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(共42张PPT)
学习目标：
1.认识杂化轨道理论的要点
2.进一步了解有机化合物中碳的成键特征
3.根据杂化轨道理论判断简单分子或离子的构型
第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间构型
第2课时 杂化轨道理论简介
问题与思考
甲烷分子呈正四面体形，4个C—H的键长相同，H—C—H的键角为109°28′。按照价健理论，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H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。
为此，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。
思考：为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？
观察与思考
观察如下可视化视频，思考sp3杂化轨道是怎么形成的？
2p
↑↓
↑
↑
C
↑
↑
↑
↑
C
sp3
↑
↑
↑
↑
C
s、px、py、pz杂化
激发
2s
2s
2p
解决方法：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
由1个s轨道和3个p轨道混杂并重新组合成4个能量与形状完全相同的轨道。我们把这种轨道称之为 sp3杂化轨道。
为了四个杂化轨道在空间尽可能远离，使轨道间的排斥最小，4个杂化轨道的伸展方向成什么立体构型
4个轨道斥力最小
sp3杂化轨道
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C-Hσ键，呈正四面体形。
1、概念：原子在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子（中心原子）中几个能量相近的不同类型的原子轨道可以重新组合，组成数目相等的新原子轨道，这种轨道重新组合的方式称为杂化，杂化后形成的新轨道称为杂化轨道。
一、杂化轨道理论：
2、杂化轨道理论要点
只有能量相近的轨道间才能杂化（同一能级组或相近能级组的轨道）
轨道的杂化只有在形成化学键时才会发生，只发生在多原子分子(原子数>2)中，单独原子无法发生杂化(双原子分子也没有杂化过程)
参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数。
杂化改变了原子轨道的形状、方向、能量、成分，杂化使原子的成键能力增加，有利于轨道间的重叠 。满足最小排斥，最大夹角分布。
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。
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。
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。
3、轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。
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
能量相近、类型不同的原子
吸收能量
(1) sp3杂化轨道特点：以CH4为例
根据参加杂化的原子轨道的类型和数目，把杂化轨道分成不同的类型。
4.杂化轨道的类型：
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
109°28′
①1个s 轨道与3个p 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。
H2O和NH3的中心原子也是采用sp3杂化的，因此H2O和NH3的VSEPR模型也是四面体形的，但水分子氧原子的sp3杂化轨道有2个被孤电子对占据，而氨分子的氮原子的sp3杂化轨道有1个被孤电子对占据。
105°
又如：
107°
2s 2p
↑↓
↑↓
↑
↑
O
sp3
↑↓
↑↓
↑
↑
O
孤电子对
σ键单电子
2s 2p
↑↓
↑
↑
↑
N
sp3
↑↓
↑
↑
↑
N
孤电子对
σ键单电子
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。
NH3分子中氮原子的4个sp3杂化轨道1个被孤电子对占据，3个与氢原子的1s轨道重叠，形成3个C-Hs-sp3σ键。
H2O分子中氧原子的4个sp3杂化轨道2个被孤电子对占据，2个与氢原子的1s轨道重叠，形成2个C-Hs-sp3σ键。
2s
2p
sp3不等性杂化
sp3
N
NH3
H2O
sp3不等性杂化
sp3
2p
2s
O
杂化轨道理论简介
学生活动
CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法？
CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子的孤电子对数依次为0个、1个、2个。
由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。
比较键角时，先看中心原子杂化类型，杂化类型不同时：一般键角按sp、sp2、sp3顺序依次减小；杂化类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。
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。
观察与思考
观察如下可视化视频，思考sp2杂化轨道是怎么形成的？
2s 2p
↑↓
↑
↑
C
↑
↑
↑
↑
C
sp2
↑
↑
↑
↑
C
s、px、py杂化
激发
2pZ
乙烯CH2=CH2
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
120°
：
：
：
：
：
：
(2) sp2杂化轨道特点：以C2H4为例
2s 2p
↑↓
↑
↑
C
↑
↑
↑
↑
C
sp2
↑
↑
↑
↑
C
s、px、py杂化
激发
2pZ
乙烯CH2=CH2
乙烯中的每个碳原子的3个sp2杂化轨道有一个相互重叠形成σ键，另外2个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个σ键，未参与杂化的2P轨道相互重叠形成π键。
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。
