鲁科版高中化学选择性必修2第2章微粒间相互作用与物质性质2.2.1杂化轨道理论教学课件

(共30张PPT)
第1课时　杂化轨道理论
1.理解杂化轨道理论的主要内容,掌握三种主要的杂化类型,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.能用杂化轨道理论解释或预测某些分子或离子的空间结构,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
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必备知识
正误判断
1.CH4分子的空间结构为正四面体形,键角为109°28'。
2.CH≡CH分子的空间结构为直线形,键角为180°。
3.乙烯、苯分子中的所有原子都在同一平面上。
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必备知识
正误判断
1.杂化轨道
在外界条件影响下,原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫作原子轨道的杂化,组合后形成的一组新的原子轨道叫作杂化原子轨道,简称杂化轨道。s轨道和p轨道杂化后,杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的空间取向,而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更牢固。通常,有多少个原子轨道参加杂化,就形成多少个杂化轨道。
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正误判断
2.甲烷分子中碳原子的杂化类型
3.杂化轨道的类型
杂化类型 sp sp2 sp3
参与杂化的原子轨道及数目 s 1 1 1
p 1 2 3
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必备知识
正误判断
【微思考】1个s轨道和2个p轨道参与杂化,能否形成sp杂化轨道
提示:不能。1个s轨道和2个p轨道参与杂化,形成sp2杂化轨道。
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正误判断
4.苯分子的空间结构
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正误判断
根据杂化轨道理论,形成苯分子时每个碳原子的价电子原子轨道发生sp2杂化(如s、px、py),由此形成的三个sp2杂化轨道在同一平面内。这样,每个碳原子的两个sp2杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成σ键,于是六个碳原子组成一个正六边形的碳环;每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成σ键。与此同时,每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道(如2pz)均含有一个未成对电子,这六个未参与杂化的2p轨道相互平行,它们以“肩并肩”的方式相互重叠,从而形成含有六个电子、属于六个碳原子的π键。人们把这种在多原子间形成的多电子的π键称为大π键。所以,在苯分子中,整个分子呈平面正六边形,六个碳碳键完全相同,键角皆为120°。
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必备知识
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
1.任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道。(　　)
2.有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。(　　)
3.杂化轨道用于形成π键。(　　)
4.同一类型的杂化轨道能量相同。(　　)
5.苯分子中C原子发生sp2杂化。(　　)
答案:1.×　2.√　3.×　4.√　5.√
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杂化轨道类型和空间结构
问题探究
1.碳原子与氢原子结合形成的分子为什么是CH4,而不是CH2或CH3 CH4为什么具有正四面体形的空间结构
提示:在形成CH4分子时,碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生杂化,形成四个能量相等的sp3杂化轨道。四个sp3杂化轨道分别与四个氢原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子,所以四个C—H键是等同的。杂化过程可表示如下:
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2.NH3、CH4两分子中,N、C两原子都采用sp3杂化,为什么NH3分子空间结构是三角锥形,CH4分子的空间结构是正四面体形
提示:形成的4个sp3杂化轨道中,NH3分子中只有三个轨道中的未成对电子与氢原子的1s电子成键。另1个轨道中有一对未成键的孤电子对,未成键的孤电子对对成键电子对有较强的排斥作用,使三个N—H键之间的键角变小,成为三角锥形。而CH4分子中4个杂化轨道分别与氢原子形成共价键,这些共价键之间的键角都为109°28',因此形成正四面体形分子。
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深化拓展
1.杂化轨道类型
(1)sp杂化——BeCl2分子的形成。
①BeCl2分子的形成。
铍原子杂化后形成的2个sp杂化轨道分别与氯原子的3p轨道发生重叠,形成2个σ键,构成直线形的BeCl2分子。
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②sp杂化:sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而得,sp杂化轨道间的夹角为180°,呈直线形。
③sp杂化后,未参与杂化的2个np轨道可以用于形成π键,如乙炔分子中的C≡C键的形成。
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(2)sp2杂化——BF3分子的形成。
①BF3分子的形成:
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②sp2杂化:sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而得,sp2杂化轨道间的夹角为120°,呈平面三角形。
③sp2杂化后,未参与杂化的1个np轨道可以用于形成π键,如乙烯分子中的C==C键的形成。
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(3)sp3杂化——CH4分子的形成。
①CH4分子的形成。
②sp3杂化:sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而得,sp3杂化轨道的夹角为109°28',呈正四面体结构。
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【微点拨】(1)形成分子时,通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。
(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,单个的原子是不可能发生杂化的。
(3)杂化前后原子轨道数目不变。
(4)杂化后轨道伸展方向、形状发生改变。
