
2p
sp2
3个 sp2 杂化轨道
跃迁
sp2杂化
乙烯 中心原子C的sp2杂化
二、几种碳原子的杂化轨道
乙烯 中心原子C的sp2杂化过程
C原子以sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，分别与C原子和H原子键合。2个碳原子上未杂化的2p轨道形成1个 π键。乙烯分子中含有4个C—H σ键(sp2 s)、1个C—C σ键(sp2 sp2)、1个π键(p p)。
二、几种碳原子的杂化轨道
乙烯分子的空间结构为平面结构。
二、几种碳原子的杂化轨道
乙炔是直线形分子，键角为180°，分子中含有碳碳三键。
乙炔分子的碳原子采用什么杂化？它的杂化轨道用于形成什么化学键？怎么理解它存在碳碳三键？
二、几种碳原子的杂化轨道
2s
2p
2s
2p
sp
2个 sp 杂化轨道
跃迁
sp杂化
乙炔 中心原子C的sp杂化
二、几种碳原子的杂化轨道
乙炔 中心原子C的sp杂化过程
二、几种碳原子的杂化轨道
C原子以sp杂化，形成2个sp杂化轨道，分别与C原子和H原子键合。2个碳原子上未杂化的2p轨道形成2个 π键。乙炔分子中含有2个C—H σ键(sp2 s)、1个C—C σ键(sp2 sp2)、2个π键(p p)。
乙炔分子的空间结构为直线形。
总结
1．分子的空间结构与杂化轨道类型的关系
(1)杂化轨道全部用于形成σ键时
杂化轨道类型 sp sp2 sp3
参与杂化的 原子轨道 一个ns和 一个np轨道 一个ns和 两个np轨道 一个ns和
三个np轨道
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
分子的空间 结构名称 直线形 平面正三角形 正四面体形
总结
总结
(2)杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，由于孤电子对占据部分杂化轨道，会使分子的空间结构与杂化轨道的空间结构不同，
水分子中氧原子的sp3杂化轨道中有2个被孤电子对占据，其分子结构不呈正四面体形，而呈V形；
氨分子中氮原子的sp3杂化轨道中有1个被孤电子对占据，其分子结构不呈正四面体形，而呈三角锥形。
总结
(1)根据杂化轨道的空间分布判断
“三方法”判断分子的中心原子的杂化类型
若呈直线形，则分子的中心原子发生sp杂化。
若为正四面体形，则分子的中心原子发生sp3杂化；
若呈平面三角形，则分子的中心原子发生sp2杂化；
总结
(2)根据杂化轨道之间的夹角判断
若为180°，则分子的中心原子发生sp杂化。
若夹角为109°28′，则分子的中心原子发生sp3杂化；
若夹角为120°，则分子的中心原子发生sp2杂化；
典例解析
时所采取的杂化方式分别为(　　)
A．sp2杂化；sp2杂化
B．sp3杂化；sp3杂化
C．sp2杂化；sp3杂化
D．sp杂化；sp3杂化
C
课堂小结
杂化轨道理论
几种碳原子的杂化轨道
不良反应
杂化轨道理论
用sp3杂化解释CH4分子空间结构
用sp2杂化解释BF3分子空间结构
用sp杂化解释BeCl2分子空间结构
乙烯
乙炔
随堂练习
1．下列有关杂化轨道的说法不正确的是(　　)
A．原子中能量相近的某些轨道，在成键时，能重新组合成能量相等的新轨道
B．轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等
C．杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、能量最低原理
D．CH4分子中任意两个C—H键的夹角均为109°28′
B
随堂练习
2．氨气分子空间结构是三角锥形，而铵根离子是正四面体形，这是因为(　　)
C
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