化学人教版（2019）选择性必修2 2.2.3杂化轨道理论简介（共28张ppt）

(共28张PPT)
第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
学习目标
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，对分子的空间结构进行解释和预测。
2.2.3　杂化轨道理论简介
教材内容：P47-49
如何解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论。
写出碳原子的核外电子排布图，思考为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？
思考与讨论
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构型的甲烷分子。
sp3
C：2s22p2
正四面体
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
杂化前后原子轨道在空间取最大夹角分布，能使相互间排斥力最小。
1.概念：外界条件下，能量相近的原子轨道混杂起来，
重新组合新轨道的过程叫做原子轨道的杂化，杂化后的新轨道就称为杂化轨道。
2.轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。
3.杂化轨道类型:
杂化轨道理论简介
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 轨道的成分两个轨道间的夹角为180°，呈直线形。
sp 杂化：1个s 轨道与1个p 轨道进行的杂化, 形成2个sp杂化轨道。
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
180°
（1）sp杂化
Be原子：1s22s2 没有单个电子，
sp
sp杂化
如：BeCl2分子的形成
180°
Cl
Cl
Be
180°
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 轨道的成分每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。
sp2杂化：1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化, 形成3个sp2 杂化轨道。
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
sp2
sp2杂化
（2）sp2杂化
如BF3分子的形成：
B： 1s22s22p1 没有3个单电子
F
F
F
B
120°
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
109°28′
sp3杂化：1个s 轨道与3个p 轨道进行的杂化,形成4个sp3 杂化轨道。
每个sp3杂化轨道的形状也为一头大，一头小， 含有 1/4 s 轨道和 3/4 p 轨道的成分每两个轨道间的夹角为109.5°，空间构型为正四面体形。
(3)sp3杂化
sp3
C：2s22p2
如：CH4分子的形成
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原子轨道的杂化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)
③参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数，杂化前后原子轨道数目不变，且杂化轨道的能量相同。
④杂化改变了轨道的成分、能量(趋向平均化)、形状、方向，使原子的成键能力增加。
⑤轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理，使轨道在空间取得最大夹角分布
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。剩余未参与杂化的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。
杂化轨道理论简介
4.杂化轨道理论要点
化学式 BeCl2 SO2 CO32- CH4 NH4+ NH3 H2O
σ键电子对
孤电子对
杂化轨道数
VSEPR模型
杂化类型
2
2
3
4
4
3
2
0
1
0
0
0
1
2
2
3
3
4
4
4
4
直线
平面
三角
平面
三角
四面体
四面体
四面体
四面体
sp
sp2
sp2
sp3
sp3
sp3
sp3
方法一：利用杂化轨道数判断
5.判断杂化类型
杂化轨道数 =
中心原子孤对电子对数＋中心原子结合的原子数
=中心原子的价层电子对数
化学式 H3O+ NH2- CO2 CHCl3 COCl2 PCl3
σ键 电子对
孤电 子对
杂化 类型
推测下列微粒中心原子的杂化类型：
3
1
2
2
2
0
4
0
3
0
3
1
sp3
sp3
sp
sp3
sp2
sp3
对点训练
NH3和H2O分子中是p轨道成键，但为什么键角不是90°呢？
sp3不等性杂化
不等性sp3
sp3不等性杂化
不等性sp3
孤对电子对成键电子的排斥力大于成键电子对之间的排斥力
思考与讨论
方法二：有机物中碳原子杂化轨道类型判断
1、甲烷
甲烷中的碳原子为饱和碳原子，碳原子是sp3杂化
2、乙烯
乙烯中有碳碳双键，碳原子是sp2杂化
乙烯分子中σ键和π键的形成过程
3、乙炔
乙炔中有碳碳三键，碳原子是sp杂化
乙炔分子中σ键和π键的形成过程
乙炔： 个σ键 个π键
3
2
推测下列有机物中碳的杂化类型：
(1)CH3CH2CH3 (2)CH3CH=CH2 (3)CH≡CCH=CH2
sp3
sp3
sp3
sp3
sp2
sp2
sp
sp
sp2
sp2
有机物中碳原子杂化类型的判断：
饱和碳原子采取sp3杂化;
连接双键的碳原子采取sp2杂化;
连接三键的碳原子采取sp杂化.
