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2.2.1 杂化轨道理论
学习目标定位
1、了解常见分子的空间构型。
2、理解杂化轨道理论的主要内容，并能用杂化轨道理论解释或预测某些分子或离子的空间构型。
一、杂化轨道理论
【思考】研究证明，甲烷分子为正四面体结构，C—H 键角均为109°28'，但原子之间若要形成共价键，价电子中应该有未成对电子，而 C 的价电子排布表示其只有两个未成对电子，为什么能形成四个共价键？即使 2s 轨道上一个电子受外界影响发生跃迁，四个键也不应该完全一样，为什么甲烷是正四面体结构呢？
1. 概念：
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的过程叫做原子轨道的杂化，组合后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
一、杂化轨道理论
2. 轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。
杂化后，杂化轨道不仅改变了原有 s 和 p 轨道的空间取向，而且使其在与其他原子轨道成键时重叠程度更大，形成的共价键更牢固。
一、杂化轨道理论
一、杂化轨道理论
3. 杂化轨道理论的四个要点：
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
判断正误
(1)任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道(　　)
(2)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道(　　)
(3)杂化轨道能量相同(　　)
(4)sp2杂化后轨道数目是2(　　)
(5)sp杂化轨道是直线形，夹角为180°(　　)
×
√
√
×
√
应用体验
1.能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为
A. B.
C. D.
2.ns轨道和np轨道杂化的类型不可能有
A.sp杂化 B.sp2杂化
C.sp3杂化 D.sp4杂化
D
D
二、典型分子空间构型
1. sp3 杂化—— NH3、H2O 与 CH4 分子的形成
(1)CH4 分子的空间构型
(2)sp3 杂化：sp3 杂化轨道是由1个 ns 轨道和3个 np 轨道杂化而得，sp3 杂化轨道的夹角为 109.5°，呈正四面体构型。
二、典型分子空间构型
1. sp3 杂化—— NH3、H2O 与 CH4 分子的形成
(3)sp3 杂化的其他空间构型
NH3、H2O分子中 N 原子和 O 原子的杂化类型分别为 sp3、sp3 杂化。由于 N 原子和 O 原子分别有 1 对和 2 对孤对电子，孤对电子对成键电子对的排斥作用较强，且孤对电子数越多，排斥作用越强，使键角依次变小。
又因为NH3、H2O分子四个sp3 杂化轨道中已经分别有 1 对和 2 对孤对电子，只有另外轨道中的未成对电子可以和氢原子成键，所以空间结构分别成三角锥形和角形。
二、典型分子空间构型
2．sp2杂化——BF3、乙烯分子的形成
(1)BF3分子的形成
(2)sp2杂化：sp2杂化轨道是由1个 ns 轨道和2个 np 轨道杂化而得，sp2 杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。
(3)sp2 杂化后，未参与杂化的1 个 np 轨道可以用于形成 π 键，如乙烯分子中的C=C键的形成。
二、典型分子空间构型
2．sp2杂化——BF3、乙烯分子的形成
(4)乙烯分子中碳原子的杂化过程如下图：
乙烯分子中每个碳原子的杂化轨道中含一个未成对电子，两个碳原子各用一个sp2 杂化轨道形成一个σ键，每个碳原子的另外两个 sp2 杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道形成一个σ键，剩下的一个未参与杂化的 2p 轨道以“肩并肩”的方式重叠，形成一个π键。
二、典型分子空间构型
二、典型分子空间构型
3. sp 杂化—— BeCl2 、乙炔分子的形成
(1)BeCl2 分子的形成
杂化后的2个 sp 杂化轨道分别与氯原子的 3p 轨道发生重叠，形成2个 σ 键，构成直线形的 BeCl2 分子。
二、典型分子空间构型
3. sp 杂化——BeCl2、乙炔分子的形成
