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第二章第二节 分子的空间结构
第三课时杂化轨道理论简介
【讨论】CH4分子为什么能形成正四面体结构？
按照我们已经学过的价键理论，甲烷的4个C-H单键都应该是σ键，然而，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
为了解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论，杂化轨道理论是一种价健理论模型。
杂化轨道理论
杂化类型
【思考】根据基态原子的价层电子轨道表示式，解释为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？
价层电子轨道表示式（电子排布图）
C
H
1s
解决方案：碳原子的一个2s电子受外界影响跃迁到2p的空轨道上，使碳原子价层有四个单电子，因此碳原子与氢原子结合生成CH4
1s
激发
1s
1s
1s
1s
杂化轨道理论
杂化类型
甲烷分子中C原子的1个2s轨道与3个2p轨道形成4个相同的sp3杂化轨道，夹角109°28′分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C-Hs-sp3σ键，呈正四面体形。
sp3杂化轨道
杂化轨道理论
杂化类型
四、杂化轨道理论简介
价层电子
空轨道
激发
杂化轨道
轨道重新组合
成对电子中的一个
与激发电子临近
吸收能量
轨道总数目不变，角度和形状发生变化，成键时释放能量较多，轨道重叠程度更大，生成的分子更稳定
对杂化过程的理解
杂化轨道理论
杂化类型
1、概念：
原子轨道杂化
杂化轨道
在外界条件影响下，中心原子能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。
原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化轨道。
2、杂化的条件：
(1)只有在形成化学键时才能杂化
(2)只有能量相近的轨道间才能杂化
（同一能级组或相近能级）
杂化轨道理论
杂化类型
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
109°28′
①sp3杂化
杂化轨道理论
杂化类型
sp3杂化轨道特征：
①1个ns 轨道与3个np 轨道进行的杂化,形成4个sp3 杂化轨道。
②每个sp3杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有 1/4 s 轨道和 3/4 p 轨道的成分。
③每两个轨道间的夹角为109 28′，空间构型为正四面体形。
杂化轨道理论
杂化类型
【思考】如何用杂化轨道理论解释NH3和H2O的空间结构呢？
注：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。
VSEPR模型四面体形
中心原子采用sp3杂化。如SO42-、NH4+等）
结论：
2s
2p
sp3不等性杂化
sp3
N
NH3
H2O
sp3不等性杂化
sp3
2p
2s
O
杂化轨道理论
杂化类型
②sp2杂化
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
120°
杂化轨道理论
杂化类型
②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。
sp2杂化轨道特征：
①1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化,形成3个sp2 杂化轨道。
③每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。
④ 3个sp2杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的p轨道用于形成π键。
杂化轨道理论
杂化类型
【讨论】如何用杂化轨道理论解释CH2=CH2和BF3的空间结构呢？
↑
↑
↑
↓
2s
2p
↑
↑
↑
↑
sp2
sp2杂化
CH2=CH2分子中碳原子的3个sp2杂化轨道有一个相互重叠形成sp2-sp2σ键，另外2个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-sp2σ键，未参与杂化的2P轨道相互重叠形成π键。
CH2=CH2
C
杂化轨道理论
杂化类型
【讨论】如何用杂化轨道理论解释CH2=CH2和BF3的空间结构呢？
↑
↑
↓
2s
2p
↑
↑
↑
sp2
sp2杂化
120°
BF3分子中硼原子的3个sp2杂化轨道与氟原子p轨道重叠形成三个p-sp2σ键
VSEPR模型平面三角形
中心原子采用sp2杂化（CO32-、SO2等）
结论：
BF3
B
杂化轨道理论
杂化类型
③sp杂化
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
180°
杂化轨道理论
杂化类型
②每个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。
①1个s 轨道与1个p 轨道进行的杂化,形成2个sp杂化轨道。
sp杂化轨道特征：
③两个轨道间的夹角为180°，呈直线型。
④ 2个sp杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的2个p轨道用于形成2个π键。
杂化轨道理论
杂化类型
【思考】如何用杂化轨道理论解释CH≡CH和BeCl2的空间结构呢？
CH≡CH分子中碳原子的2个sp杂化轨道有一个相互重叠形成sp-spσ键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-spσ键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。
