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第二章 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
第二節(jié) 分子的空間結(jié)構(gòu)
課時三 雜化軌道理論
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.通過認(rèn)識分子結(jié)構(gòu)以及雜化軌道理論,分析雜化類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系,培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。
2.結(jié)合實(shí)例了解共價分子具有特定的空間結(jié)構(gòu),并可運(yùn)用雜化軌道理論進(jìn)行解釋,培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。
思考討論
2、成鍵電子中，碳原子提供的是哪個軌道上的電子？
1、根據(jù)價層電子互斥理論，預(yù)測CH4的VSEPR模型及分子構(gòu)型
思考討論
鮑林的價鍵理論——雜化軌道理論
3、碳原子的2s、2p軌道電子云形狀不同，形成共價鍵的能量也不同，與氫原子的1s電子云重疊，不可能得到四個鍵長相同的C-H鍵，那么如何用價鍵理論解釋CH4的結(jié)構(gòu)呢？
甲烷的形成
第一步：由于碳原子的價層電子2s、2p軌道能量接近，2s上的一個電子躍遷到2p軌道上
第二步：把這四個能量接近的軌道糅合在一起并重新分配，形成數(shù)目不變（4個）的、方向不同的、能量相同的軌道——該過程稱為雜化
sp3
甲烷的形成
由于該軌道是由1個1s和3個2p軌道形成的，所以新軌道名稱為sp3雜化軌道，4個sp3雜化軌道均為啞鈴型，一頭大，一頭小，伸向四面體的四個頂點(diǎn)，夾角109°28′
甲烷的形成
第三步：4個sp3雜化軌道再分別與4個H原子的1s軌道“頭碰頭”重疊，形成4個σ鍵，鍵角109°28′，呈正四面體型
1s
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1s
1s
1s
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雜化軌道理論
01
雜化軌道理論
萊納斯·卡爾·鮑林
（1901-1994）
1931年由鮑林等人在價鍵理論的基礎(chǔ)上提出雜化軌道理論，它實(shí)質(zhì)上仍屬于現(xiàn)代價鍵理論，但是它在成鍵能力、分子的空間構(gòu)型等方面豐富和發(fā)展了現(xiàn)代價鍵理論。
01
雜化軌道理論
在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化。重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。
雜化軌道的含義
能量相近
原子在成鍵時，同一原子中能量相近的原子軌道可重新組合成雜化軌道
數(shù)目不變
形成的雜化軌道數(shù)與參與雜化的原子軌道數(shù)相等且雜化軌道的能量相同
(變：軌道的成分、能量、形狀、方向，使原子的成鍵能力增加)
雜化軌道在角度分布上比單純的s或p軌道在某一方向上更集中，成鍵時根據(jù)最大重疊原理，重疊程度越大，形成的共價鍵越牢固。
雜化軌道理論四要點(diǎn)
01
雜化軌道理論
雜化軌道的含義
在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化。重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。
能量相近
原子在成鍵時，同一原子中能量相近的原子軌道可重新組合成雜化軌道
數(shù)目不變
形成的雜化軌道數(shù)與參與雜化的原子軌道數(shù)相等且雜化軌道的能量相同
(變：軌道的成分、能量、形狀、方向，使原子的成鍵能力增加)
雜化軌道在角度分布上比單純的s或p軌道在某一方向上更集中，成鍵時根據(jù)最大重疊原理，重疊程度越大，形成的共價鍵越牢固。
雜化軌道理論四要點(diǎn)
01
雜化軌道理論
雜化軌道的含義
在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化。重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。
雜化軌道理論四要點(diǎn)
成鍵能力增強(qiáng)
雜化改變原有軌道的形狀和伸展方向，使原子形成的共價鍵更牢固。
排斥力最小
雜化軌道為使相互間的排斥力最小，故在空間取最大夾角分布，不同的雜化軌道伸展方向不同但形狀完全相同。
01
雜化軌道理論
回顧所學(xué)內(nèi)容，判斷下列語句正誤
問題1
發(fā)生軌道雜化的原子一定是中心原子(　　)
原子軌道的雜化只有在形成分子的過程中才會發(fā)生，孤立的原子是不可能發(fā)生雜化的(　　)
問題2
只有能量相近的軌道才能雜化(　　)
問題3
雜化軌道能量更集中，有利于牢固成鍵(　　)
問題4
雜化軌道只用于形成σ鍵或用來容納未參與成鍵的孤電子對。未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵(　　)
