化学人教版（2019）选择性必修2 第二章第二节分子的空间结构第三课时（29张）

(共29张PPT)
第二节 分子的空间结构
第二章 分子结构与性质
第3课时 杂化轨道理论简介
学习目标
1、结合实例了解杂化轨道理论的要点和类型（sp3、sp2、sp）。
2、能运用杂化轨道理认解释简单共价分子和离子的空间结构。
2.写出基态C、H的价层电子排布图
C
1s
H
1.CH4空间结构为
键长相同，键角相同均为109°28′
2.CH4分子为什么能形成正四面体结构？
思考:
1.为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？
知识回顾:
正四面体形
问题与讨论1：根据基态原子的价层电子轨道表示式，解释为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？
价层电子轨道表示式（电子排布图）
C
H
1s
解决方案：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
1s
激发
1s
1s
1s
1s
问题与讨论2：CH4分子为什么能形成正四面体结构？
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
C
C
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
109°28′
形成CH4时，基态C原子有1个电子从2s轨道激发到2p的1个空轨道上去，形成激发态，这样就有4个未成对电子，同时1个2s轨道和3个2p轨道进行杂化，形成4个能量相同，方向不同的轨道，各指向正四面体的四个顶角，夹角为109°28 ′，称为sp3杂化轨道，当碳原子与四个氢原子结合时，四个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠，形成4个C-Hσ键。因此CH4分子呈正四面体形的空间结构
激发
杂化
2s
2p
基态C
2s
2p
激发态
sp3 杂化
C价层电子排布
为了解释分子的空间结构，1931年鲍林提出了杂化轨道理论。
1．原子轨道的杂化
(1)杂化：在形成分子（化学键）时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组能量相同、方向不同的新轨道的过程。
(2)杂化轨道：原子轨道组合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。
美国化学家鲍林
四、杂化轨道理论简介
2.杂化的条件：
(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（同一能级组或相近能级组的轨道,如2s、2p）
（1）杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数，杂化前后轨道数不变。
（2）杂化过程中轨道的形状、方向发生变化，杂化后的新轨道能量、形状都相同，方向不同。
（3）杂化后的轨道之间尽可能远离,使相互间排斥力最小。
3.杂化轨道的特点
（4）杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对
杂化轨道数目=孤电子对数+σ键数=价层电子对数
s
（1）sp3杂化
109°28′
sp3杂化
4.杂化轨道的类型
sp3杂化轨道特征：
①1个ns 轨道与3个np 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。
H原子
↑
s
1s1
3个N-H相互垂直
键角为90°
↑
s
3个N-H，键角为107°
N原子
↑↓
s
p
p
p
↑
↑
↑
2s22p3
基态
sp3
↑↓
↑
↑
↑
杂化轨道
例1、怎么用杂化轨道理论解释NH3的空间结构呢？
孤电子对
sp3杂化
形成σ键
H原子
↑
s
1s1
2个O-H相互垂直
键角为90°
sp3杂化
↑
s
2个O-H，键角为105°
O原子
↑↓
s
p
p
p
↑↓
↑
↑
2s22p4
基态
sp3
↑↓
↑↓
↑
↑
杂化轨道
例2、怎么用杂化轨道理论解释H2O的空间结构呢？
孤电子对
形成σ键
s
sp2杂化
120°
120°
120°
（2）sp2杂化
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。
sp2杂化轨道特征：
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。
例3、请同学们分析BF3的中心原子杂化方式。
1个B-F
3个B-F，键角为120°
B原子
↑↓
s
p
p
p
↑
2s22p1
基态
形成σ键
sp2杂化
sp2
↑
↑
↑
杂化轨道
p
F原子
2s22p5
↑↓
s
p
p
p
↑↓
↑↓
↑
↑↓
s
p
p
p
↑↓
↑↓
↑
未杂化轨道