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。
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
180°
BeCl2分子的形成
Be原子：1s22s2 没有单个电子，
sp
sp杂化
(3) sp杂化轨道特点：
乙炔中每个碳原子的2个sp杂化轨道有一个相互重叠形成σ键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个σ键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。
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。
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轨道形成2个π键。
（4）其他杂化类型：
如sp3d杂化：
三角双锥
如sp3d2杂化：
正八面体
SF6 ：
二、怎么判断中心原子的杂化轨道类型
方法一：利用杂化轨道数判断
(2)形成π键的电子只能位于未杂化的原子轨道上。
(1)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。
(3)中心原子σ键电子对数+孤电子对数＝价层电子对数＝杂化轨道数
价层电子对数=杂化轨道数 中心原子的杂化轨道类型 VSEPR模型
2
3
4
sp
sp2
sp3
直线形
平面三角形
四面体形
轨道杂化类型 模型 成键电子对数 孤对电子对数 电子对的排列方式 分子的空间结构 实例
直线形 2 0 直线形 、 、
平面三角形 3 0 平面三角形 、
2 1 形 、
轨道杂化类型 模型 成键电子对数 孤对电子对数 电子对的排列方式 分子的空间结构 实例
四面体 4 0 正四面体形 、
3 1 三角锥形 、
2 2 形
续表
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
VSEPR名称
杂化轨道数
中心原子的杂化轨道类型
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
1.根据杂化轨道的空间分布判断
①若杂化轨道在空间的分布为正四面体，则中心原子发生sp3杂化。
②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。
③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。
2.根据杂化轨道之间的夹角判断
①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。
方法二：根据杂化轨道的空间分布或杂化轨道之间的夹角判断
高中阶段，影响键角大小的因素主要有三：一是中心原子的杂化类型；二是中心原子的孤电子对数；三是中心原子的电负性大小等。
1.中心原子杂化类型不同的粒子，键角大小为：sp杂化＞sp2杂化＞sp3杂化
如键角：CH≡CH＞CH2==CH2＞CH4。
2.中心原子杂化方式相同的粒子，由于斥力：孤电子对与孤电子对之间＞孤电子对与成键电子对之间＞成键电子对与成键电子对之间，孤电子对数越多，对成键电子对的斥力越大，键角越小。如键角：CH4＞NH3＞H2O。
3.中心原子杂化方式相同且孤电子对数目也相同时，中心原子的电负性越大，键角越大。如H2O、H2S中，电负性：O＞S，即键角：H2O(105°)＞H2S(92.3°)。
键角的判断与比较
另外：同一粒子中不同共价键的键角，由于斥力：双键间＞双键与单键间＞单键间，则键角大小不同。如甲醛中： ，键角α＞β。
拓展延伸
方法三：用取代法判断
以常见的物质分子为基础，用其他原子或原子团取代分子中的部分原子或原子团，得到的新分子的中心原子与原分子对应的中心原子的杂化类型相同。
方法四：利用等电子原理
等电子体具有相同的结构特征,一般来说,等电子体的中心原子的杂化类型相同，等电子体粒子间具有相同的空间结构。对于结构模糊或复杂的分子、离子,可将其转化成熟悉的等电子体,然后进行判断。常见的等电子体往往是同族不同元素或同周期相近元素构成的微粒。
等电子类型 实例 空间构型
2个原子10个价电子 直线形
3个原子16个价电子 直线形
3个原子18个价电子 V形
4个原子8个价电子 三角锥形
4个原子24个价电子 平面三角形
4个原子26个价电子 三角锥形
5个原子8个价电子 正四面体
5个原子32个价电子 4个σ键，正四面体
7个原子48个价电子 6个σ键，正四面体
NH3、H3O＋
CH4、NH4＋
PO33－、SO32－、ClO3－
方法五：有机物中碳原子的杂化类型判断
没有形成π键，为SP3杂化
形成一个π键 ，为SP2杂化
形成两个π键，为SP 杂化（乙炔，CO2）
饱和碳原子（全部是单键）采取 杂化，连接双键的碳原子采取 杂化，连接三键的碳原子采取 杂化。
σ键电子对数
价层电子对数
VSEPR模型
孤电子对数
杂化轨道类型
分子空间结构
预测
解释
价电子互斥理论
杂化轨道理论
思考与讨论
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
学习评价：
1．下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是 (　　)
A．sp杂化轨道的夹角最大 B．sp2杂化轨道的夹角最大
C．sp3杂化轨道的夹角最大 D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等
A
C
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． ② ⑥⑦ D．③⑤⑥
大π键（共轭大π键，离域π键）
1、含义：在多原子分子或离子中如有相互平行的P轨道，他们连贯重叠在一起构成一个整体，P电子在多个原子间运动形成π型化学键，这种i不局限在两个原子之间的π键称为离域π键，或共轭大π键，简称大π键
3、通常采用；
a表示平行p轨道的数目。
b表示在平行p轨道里的电子数。
拓展延伸
2、条件：
所有原子在同一平面，中心原子采用sp杂化或者sp2 杂化
参与形成大π键的原子数
参与形成大π键的电子数
大π键
C6H6：平面正六边形
苯分子中碳原子sp2杂化
3条杂化轨道互成120°
π
6
6个p轨道
6个电子
6
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大键。电子在这个大键中可以自由移动，所以石墨能导电。
感谢聆听！

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