問題5
01
雜化軌道理論
雜化軌道的類型
sp3雜化軌道是由 ns軌道和 np軌道雜化而成，每個sp3雜化軌道都含有___和______的成分，sp3雜化軌道間的夾角為 ，空間結(jié)構(gòu)為正四面體形
sp3雜化軌道——正四面體形
1個
3個
109°28′
s
Sp3雜化
109°28′
s
p
p
p
sp3
1/4s
3/4 p
01
雜化軌道理論
雜化軌道的類型
sp2雜化軌道——平面三角形
sp2雜化軌道是由 ns軌道和 np軌道雜化而成的，每個sp2雜化軌道含有____和____成分，sp2雜化軌道間的夾角都是120°，呈平面三角形
1個
2個
1/3s
2/3p
s
sp2雜化
120°
120°
120°
s
p
p
p
p
sp2
01
雜化軌道理論
雜化軌道的類型
sp雜化——直線形
sp雜化軌道是由 ns軌道和 np軌道雜化而成的，每個sp雜化軌道含有____和____的成分，sp雜化軌道間的夾角為180°，呈直線形
1個
1個
1/2s
1/2p
sp雜化
s
p
p
p
sp
p
p
180°
01
雜化軌道理論
雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系
情況一：當(dāng)雜化軌道全部用于形成σ鍵時，分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)相同
雜化類型 sp sp2 sp3
軌道夾角 180° 120° 109°28′
雜化軌道 示意圖
實(shí)例 BeCl2 BF3 CH4
分子結(jié)構(gòu) 示意圖
分子空間結(jié)構(gòu)
直線形
平面三角形
正四面體形
180°
01
雜化軌道理論
雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系
情況二：當(dāng)雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對時，孤電子對對成鍵電子對的排斥作用，會使分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的形狀有所不同
ABn型分子 中心原子雜化類型 中心原子孤電子對數(shù) 空間結(jié)構(gòu) 實(shí)例
AB2 sp2 1 SO2
AB3 sp3 1 NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2或(B2A) 2 H2S、NH2-
V形
三角錐形
V形
01
雜化軌道理論
方法一：根據(jù)雜化軌道數(shù)目判斷
雜化軌道數(shù)目 2 3 4
雜化類型 sp sp2 sp3
判斷中心原子雜化軌道類型的三種方法
雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對，而兩個原子之間只能形成一個σ鍵。
雜化軌道數(shù)目＝價層電子對數(shù)目＝σ鍵電子對數(shù)目＋中心原子的孤電子對數(shù)目
01
雜化軌道理論
①
若雜化軌道在空間的分布為正四面體或三角錐形，則中心原子發(fā)生sp3雜化
方法二：根據(jù)雜化軌道的空間分布判斷
若雜化軌道在空間的分布呈平面三角形，則中心原子發(fā)生sp2雜化
②
若雜化軌道在空間的分布呈直線形，則中心原子發(fā)生sp雜化
③
01
雜化軌道理論
有機(jī)物分子中碳原子雜化類型的判斷方法：飽和碳原子均采取sp3雜化；連接雙鍵的碳原子均采取sp2雜化；連接三鍵的碳原子均采取sp雜化
方法三：根據(jù)雜化軌道之間的夾角判斷
若雜化軌道之間的夾角為109°28′，則中心原子發(fā)生sp3雜化
若雜化軌道之間的夾角為120°，則中心原子發(fā)生sp2雜化
若雜化軌道之間的夾角為180°，則中心原子發(fā)生sp雜化
01
雜化軌道理論
物質(zhì) 價層電子對數(shù) 雜化軌道數(shù) 雜化軌道類型
CO2
CH2O
CH4
SO2
NH3
H2O
【例1】回顧所學(xué)內(nèi)容，認(rèn)真填寫下表：
2 2 sp
3 3 sp2
4 4 sp3
3 3 sp2
4 4 sp3
4 4 sp3
01
雜化軌道理論
現(xiàn)代共價鍵理論之一——分子軌道理論
分子軌道理論又稱分子軌道法或MO法，1932年由美國化學(xué)家馬利肯及德國物理學(xué)家洪特提出，是一種描述多原子分子中電子所處狀態(tài)的方法。要點(diǎn)是：從分子的整體性來討論分子的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為原子形成分子后，電子不再屬于個別的原子軌道，而是屬于整個分子的分子軌道，分子軌道是多中心的；分子軌道由原子軌道組合而成，形成分子軌道時遵從能量近似原則、對稱性一致(匹配)原則、最大重疊原則，即通常說的“成鍵三原則”；在分子中電子填充分子軌道的原則也服從能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規(guī)則。
F.Hund
R.S.Mulliken
課堂總結(jié)
02
課堂總結(jié)
雜化軌道
理論四要點(diǎn)
雜化軌道
的類型
能量相近
數(shù)目不變
sp3雜化軌道——正四面體形
