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第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
2.2.2 杂化轨道理论
【教材分析】
本节从分子结构的测定、三原子、四原子、五原子分子的立体构型为例，介绍典型分子立体构型；然后从价层电子对互斥理论和杂化轨道理论解释分子结构的多样性和复杂性，并根据上述理论判断简单分子和离子的构型。
【课程目标】
课程目标 学科素养
1.了解杂化轨道理论的基本内容。 2.在理解杂化轨道理论的基础上，对分子的空间构型进行解释和预测。 1.微观探析：通过杂化轨道理论的学习,能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。 2.模型认知：通过杂化轨道理论的学习,掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法,建立分子空间结构分析的思维模型。
【教学重难点】
教学重点：杂化轨道理论
教学难点：杂化轨道理论
【教学过程】
【思考交流】
甲烷呈正四面体形，它的4个C—H键的键能、键长相同，H—C—H的键角109°28′，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形的甲烷分子。请解释原因。
【释疑解惑】
当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，却得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的4个顶角，夹角109°28'，称为sp3杂化轨道，表示这4个轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。当碳原子跟4个氢原子结合时，碳原子以4个sp杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C-H σ键，因此呈正四面体形的空间结构。
【过渡】
了解了CH4的杂化方式，接下来我们就来具体学习杂化轨道理论。
【讲解】
1.杂化轨道理论
(1)杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。
①轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部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。
②杂化轨道：原子轨道杂化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。
③轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。
(2)杂化轨道理论要点：
①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。
②参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数。
③杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。
④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），且杂化轨道的能量相同。
⑤原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。
⑥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。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化类型。
⑦杂化轨道数=中心原子上的孤电子对数+与中心原子结合的原子数。
【讲解】
2.杂化类型
CH4是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的，sp3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间正四面体形这种杂化方式我们称为sp3杂化。
【展示】 sp3杂化轨道的形成。
【讲解】
在学习价层电子对互斥模型时，知道NH3和H2O的VSEPR模型跟CH4一样也是四面体形，因此它们的中心原子也是采取了sp3杂化。
【案例讲解】
氮原子的3个sp3杂化轨道与3个氢原子的1s原子轨道重叠形成3个N-Hσ键，其中1个sp3杂化轨道中占有孤电子对。
【学生活动】
请模仿NH3的中心原子N的杂化和成键过程，尝试用杂化轨道理论来解释H2O的空间结构。
【讲解】
sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道杂化而得。sp2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形(如BF3)。
sp2杂化后，未参与杂化的一个np轨道可以用于形成π键，如乙烯分子碳碳双键的形成。
【展示】
sp2杂化轨道——BF3分子的形成
【案例讲解】
CH2=CH2
【讲解】
sp杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道杂化而得。sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形(如BeCl2)。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。
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。
【展示】
sp杂化轨道
【案例讲解】
乙炔
【讲解】
3.杂化轨道与分子空间构型
杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，当没有孤电子对时，能量相同的杂化轨道彼此远离，形成的分子为对称结构；当有孤电子对时，孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥，形成的分子的空间结构也发生变化。
【学生活动】
试分析杂化轨道与分子的空间结构的关系。
【总结】
杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。
杂化轨道数 ＝ 价层电子对数
＝ 中心原子孤电子对数+中心原子σ键电子对数
形成π键的电子只能位于未杂化的原子轨道上。
价层电子对数 中心原子的杂化轨道类型 VSEPR理想模型
2 sp 直线形
3 sp2 平面三角形
4 sp3 四面体形
【学生活动】
分析CO2、SO2、SO3、H2O、NH3、CH4的杂化轨道类型、VSEPR模型、空间构型，总结VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系。
【总结】
价电子对数 VSEPR模型 VSEPR模型名称 杂化轨道数 中心原子的杂化轨道类型 分子的空间构型 实例
2 直线形 2 sp 直线形 BeCl2、CO2
3 平面三角形 3 sp2 V形 SO2
3 平面三角形 3 sp2 平面三角形 SO3
4 四面体形 4 sp3 V形 H2O
4 四面体形 4 sp3 三角锥形 NH3
4 正四面体形 4 sp3 正四面体形 CH4、CCl4
【课堂练习】
略
【拓展延伸】

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