方法三：根据杂化轨道之间的夹角判断
夹角为109。28′
夹角为120 。
夹角为180 。
→sp3杂化
→sp2杂化
→sp杂化
归纳小结
对点训练
判断分子或离子中心原子的杂化类型的一般方法：
对于主族元素来说，
中心原子的杂化轨道数=价层电子数
=σ键电子对数（中心原子结合的电子数）+孤电子对数
规律：
当中心原子的价层电子对数为4时，其杂化类型为sp3杂化，
当中心原子的价层电子对数为3时，其杂化类型为sp2杂化，
当中心原子的价层电子对数为2时，其杂化类型为sp杂化。
通过看中心原子有没有形成双键或三键来判断中心原子的杂化类型。
规律：
如果有1个三键或两个双键，则其中有2个π键，用去2个p轨道，形成的是sp杂化；
如果有1个双键则其中必有1个π键，用去1个P轨道，形成的是sp2杂化；
如果全部是单键，则形成sp3杂化。
归纳小结
CO2直线型，键角为180 。
2s
2p
2p
2s
激发
sp
2p
杂化
σ
π
π
σ
O
C
O
O
C
O
在学习价层电子对互斥模型和杂化轨道理论的基础上，描述化合物CO2中每个化学键是怎样形成的：
C原子发生sp杂化生成了两个sp轨道分别与两个O原子的一个p轨道形成两个σ键； C原子剩余的两个p轨道分别与两个O原子剩余的1个p轨道形成两个π键。
σ
σ
π
π
思考与讨论
在高中阶段学习中，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
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
直线形
平面三角形
四面体形
平面三角形
四面体形
四面体形
sp
sp2
sp3
sp2
sp3
VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系
sp3
直线形
V形
V形
平面三角形
三角锥形
四面体形
2
3
4
3
4
4
2
3
4
3
4
4
H2O
SO3
BeCl2、CO2
SO2
NH3
CH4、CCl4
=1+3
=1+2
=0+3
=2+2
=0+4
归纳小结
NO2+
NO2
NO2—
NO3—
孤电子对数
价层电子对数
VSEPR模型
中心原子
杂化类型
粒子的真实空间结构
键角大小
0.5+2=2.5
sp2杂化
(5－2×2) ÷2=0.5
1个单电子，
看做1对孤电子
(4－2×2) ÷2=0
(6－2×2) ÷2=1
(6－3×2) ÷2=0
→取3
0+2=2
1+2=3
0+3=3
平面三角形
sp2杂化
V形
直线形
sp杂化
平面三角形
sp2杂化
平面三角形

V形
直线形
平面正三角形
斥力小
斥力大
<120°
>120°
NO2+
NO3—
NO2
NO2—
>
>
>
思考与讨论
(1)价电子对之间的夹角越小,排斥力越小。 (　　)
(2) NH3分子的VSEPR模型与分子空间结构不一致。(　　)
(3)五原子分子的空间结构都是正四面体形。(　　)
(4)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同,但能量不同。(　　)
(5)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其空间结构都是正四面体形。(　　)
(6)凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键。(　　)
(7)发生轨道杂化的原子一定是中心原子(　　)
(8)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的(9)只有能量相近的轨道才能杂化(　　)
(10)杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键(　　)
(11)C2H4分子中的键角都约是120°，则碳原子的杂化方式是sp2(　　)
(12)NH3分子的空间结构为三角锥形，则氮原子的杂化方式为sp3(　　)
×
×
√
√
√
√
√
对点训练
正误判断:
×
×
√
√
√
1.(山东高考 )甲醛(H2C=O)在Ni催化作用下加氢可得甲醇(CH3OH)。甲醇分子内C原子的杂化方式为___，甲醇分子内的O-C-H键角_____(填“大于”“等于”或“小于”)甲醛分子内的O-C-H键角。
sp3
小于
2.(2020·山东高考节选) Sn为ⅣA族元素，单质Sn与干燥Cl2反应生成SnCl4。常温常压下SnCl4为无色液体，SnCl4空间构型为_____________
正四面体形
高考真题
23
等电子体的判断和利用
1.判断方法：原子总数相同，价电子总数(最外层电子总数)相同的微粒，可以是分子，也可以是离子。
2.应用：等电子体的许多性质是相近的，空间构型是相同的。
(1)判断一些简单分子或离子的立体构型；
(2)利用等电子体在性质上的相似性制造新材料；
(3)利用等电子原理针对某物质找等电子体。
拓展延伸
由于互为等电子体的微粒具有相同的原子数和价电子数，所以也应该具有相似的立体构型。常见的等电子体及其空间构型如下表所示：
利用等电子原理判断空间构型
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－
25
1.仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是：
和 、 和 .
2.等电子原理又有发展，例如：由短周期元素组成的物质中，与NO2-互为等电子体的分子有 、 。
N2O
CO2
N2
CO
SO2
O3
3.下列各组粒子的空间结构相同的是（ ）
①NH3和H2O；②NH4＋和H3O＋；③NH3和H3O＋；
④O3和SO2；⑤CO2和BeCl2
A. 全部 B. ① ② ③ ⑤ C. ③ ④ ⑤ D. ② ⑤
C
对点训练
大π键（共轭大π键，离域π键）
含义：分子中数个邻近原子上都有相互平行的p轨道，
“肩并肩”重叠而形成离域的化学键。
→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
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°角
实例分析1：苯分子中的大π键
π
6
6个p轨道
6个电子
6
实例分析2：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。