sp2雜化軌道——平面三角形
sp雜化——直線形
成鍵能力增強(qiáng)
排斥力最小
雜化軌道
的含義
在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化。重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。
雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系
情況一：當(dāng)雜化軌道全部用于形成σ鍵時，分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)相同
情況二：當(dāng)雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對時，孤電子對對成鍵電子對的排斥作用，會使分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的形狀有所不同
雜化軌道理論
課堂練習(xí)
03
課堂練習(xí)
1.下列有關(guān)于sp2雜化軌道的說法錯誤的是（ ）
A.由同一能層上的s軌道和p軌道雜化而成
B.共有3個能量相同的雜化軌道
C.每個sp2雜化軌道中s能級成分占三分之一
D.sp2雜化軌道最多可形成2個σ鍵
D
03
課堂練習(xí)
2.根據(jù)價層電子對互斥模型及雜化軌道理論判斷NF3分子的空間結(jié)構(gòu)和中心原子的雜化方式為（ ）
A.直線形，sp雜化
B.三角形，sp2雜化
C.三角錐形，sp2雜化
C.三角錐形，sp3雜化
D
03
課堂練習(xí)
3．已知次氯酸分子的結(jié)構(gòu)式為H－O－Cl，下列說法正確的是
A．O原子發(fā)生sp雜化 B．O原子與H、Cl都形成π鍵
C．該分子為V形分子 D．該分子的電子式是
03
課堂練習(xí)
【答案】C
【分析】HClO分子的結(jié)構(gòu)式為H—O—Cl，O原子應(yīng)為sp3雜化，形成4個雜化軌道，其中有2個是孤對電子，另2個雜化軌道分別與H原子和Cl原子各形成1個σ鍵。
【詳解】A．由以上分析知，O原子是sp3雜化，A錯誤；
B．O原子應(yīng)為sp3雜化，形成4個雜化軌道，其中有2個是孤對電子，另2個雜化軌道分別與H原子和Cl原子各形成1個σ鍵。B錯誤。
C．由以上分析知，該分子構(gòu)型為V形，C正確；
D．其電子式為 ，D錯誤；
故選C。
03
課堂練習(xí)
4．用價層電子對互斥理論(VSEPR)可以預(yù)測許多分子或離子的立體構(gòu)型，有時也能用來推測鍵角大小。下列判斷正確的是
A．SO2、CS2、HI都是直線形的分子
B．BF3鍵角為120°，SnBr2鍵角大于120°
C．P4、CH4、SF4都是正四面體形的分子
D．HCHO、BF3、SO3都是平面三角形的分子
03
課堂練習(xí)
03
課堂練習(xí)
5.三溴化砷(AsBr3)常應(yīng)用于醫(yī)藥和化學(xué)分析領(lǐng)域。下列說法正確的是
A．該分子含非極性共價鍵
B．中心原子采取sp3雜化
C．鍵角等于120°
D．空間結(jié)構(gòu)為平面三角形
03
課堂練習(xí)
【答案】B
【詳解】A．該分子只有As-Br鍵，屬于極性鍵，A錯誤；
B．As有3個σ鍵和1對孤電子對，故價層電子對數(shù)為4，即sp3雜化，B正確；
C．該分子屬于三角錐形，鍵角大約為107。，C錯誤；
D． 該分子空間結(jié)構(gòu)為三角錐形，D錯誤；
故選B。
03
課堂練習(xí)
6.下列有機(jī)物分子中的碳原子既有sp3雜化又有sp雜化的是
A．CH3CH2CH3
B．CH3—C≡CH
C．CH3CHO
D．CH≡CH
03
課堂練習(xí)
【答案】B
【詳解】A．CH3CH2CH3碳原子只有sp3雜化，A錯誤；
B．CH3—C ≡ CH中三鍵碳為sp、單鍵碳為sp3，B正確；
C．CH3CHO中醛基碳為sp2、單鍵碳為sp3雜化，C錯誤；
D．CH ≡ CH中碳原子只有sp雜化，D錯誤；
故選B。
03
課堂練習(xí)
7.化合物A是近年來采用的鍋爐水添加劑，其結(jié)構(gòu)簡式如圖，A能除去鍋爐水中溶解的氧氣，下列對A分子說法正確的是
A．所有原子都在同一平面內(nèi)
B．所含的σ鍵與π鍵個數(shù)之比為10∶1
C．C的雜化方式均為sp2雜化
D．N的化合價均為-3價
03
課堂練習(xí)
【答案】C
【詳解】A．氮原子形成3個共價鍵且有1對孤電子對，為三角錐形結(jié)構(gòu)，即氮原子與所連的三個原子不在同一平面，所以A分子中所有原子不可能共平面，故A錯誤；
B．一個單鍵就是1個σ鍵，一個雙鍵含有1個σ鍵和1個π鍵，所以A分子中含有11個σ鍵和1個π鍵，所含的σ鍵與π鍵個數(shù)之比為11:1，故B錯誤；
C．碳原子為羰基碳，其雜化方式為sp2雜化，故C正確；
D．因N原子的電負(fù)性大于氫，與氮原子所連的氨基中的氮的化合價為﹣2價，故D錯誤；
故選C。
03
課堂練習(xí)
8.下列分子中的中心原子采取sp2雜化的是(　　)
①C2H2　②C2H4　③C3H8　④CO2 ⑤BeCl2　⑥SO3　⑦BF3
A．①⑥⑦　　 B．③⑤⑦ C． ② ⑥⑦ D．③⑤⑥
C
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