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第3课时：杂化轨道理论
第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
1. 认识分子结构以及杂化轨道理论。
2. 分析杂化类型与分子空间结构的关系
3.能运用杂化轨道理论解释简单共价分子和离子的空间结构
资料链接——甲烷的分子结构
分子式：CH4
空间构型：正四面体形
碳原子位于正四面体的中心；
4个氢原子完全相同，位于正四面体的4个顶点上；
4个C-H键的长度相同；
键角都为109°28'。
简单又不简单的分子：甲烷
问题来了：
碳原子有4个成单电子吗？为何它可以与4个H原子形成4个C-H ɑ键呢？
请写出碳原子的价层电子排布式和轨道表达式，并用价层电子对互斥理论预测甲烷的空间构型。
C : 2s22p2
正四面体构型
2s
2p
共价键的饱和性
键角
90°
CH2
为了解决这些矛盾，美国著名化学家鲍林提出了杂化轨道理论。
环节一：复习旧知，发现问题
一、杂化轨道理论
1、杂化的概念
杂化：在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道会重新组合形成新的原子轨道的过程。
莱纳斯·卡尔·鲍林
（1901年2月28日－1994年8月19日）
美国著名化学家，两获诺贝尔奖
（解释简单分子的空间结构）
杂化原子轨道：重新组合形成的新的原子轨道，简称杂化轨道。
环节二：提出理论，解决问题
(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
2、杂化条件：
3. 杂化轨道的特征：
（1）杂化前后轨道的成分、能量、形状、方向发生改变，原子轨道数目不变
(2) 杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对
4. 常见杂化类型：
sp sp2 sp3
环节二：提出理论，解决问题
平衡应用
环节二：提出理论，解决问题
sp3杂化轨道是由1个ns 轨道和3个np 轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有 s 和 p的成分，sp3 杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。
2s
2p
基态
激发
杂化
2s
2p
激发态
sp3杂化轨道
杂化态
CH4中 C : 2s22p2
1. sp3 杂化
思考：sp3杂化轨道在空间的分布？
x
y
z
s
px
x
y
z
x
y
z
py
x
y
z
pz
+
+
+
109°28’
混合杂化，形成4个sp3杂化轨道
4个sp3杂化轨道在空间的分布
1s
1s
1s
1s
形成4个s-sp3 σ键
环节二：提出理论，解决问题
CH4
知识回顾
环节三：结合实例，发现规律
价层电子对数 孤电子对数 VSEPR模型 空间结构
H2O
NH3
CH4
H2O和NH3、CH4的VSEPR模型相同，都是正四面体形，因此它们的中心原子也是采取sp3杂化。所不同的是，氨分子的氮原子的sp3杂化轨道中有1个被孤电子对占据，水分子的氧原子的sp3杂化轨道中有2个被孤电子对占据。
V形 105°
三角锥形 107°
正四面体形
109°28‘
4
2
四面体形
四面体形
四面体形
4
1
4
0
环节三：结合实例，发现规律
NH3 空间结构：三角锥形 键角：107°
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-H σ键，其中孤电子对占有1个sp3杂化轨道。
→孤电子对对成键电子对的排斥能力较强，故键角小于109°28′，为107°
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。
环节三：结合实例，发现规律
H2O 空间结构：V形 键角：105°
杂化
2s
2p
基态
sp3杂化轨道
sp3杂化态
O原子的2个sp3杂化轨道与2个氢原子的1s原子轨道重叠形成2个O-Hσ键，其中有2个sp3杂化轨道中占有孤电子对。
环节三：结合实例，发现规律
常见杂化类型：sp3、sp2、sp
sp2：1个ns轨道和2个np轨道杂化
特征：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，呈平面三角形
环节三：结合实例，发现规律
常见杂化类型：sp3、sp2、sp
sp：1个ns轨道和1个np轨道杂化
特征：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，呈直线形
战
B原子的3个sp2杂化轨道分别与3个F原子的2p轨道形成3个p-sp2σ键.
BF3的空间结构为平面三角形，类似的还有SO3、NO3-等
2. sp2 杂化
分子 中心原子上的孤对电子数 价层电子对数 中心原子的杂化轨道类型 分子的空间结构
BF3
3
sp2杂化
平面三角形
环节三：结合实例，发现规律
① BF3中的B原子杂化
② CH2=CH2中的C原子sp2杂化
战
C原子的2个sp2杂化轨道分别与2个H原子的1s 轨道形成2个s-sp2σ键，另一个sp2杂化轨道与另一个C原子的sp2杂化轨道头碰头形成1个σ键。两个C剩余未参与杂化的2p轨道肩并肩形成π键
注意：有机物中形成双键的碳原子均为sp2杂化
环节三：结合实例，发现规律
①BeCl2中Be原子的杂化
3. sp 杂化
Be原子的2个sp杂化轨道分别与Cl原子的3p轨道形成σ键
Cl
Cl
sp
px
px
环节三：结合实例，发现规律
分子 中心原子上的孤对电子数 价层电子对数 中心原子的杂化轨道类型 分子的空间结构
BeCl2
0
2
sp
直线形
②CH≡CH分子中碳原子的sp杂化
3. sp 杂化
两个碳原子的1个sp杂化轨道相互重叠形成sp-sp σ 键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-sp σ 键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。
注意：有机物中形成三键的碳原子均为sp杂化
环节三：结合实例，发现规律
价层电子对数 杂化轨道数目 杂化轨道类型 杂化轨道构型 VSEPR模型
2 2 sp 直线形 直线形
3 3 sp2 平面三角形 平面三角形
4 4 sp3 四面体形 四面体形
[规律] 杂化轨道数目、价层电子对数、杂化轨道类型、杂化轨道构型、VSEPR模型之间的关系。
中心原子的价层电子对数＝杂化轨道数
化学式 中心原子 孤电子对数 中心原子结合的原子数 VSEPR 模型 中心原子杂化类型
HCN
SO2
NH2－
BF3
H3O+
SiCl4
CHCl3
NH4+
SO42－
0
1
2
0
1
0
0
0
2
2
2
3
3
4
4
4
sp
sp2
sp3
0
4
直线形
平面三角形
四面体形
平面三角形
四面体形
正四面体形
四面体形
正四面体形
正四面体形
sp2
sp3
sp3
sp3
sp3
sp3
【解决问题】
环节三：结合实例，发现规律
杂化轨道理论与VSEPR模型联用
价层电子对数
杂化轨道数目
VSEPR模型
杂化轨道理论
分子的空间结构
预测
解释
四、判断中心原子杂化轨道类型的方法
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
①当中心原子的价层电子对数为4时，其杂化类型为sp3杂化；
②当中心原子的价层电子对数为3时，其杂化类型为sp2杂化；
③当中心原子的价层电子对数为2时，其杂化类型为sp杂化。
杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键。
1. 根据杂化轨道数目判断
2. 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或三角锥形，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
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. 根据杂化轨道之间的夹角判断
③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化
sp3
sp3
sp3
sp3
sp2
sp2
sp
sp
sp2
sp2
4. 有机物中根据结构判断
(1)CH3CH2CH3 (2)CH3CH=CH2 (3)HC≡C-CH=CH2
平衡应用
杂化轨道理论
联用
VSEPR模型
1、杂化轨道理论的要点2、常见的杂化类型
3、杂化轨道数、杂化轨道类型、杂化轨道构型之间的联系
预测并解释分子的空间结构
1、杂化轨道数目与价层电子对数间的联系

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