CH≡CH
↑
↑
↑
↓
2s
2p
sp杂化
↑
↑
sp
↑
↑
C
杂化轨道理论
杂化类型
【思考】如何用杂化轨道理论解释CH≡CH和BeCl2的空间结构呢？
BeCl2分子中铍原子的2个sp杂化轨道与氟原子p轨道重叠形成三个sp-pσ键
VSEPR模型直线形
中心原子采用sp杂化（CO2等）
结论：
BeCl2
↑
↓
2s
2p
sp2杂化
↑
↑
sp
Be
杂化轨道理论
杂化类型
杂化轨道理论规律：
杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数，杂化前后轨道数不变
杂化过程中轨道的形状、方向发生变化，杂化后的新轨道能量、形状都相同
③ 杂化轨道用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
④ 杂化前后原子轨道在空间取最大夹角分布，能使相互间排斥力最小。故形成的键较稳定，成键能力增强。不同类型的杂化轨道之间夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。
杂化轨道理论
杂化类型
【随堂练习】正误判断
(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( )
(2)凡中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子空间结构都是正四面体形( )
(3)杂化轨道的空间结构与分子的空间结构不一定一致( )
(4)杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键( )
(5)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( )
(6)凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp2杂化轨道成键。(　　)　
×
×
√
√
√
√
杂化轨道理论
杂化类型
【思考】确定BF3和H3O+的中心原子的杂化轨道类型,并与同学讨论。
第一步 计算中心原子孤电子对数：
BF3
H3O+
第二步 计算价层电子对数：
3+0＝3
3+1＝4
第三步 确定VSEPR模型：
第四步 确定杂化轨道类型：
sp2
sp3
第三步 确定杂轨道数：
3
4
杂化轨道理论
杂化类型
5、VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型
典型例子
价层电子对数
VSEPR模型
VSEPR模型名称
杂化轨道数
中心原子的杂化轨道类型
分子空间结构
直线形
平面三角形
平面三角形
四面体
四面体
正四面体
sp
sp2
sp3
sp2
sp3
sp3
CO2
SO2
SO3
H2O
NH3
CH4
2+0＝2
2+1＝3
3+0＝3
2+2＝4
3+1＝4
4+0＝4
2
3
3
4
4
4
直线形
V形
平面三角形
三角锥形
正四面体
V形
杂化轨道理论
杂化类型
杂化轨道类型的判断
①对于主族元素来说，
中心原子的杂化轨道数=价层电子数=σ键电子对数 + 孤电子对数
当中心原子的价层电子对数为4时，其杂化类型为 杂化，
当中心原子的价层电子对数为3时，其杂化类型为 杂化，
当中心原子的价层电子对数为2时，其杂化类型为 杂化。
sp3
sp2
sp
6、杂化轨道类型的判断：
杂化轨道理论
杂化类型
化学式 H3O+ NH2- CO2 CHCl3 COCl2 PCl3
σ键电子对
孤电子对
杂化类型
【随堂练习】推测下列微粒中心原子的杂化类型：
3
1
2
2
2
0
4
0
3
0
3
1
sp3
sp3
sp
sp3
sp2
sp3
杂化轨道理论
杂化类型
（2）方法二：根据分子的空间结构判断
分子的空间结构 正四面体形 三角锥形 V形 平面三角形 V形 直线形
杂化类型
sp
sp2
sp3
【练习】已知P4、P4O6、S8和H2O2分子的空间结构如下，请判断P、S、O原子的杂化类型。
②含碳化合物中碳原子的杂化类型判断
如果碳原子形成1个三键或两个双键，则其中有2个π键，用去2个p轨道，形成的是sp杂化，如CO2、HC≡CH等；
如果碳原子形成1个双键则其中必有1个π键，用去1个p轨道，形成的是sp2杂化，如HCHO、CH2=CH2等；
如果全部是单键（即碳原子饱和），则形成sp3杂化，如CH4、CH3OH等。
杂化轨道理论
杂化类型
C6H6平面形分子，键角120 。
C：sp2等性杂化 3条杂化轨道互成120°角 。未杂化的p轨道形成p-p大π键
石墨分子结构是层形结构，每层是由无限个碳六元环所形成的平面，碳原子取sp2杂化，每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行。平行的n个p轨道形成了一个p-p大π键。电子在这个大π键中可以自由移动，所以石墨能导电。
杂化轨道理论
杂化类型
【随堂练习】推测下列有机物中碳的杂化类型：
(1)CH3CH2CH3 (2)CH3CH=CH2 (3)CH≡CCH=CH2
sp3
sp3
sp3
sp3
sp2
sp2
sp
sp
sp2
sp2
杂化轨道理论
杂化类型
PCl3中心原子的杂化类型为sp3，那么PCl5中心原子的杂化类型如何？
三角双锥
sp3d杂化
↑
↑
↑
↓
3s
3p
↑
3d
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
3s
3p
↑
3d
↑
激发
杂化
7、其他典型的杂化类型
杂化轨道理论
杂化类型
SF6中心原子的杂化
正八面体
sp3d2杂化
↑
↑
↑
↓
3s
3p
↑
3d
↓
