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第2课时　杂化轨道理论简介
1.通过杂化轨道理论的学习,能描述杂化轨道的形成及特点,能分析判断简单分子中心原子杂化轨道(sp、sp2、sp3)的类型。2.通过实例了解共价分子具有特定的空间结构,能从微观角度解释中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响,能运用杂化轨道理论对分子或离子的空间结构进行解释。
认识杂化轨道理论
学习任务1
1.杂化轨道理论的提出
杂化轨道理论是一种 理论,是 为了解释分子的空间结构提出的。
2.用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
在形成CH4分子时,碳原子的 轨道和3个 轨道发生混杂,混杂时保持轨道总数 ,得到4个新的能量相同、方向不同的 杂化轨道。4个 杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H 键。可表示为
价键
鲍林
2s
2p
不变
sp3
sp3
σ
3.常见杂化轨道类型及其空间结构
(1)sp3杂化轨道。
sp3杂化轨道是由 个s轨道和 个p轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是109°28′,空间结构为 (如图所示)。
1
3
正四面体形
(2)sp2杂化轨道。
sp2杂化轨道是由 个s轨道和 个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是 ,呈 (如图所示)。
1
2
120°
平面三角形
(3)sp杂化轨道。
sp杂化轨道是由 个s轨道和 个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是 ,呈 (如图所示)。
1
1
180°
直线形
杂化轨道理论是一种价键理论,是鲍林为解释分子的空间结构提出的。在形成多原子分子时,中心原子价电子层上的某些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,叫做轨道的杂化。
探究　轨道杂化过程的正确理解
问题1:任意轨道之间都可以杂化吗 2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道
提示:不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道,2s与3p不在同一能层,能量相差较大,不可杂化。
问题2:杂化轨道与原轨道相比,数量、能量、轨道形状及延伸方向等是否改变
提示:形成的杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同,但能量不同。杂化会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。
问题3:sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道,它参与形成的化学键和杂化轨道形成的化学键是否相同
提示:不相同。sp、sp2两种杂化形式中未参与杂化的p轨道用于形成π键,而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
问题4:杂化轨道数与价层电子对数有何关系
提示: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,故有下列关系,杂化轨道数目=价层电子对数目=σ键电子对数目+中心原子的孤电子对数目。
归纳拓展
杂化轨道理论的正确理解
1.下列关于杂化轨道的说法错误的是(　　)
A.并不是所有的原子轨道都参与杂化
B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化
C.杂化轨道能量集中,有利于牢固成键
D.杂化轨道都用来成键
D
【解析】 参与杂化的原子轨道,其能量不能相差太大,如1s与2s、2p的能量相差太大,不能形成杂化轨道,即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,故A、B正确;杂化轨道的电子云一头大一头小,成键时利用大的一头,可使电子云的重叠程度更大,形成牢固的化学键,故C正确;并不是所有的杂化轨道都成键,也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成),故D错误。
2.下列关于原子轨道的说法正确的是(　　)
A.杂化轨道既可能形成σ键,也可能形成π键
B.CH4中的sp3杂化轨道是由4个H的1s轨道和1个C的2p轨道混合起来而形成的
C.s轨道和p轨道杂化不可能有sp4杂化轨道出现
D.凡XY3型的共价化合物,其中心原子X均采用sp3杂化轨道成键
C
【解析】 杂化轨道不可能形成π键,A错误;CH4中sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近的1个2s轨道和3个2p轨道杂化形成的,B错误;p能级只有3个p轨道,不可能有sp4杂化,C正确;BF3中硼原子的价层电子对数为3,硼原子采取sp2杂化,D错误。
探究杂化轨道类型与分子空间结构的关系
学习任务2
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
(1)没有孤电子对:能量相同的杂化轨道彼此远离→形成的分子为对称结构。
(2)有孤电子对: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发生变化。
2.杂化轨道与分子的空间结构的关系
(1)杂化轨道全部用于形成σ键。
杂化
类型 sp sp2 sp3
轨道
组成 一个ns和
一个np 一个ns和
两个np 一个ns和
三个np
轨道
夹角 180° 120° 109°28′
杂化
轨道
示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
分子的
空间
结构
直线形
平面三角形
正四面体形
(2)杂化轨道中有未参与成键的孤电子对。
杂化类型 sp2 sp3
中心原子所在族 第ⅥA族 第ⅤA族 第ⅥA族
中心原子的孤电子对数 1 1 2
分子空间结构 V形 三角锥形 V形
实例 SO2 NH3、
PCl3、PH3 H2O、H2S