180℃
s
sp杂化
（3）sp杂化
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。
sp杂化轨道特征：
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轨道用于形成2个π键。
例4、请同学们分析BeCl2的中心原子杂化方式。
不能形成Be-Cl
2个Be-Cl，键角为180°
Be原子
↑↓
s
p
p
p
2s2
基态
sp
↑
↑
杂化轨道
形成σ键
sp杂化
Cl原子
3s23p5
↑↓
s
p
p
p
↑↓
↑↓
↑
↑↓
s
p
p
p
↑↓
↑↓
↑
p
p
未杂化轨道
课堂练习1：多原子分子或离子的中心原子的杂化轨道类型的判断方法，并完成下表中的空白。
粒子 中心原子的价层电子对数 VSEPR模型名称 中心原子的杂化轨道类型 分子或离子的空间结构名称
CO2
CH2O
SO2
BF3
CH4
NH3
H2O
H3O+
NH4+
2
直线形
直线形
sp
3
平面三角形
平面三角形
3
sp2
平面三角形
sp2
V形
3
平面三角形
sp2
平面三角形
4
正四面体形
sp3
正四面体形
4
四面体形
sp3
三角锥形
4
4
4
四面体形
四面体形
正四面体形
sp3
sp3
sp3
V形
三角锥形
正四面体形
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
【思考与讨论】如何用杂化轨道理论解释CH2=CH2的空间结构呢？
CH2=CH2中的C原子sp2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。
CH≡CH分子中碳原子为sp杂化
注意：有机物中形成三键的碳原子均为sp杂化
【思考与讨论】如何用杂化轨道理论解释CH≡CH的空间结构呢？
杂化轨道类型 sp sp2 sp3
方法1 VSEPR模型
方法2 杂化轨道数目
方法3 键角
5.杂化轨道类型的判断方法
（1）根据分子或离子的VSEPR模型确定。
直线形
平面三角形
四面体形
（2）根据杂化轨道数目确定。
2
3
4
（3）根据键角确定。
109°28′
120°
180°
（4）以C原子为中心原子的分子中碳原子的杂化类型
a.有四个单键，为sp3杂化，如CH4、CCl4；
b.有一个双键，为sp2杂化，如CH2==CH2、HCHO；
c.有两个双键或一个三键，为sp杂化，如CH≡CH、O==C==O、S==C==S。
方法技巧
课堂练习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
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
π
6
6个p轨道
6个电子
6
【思考与讨论】如何用杂化轨道理论解释苯的空间结构呢？
价电子对数 中心原子的杂化轨道类型 VSEPR模型名称 孤电子对数 分子的空间构型 实例
2 sp 直线形 0 直线形 BeCl2、CO2
3 sp2 平面三角形 0 V形 SO2
3 1 平面三角形 SO3
4 sp3 正四面体形 0 V形 H2O
4 1 三角锥形 NH3
4 2 正四面体形 CH4、CCl4
课堂小结
课堂练习3：以下有关杂化轨道的说法中正确的是(　　)
A．sp3 杂化轨道中轨道数为 4，且 4 个杂化轨道能量相同
B．杂化轨道既能形成σ键，也能形成π键
C．杂化轨道不能容纳孤电子对
D．sp2杂化轨道最多可形成 2 个σ键
A
课堂练习4：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
C
课堂练习5：下列分子中，中心原子的杂化轨道类型相同的是(　　)
A．CO2与SO2 B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2
B
课堂练习6：甲醛分子的结构式为 ，下列描述正确的是(　　)
A．甲醛分子中有4个σ键
B．甲醛分子中的C原子为sp3杂化
C．甲醛分子中的O原子为sp杂化
D．甲醛分子为平面三角形，有一个π键垂直于三角形平面
D
课堂练习7：
(1)【2021年山东省等级考】Xe 是第五周期的稀有气体元素，与 F 形成的 XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 ，下列对 XeF2中心原子杂化方式推断合理的是_______________（填标号）。
A.sp B.sp2 C.sp3 D.sp3d
5
D
(2)【2021年全国甲卷】SiCl4是生产高纯硅的前驱体，其中Si采取的杂化类型为 。
sp3
(3)【2021年全国乙卷】PH3中P采取的杂化类型为 。
sp3
(4)【2022年全国甲卷】 CF2=CF2和ETFE(CH2=CH2与CF2=CF2)的共聚物)分子中C的杂化轨道类型分别为_______和_______
sp3
sp2