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
激发
↑
↑
↑
3s
3p
↑
3d
↑
↑
杂化
杂化轨道理论
杂化类型
物质 价电 子对数 中心原 子杂化 轨道类型 杂化轨道/ 电子对空 间构型 轨道 夹角 分子空 间构型 键角
气态BeCl2
CO2
BF3
CH4
NH4+
H2O
NH3
PCl3
2
2
3
4
4
4
4
4
sp
sp
sp2
sp3
直线形
直线形
平面三角形
正四面体
180°
180°
120°
109.5°
直线形
直线形
平面三角形
正四面体
V形
三角锥形
180°
180°
120°
109.5°
109.5°
104.5°
107.3°
107.3°
常见共价粒子的杂化方式
6(1)【2021年山东省等级考】Xe 是第五周期的稀有气体元素，与 F 形成的 XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 ，下列对 XeF2中心原子杂化方式推断合理的是_______________（填标号）。
A.sp B.sp2 C.sp3 D.sp3d
5
D
(2)【2021年全国甲卷】SiCl4是生产高纯硅的前驱体，其中Si采取的杂化类型为 。
sp3
(3)【2021年全国乙卷】PH3中P采取的杂化类型为 。
sp3
(4)【2022年全国甲卷】 CF2=CF2和ETFE(CH2=CH2与CF2=CF2)的共聚物)分子中C的杂化轨道类型分别为_______和_______
sp3
sp2
典例4：(1)(2022全国甲) CF2=CF2和ETFE分子中C的杂化轨道类型分别为____和____；聚四氟乙烯的化学稳定性高于聚乙烯，从化学键的角度解释原因____________________________________________________________。
C-F键的键能大于聚乙烯中C-H的键能，键能越大，化学性质越稳定
(2)(2022全国乙)①一氯乙烯(C2H3Cl)分子中，C的一个_______杂化轨道与Cl的3px轨道形成C-Cl_______键，并且Cl的3px轨道与C的2px轨道形成3中心4电子的大π键。（∏34）
σ
sp2 sp3
sp2
(3)(2020 新课标Ⅰ)磷酸根离子的空间构型为 ____　 　，其中P的价层电子对数为 　 　、杂化轨道类型为 　 　。
正四面体形
4
sp3
考点二　杂化轨道类型和分子的空间构型
(5)（2021 山东）O、F、Cl电负性由大到小的顺序为 　 _________　；OF2分子的空间构型为 　 ______；
Xe是第五周期的稀有气体元素，与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 　 　，下列对XeF2中心原子杂化方式推断合理的是 　 　（填标号）。A.sp B.sp2 C.sp3 D.sp3d
5
D
F＞O＞Cl
角(V)形
(4)(2022 山东)吡啶（ ）替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的大π键，则吡啶中N原子的价层孤电子对占据_____ 　 　（填标号）。A.2s轨道 B.2p轨道 C.sp杂化轨道 D.sp2杂化轨道
D
3.回答下列问题：
（1）[2019·全国卷Ⅰ]乙二胺(H2NCH2CH2NH2)是一种有机化合物，分子中氮、碳的杂化类型分别是_____、_____。
（2）[2018·全国卷Ⅰ]LiAlH4是有机合成中常用的还原剂，LiAlH4中的阴离子空间结构是____________，中心原子的杂化形式为_____。
（3）[2021·山东卷] Xe 是第五周期的稀有气体元素，与 F 形成的 XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 ，下列对 XeF2中心原子杂化方式推断合理的是_______（填标号）。
A.sp B.sp2 C.sp3 D.sp3d
(1)sp3 sp3
(2) 正四面体形 sp3
(3) 5 D
原子轨道杂化
杂化轨道
在外界条件影响下，中心原子能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。
原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化轨道。
①杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数
②杂化改变了原子轨道的形状和方向
③杂化使原子的成键能力增强
④杂化轨道用于构建分子的σ轨道和孤电子对轨道
杂化轨道理论要点
杂化轨道类型
sp3杂化、sp2杂化、sp杂化……
杂化轨道理论
杂化类型
2. 硼砂是含结晶水的四硼酸钠。以硼砂为原料，可以得到BF3、BN和硼酸等重要化合物，请根据下列信息回答有关问题： 　　　　　
(1)硼砂中阴离子Xm－(含B、O、H三种元素)的球棍模型如图1所示，则在Xm－中4号硼原子的杂化类型为_____；m＝____(填数字)。
(2)BN中B的化合价为_____，请解释原因： 。
(3)BF3和过量NaF作用可生成NaBF4，BF4－的空间结构为___________；
(4)硼酸(如图2)中硼原子杂化类型为________。
图1　
图2　
sp3
2
+3
电负性：N＞B
正四面体
sp2
对点训练
2．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． ②⑥⑦ D．③⑤⑥
1．下列分子中，中心原子的杂化轨道类型相同的是( 　)
A．CO2与SO2 B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2
C
B

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