用价层电子对互斥模型只能解释分子的空间结构,却无法解释许多深层次的问题,如无法解释甲烷分子中四个C—H的键长、键能相同及H—C—H的键角为109°28′。杂化轨道理论不仅可以解释CH4的空间结构,还能解释CO2、SO2、SO3、H2O、NH3等诸多典型物质的空间结构。
探究　杂化轨道类型与分子空间结构的关系
问题1:CH4、NH3、H2O中心原子的杂化轨道类型都是sp3,试用杂化轨道理论解释NH3、H2O的空间结构为何与CH4不同。
提示:NH3分子中氮原子的价层电子排布式为2s22p3。1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道,其中3个sp3杂化轨道分别与 3个氢原子的1s原子轨道重叠,形成3个 N—Hσ键,1个sp3杂化轨道被1个孤电子对占据。sp3杂化轨道为正四面体形,故NH3为三角锥形的空间结构,由于孤电子对的排斥作用,使3个N—H键角变小。
H2O分子中氧原子的价层电子排布式为2s22p4。1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道,其中2个杂化轨道中各有1个未成对电子,分别与氢原子的1s轨道重叠形成σ键,另2个杂化轨道被孤电子对占据,不与氢原子成键,因此分子空间结构为V形。由于2个孤电子对的排斥作用,使2个O—H的键角变小。
问题2:根据甲烷、乙烯和乙炔中碳原子的杂化方式分析分子的空间结构与杂化轨道类型有何关系
提示:①当杂化轨道全部用于形成σ键时,分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同;②当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,孤电子对对成键电子对的排斥作用会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。
1.常见ABn型分子杂化类型与空间结构的关系如下表所示。
归纳拓展
归纳拓展
AB3 sp2 3 0 平面三角形 BF3、SO3
sp3 4 1 三角锥形 NH3、PCl3、NF3、H3O+
AB4 sp3 4 0 四面体形 CH4、SiH4、CCl4、CH3Cl
归纳拓展
2.当杂化轨道全部用于形成σ键时,分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。
1.下列分子或离子中采用sp3杂化,但是空间结构为V形的是(　　)
B
2.下列中心原子的杂化轨道类型和分子或离子的空间结构不正确的是(　　)
A.PCl3中P采取sp3杂化,分子的空间结构为三角锥形
C.H2S中S采取sp杂化,分子的空间结构为直线形
D.SO2中S采取sp2杂化,分子的空间结构为V形
C
3.根据杂化轨道理论可以判断分子的空间结构,试根据相关知识回答下列
问题。
(1)AsCl3的空间结构为　　　　　　,其中As的杂化轨道类型为　　　　。
三角锥形　
sp3
【解析】 (1)AsCl3中As的价层电子对数为4,As采用sp3杂化,AsCl3分子的空间结构为三角锥形。
(2)CS2中C的杂化轨道类型为　　　　。
sp
(3)CH3COOH中C的轨道杂化类型为　 。
sp3、sp2
判断中心原子杂化轨道类型的常用方法
方法一:根据中心原子的价层电子对数判断。
中心原子的价层电子对数=σ键数+孤电子对数
模型认知
中心原子价层电子对数 2 3 4
杂化类型 sp sp2 sp3
[说明]s、p能级共有4个轨道,全部杂化最多有4个杂化轨道,当计算出价层电子对数超过4时,必然有d轨道参与杂化,且参与杂化的d轨道数=价层电子对数-4。
模型认知
示例 价层电
子对数 孤电子
对数 杂化
类型 分子的
空间结构
PCl5 5 0 sp3d
SF6 6 0 sp3d2
方法二:根据分子的结构式判断。
模型认知
杂化类型 sp3 sp2 sp
C的成键方式 4个
单键 1个双键和2个单键 2个双键或1个三键和1个单键
N的成键方式 3个
单键 1个双键和1个单键 1个三键
[说明]该方法一般用于有机物分子中C、N的杂化类型判断。
方法三:根据杂化轨道之间的夹角判断。
模型认知
内容 夹角 杂化轨道类型
不同的杂化方式,其杂化轨道之间的夹角不同,所以可根据杂化轨道间的夹角判断分子或离子中心原子的杂化轨道类型 109°28′ sp3
120° sp2
180° sp
方法四:根据分子的空间结构判断。
模型认知
分子的空间结构 杂化轨道类型
四面体形或三角锥形 sp3
平面三角形 sp2
直线形 sp
知识整合
(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为　　　　。
1
【解析】 (1)根据构造原理可知,氯元素基态原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p5,所以未成对电子数为1。
(2)氯吡苯脲晶体中,氮原子的杂化轨道类型为　　　 　,羰基碳原子的杂化轨道类型为　　　　。
sp2、sp3
sp2
【解析】 (2)根据氯吡苯脲的结构简式可知,有2个氮原子均形成3个单键,孤电子对数为1,为sp3杂化,剩余1个氮原子形成1个双键和1个单键,孤电子对数为1,为sp2杂化;羰基碳原子形成2个单键和1个双键,为sp2杂化。
(3)查文献可知,可用2-氯-4-氨基吡啶与异氰酸苯酯反应,生成氯吡苯脲:
反应过程中,每生成1 mol氯吡苯脲,断裂　　　个σ键,断裂　　　个π键。
NA
NA
(4)膨大剂能在动物体内代谢,其产物较为复杂,其中有H2O、NH3、CO2等。
①请用共价键知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因:
　 。
O、N属于同周期
【解析】 (4)①O、N属于同周期元素,O的半径小于N的,H—O的键能大于H—N的键能,所以H2O分子比NH3分子稳定。
元素,O的半径小于N的,H—O的键能大于H—N的键能
②H2O、NH3、CO2分子的空间结构分别是 　　　　　 　　　,中心原子的杂化轨道类型分别是　 。
V形、三角锥形、直线形
sp3、sp3、sp
命题解密与解题指导
情境解读:以氯吡苯脲及其合成过程、代谢产物等为载体考查中心原子的杂化轨道类型、分子空间结构判断及反应过程中断裂共价键的类型判断、分子稳定性的原因解释等。
素养立意:结合原子的成键特点判断其杂化轨道类型,利用价层电子对互斥模型预测分子空间结构,以此强化证据推理与模型认知素养;通过反应过程中共价键断裂的分析,以及从共价键强弱角度分析物质稳定的原因,培养宏观辨识与微观探析素养。
思维建模:ABm型分子或离子中心原子杂化类型的判断如下。

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