(2)sp 杂化：sp 杂化轨道是由1个 ns 轨道和1个 np 轨道杂化而得，sp 杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形。
(3)sp 杂化后，未参与杂化的两个 np 轨道可以用于形成 π 键，如乙炔分子中的C≡C键的形成。
二、典型分子空间构型
3. sp 杂化——BeCl2、乙炔分子的形成
(4)乙炔分子中碳原子的杂化过程如下图：
乙炔分子中碳原子的杂化轨道中各含一个未成对电子，两个碳原子各用一个 sp 杂化轨道形成一个 σ 键，再用另外一个 sp 杂化轨道分别与氢原子的 1s 轨道形成一个 σ 键，剩下的两个未参与杂化的 2p 轨道以“肩并肩”的方式重叠，形成两个 π 键。
二、典型分子空间构型
4. 苯分子的空间构型与大π键 (P51)
因此苯分子有特殊稳定性，不会使酸性 KMnO4 溶液褪色。
三、杂化轨道类型判断方法
1. 根据杂化轨道数判断
对于ABm型分子，中心原子的杂化轨道数＝(中心原子价电子数＋配位原子提供的价电子数)/2，其中配位原子中：卤素原子、氢原子提供1个价电子，硫和氧原子按不提供价电子计算。
2. 根据共价键的类型判断
(1)中心原子形成 1 个叁键，为 sp 杂化，如 CH≡CH、H—C≡N等；
(2)中心原子形成 2 个双键，为 sp 杂化，如 O=C=O、S=C=S等；
(3)中心原子形成 1 个双键，为 sp2 杂化，如CH2=CH2等；
(4)中心原子形成 4 个单键，为 sp3 杂化，如 CH4、SiF4 等。
三、杂化轨道类型判断方法
3. 根据分子(或离子)的空间构型判断
(1)正四面体形 —— 中心原子为 sp3 杂化；
(2)三角锥形 —— 中心原子为 sp3 杂化；
(3)平面三角形 —— 中心原子为 sp2 杂化；
(4)直线形 —— 中心原子为 sp 杂化；
(5)V形 —— 中心原子可能为 sp3 杂化，也可能为 sp2 杂化。
三、杂化轨道类型判断方法
4. 有机物中碳原子的杂化类型
(1)根据碳原子形成的 σ 键数目判断
有机物中，碳原子杂化轨道形成 σ 键，未杂化轨道形成 π 键。
(2)由碳原子的饱和程度判断
①饱和碳原子采取 sp3 杂化；
②双键上的碳原子或苯环上的碳原子采取 sp2 杂化；
③叁键上的碳原子采取 sp 杂化。
跟踪强化
1、下列有关苯分子中的化学键描述正确的是(　　)
A．每个碳原子的 sp2 杂化轨道中的其中一个形成大π键
B．每个碳原子的未参加杂化的 2p 轨道形成大π键
C．碳原子的三个 sp2 杂化轨道与其他原子形成三个π键
D．碳原子的未参加杂化的 2p 轨道与其他原子形成σ键
B
跟踪强化
1.下列中心原子的杂化轨道类型和分子空间结构不正确的是
A.PCl3中磷原子发生sp3杂化，为三角锥形
B.BCl3中硼原子发生sp2杂化，为三角形
C.CS2中碳原子发生sp杂化，为直线形
D.H2S中硫原子发生sp杂化，为直线形
D
跟踪强化
3.判断下列中心原子的杂化轨道类型(标“·”的原子为中心原子)。
微粒 杂化轨道数 杂化轨道类型
4　 sp3　
3　 sp2　
4　 sp3　
4　 sp3
4　 sp3
跟踪强化
2、有关杂化轨道的说法不正确的是(　　)
A．杂化前后的轨道数不变，但轨道的形状发生了改变
B．sp3、sp2、sp 杂化轨道的夹角分别为 109.5°、120°、180°
C．四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用 sp3 杂化轨道解释
D．杂化轨道全部参与形成化学键
D
跟踪强化
3、下列关于原子轨道的说法正确的是(　　)
A．凡是中心原子采取 sp3 杂化轨道成键的分子，其空间构型都是正四面体形
B．CH4 分子中的 sp3 杂化轨道是由 4 个 H 原子的1s 轨道和 C 原子的 2p 轨道混合起来而形成的
C．sp3 杂化轨道是由同一个原子中能量相近的1个 s 轨道和 3 个 p 轨道重新组合而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 杂化成键
C
跟踪强化
4、下列对于 NH3 和 CO2 的说法中正确的是(　　)
A．都是直线形结构
B．中心原子都采取 sp 杂化
C．NH3 为三角锥形结构，CO2 为直线形结构
D．N 原子和 C 原子上都没有孤对电子
C

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