(5)只有能量相近的轨道才能进行杂化(如ns、np)。
(6)杂化轨道只能形成σ键,不能形成π键。
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2.杂化轨道类型与分子空间结构的关系
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时。
杂化类型 sp sp2 sp3
参与杂化的原子轨道及数目 ns 1 1 1
np 1 2 3
杂化轨道数目 2 3 4
杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28'
空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形
实例 BeCl2、CO2、CS2 BCl3、BF3、
BBr3 CF4、SiCl4、
SiH4
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(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对的排斥作用,会使分子的空间结构与杂化轨道的空间结构不同,如H2O和NH3,其中O与N的杂化类型都为sp3杂化,孤电子对数分别为2、1,分子空间结构分别为角形、三角锥形。
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素能应用
典例 下列各物质中的中心原子不是采用sp3杂化的是(　　)
A.NH3 B.H2O C.CO2 D.CCl4
答案:C
解析:NH3为三角锥形,但中心原子氮原子采用sp3杂化,形成4个等同的杂化轨道,其中一个杂化轨道由孤电子对占据,余下的3个未成对电子各占一个杂化轨道。H2O为角形,但其中的氧原子也是采用sp3杂化形成4个等同的杂化轨道,其中两对孤电子对分别占据两个杂化轨道,剩余的2个未成对电子各占一个杂化轨道。CCl4分子中碳原子也采用sp3杂化,但CO2分子中碳原子为sp杂化,CO2为直线形分子。
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规律方法杂化类型的判断方法
(1)由分子结构判断杂化类型。
①直线形——sp杂化;
②平面形——sp2杂化;
③四面体形——sp3杂化。
(2)由电子对数判断杂化类型(包括孤电子对和成键电子对)
①2对——sp杂化;
②3对——sp2杂化;
③4对——sp3杂化。
(3)由碳原子的饱和程度判断。
①饱和碳原子——sp3杂化;
②双键上的碳原子——sp2杂化;
③三键上的碳原子——sp杂化。
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变式训练1 下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是(　　)
BF3　②CH2==CH2　③Cl2C==CCl2　④CH≡CH
⑤NH3　⑥CH4
A.①②③ B.①⑤⑥
C.②③④ D.③⑤⑥
答案:A
解析:sp2杂化轨道形成夹角为120°的平面三角形,①BF3为平面三角形且B—F键之间的夹角为120°;②C2H4中碳原子发生sp2杂化,且未杂化的2p轨道形成π键;③与②相似;④乙炔中的碳原子发生sp杂化;⑤NH3中的氮原子发生sp3杂化;⑥CH4中的碳原子发生sp3杂化。
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变式训练2 有关乙炔分子中化学键的描述不正确的是(　　)
A.两个碳原子采用sp杂化方式
B.两个碳原子采用sp2杂化方式
C.每个碳原子都有两个未参与杂化的2p轨道形成π键
D.两个碳原子间形成两个π键和一个σ键
答案:B
解析:乙炔分子中碳原子以1个2s轨道和1个2p轨道参与杂化形成sp杂化轨道。故乙炔分子中碳原子采用sp杂化方式,且每个碳原子以两个未参与杂化的2p轨道形成2个π键,构成碳碳三键。解答本题时必须要了解乙炔分子的结构,理解其成键过程,才能准确地判断其杂化类型。
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变式训练3 形成下列分子时,一个原子用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是(　　)
①PF3　②CCl4　③NH3　④H2O
A.①② B.②③ C.③④ D.①④
答案:A
解析:PF3分子中,磷原子的最外层电子排布为3s23p3,中心磷原子采用sp3杂化,形成4个杂化轨道,一个杂化轨道被一对孤电子对占据,另外3个杂化轨道分别与氟原子的2p轨道形成3个σ键;CCl4为正四面体形结构,碳原子采用sp3杂化,4个杂化轨道分别与4个氯原子的3p轨道形成4个σ键;由于氢原子核外p轨道没有电子,因此NH3和H2O不符合题意。
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1.下列关于杂化轨道的说法错误的是(　　)
A.所有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.轨道杂化形成的杂化轨道中不一定有1个电子
答案:A
解析:参与杂化的原子轨道,其能量不能相差太大,如1s轨道与2s、2p轨道能量相差太大,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项错误,B项正确;轨道杂化有利于电子云重叠程度更大,有利于形成牢固的化学键,故C项正确;并不是所有的杂化轨道中都会有1个电子,也可以有一对孤电子对(如NH3的形成),故D项正确。
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2.能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为(　　)
答案:D
解析:碳原子中的2s轨道与2p轨道进行杂化形成4个能量相等的杂化轨道,因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋状态相同。
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3. s轨道和p轨道杂化的类型不可能有(　　)
A.sp杂化 B.sp2杂化 C.sp3杂化 D.sp4杂化
答案:D
解析:np能级有三个轨道:npx、npy、npz,当s轨道和p轨道杂化时只有三种类型:①sp杂化(由一个ns轨道和一个np轨道进行杂化);②sp2杂化(由一个ns轨道和两个np轨道进行杂化);③sp3杂化(由一个ns轨道和三个np轨道进行杂化)。
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4. PCl3分子的空间结构是(　　)
A.平面三角形,键角小于120°
B.平面三角形,键角为120°
C.三角锥形,键角小于109°28'
D.三角锥形,键角为109°28'
答案:C
解析:PCl3分子中磷原子采取sp3杂化,磷原子含有1对孤电子对,PCl3的空间结构为三角锥形,键角小于109°28'。
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5.指出下列分子中中心原子可能采用的杂化轨道类型,并预测分子的空间结构。
(1)BCl3　(2)CS2　(3)CF4　(4)CH3Cl　(5)BeCl2　(6)NH3
答案:(1)中心原子B采用sp2杂化,分子是平面三角形
(2)中心原子C采用sp杂化,分子是直线形
(3)中心原子C采用sp3杂化,分子是正四面体形
(4)中心原子C采用sp3杂化,分子是四面体形
(5)中心原子Be采用sp杂化,分子是直线形
(6)中心原子N采用sp3杂化,分子是三角锥形