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年 級：高二 學 科：化學（人教版）
課時2.2 分子的結構與性質
科
第二節 分子的空間結構
2.2.3 雜化軌道理論簡介
1.知道雜化軌道理論的基本內容.
2.能根據雜化軌道理論確定簡單分子的空間結構.
1.通過認識分子結構以及雜化軌道理論,分析雜化類型與分子空間結構的關系,培養宏觀辨識與微觀探析的核心素養。
2.結合實例了解共價分子具有特定的空間結構,并可運用雜化軌道理論進行解釋,培養證據推理與模型認知的核心素養。
寫出碳原子的核外電子排布圖，思考為什么碳原子與氫原子結合形成CH4，而不是CH2 ？
按照我們已經學過的價鍵理論，甲烷的4個C—H單鍵都應該是σ鍵，然而，碳原子的4個價層原子軌道是3個相互垂直的2p 軌道和1個球形的2s軌道，用它們跟4個氫原子的1s原子軌道重疊，不可能得到正四面體構型的甲烷分子
如何解決這一矛盾，鮑林提出了雜化軌道理論
【主干知識梳理】一、雜化軌道理論簡介 1、雜化軌道理論的提出
用雜化軌道理論解釋甲烷分子的形成
CH4分子呈正四面體形，4個C—H的鍵長相同，H—C—H的鍵角為109°28′。碳原子的價電子排布圖為 ，根據共價鍵的飽和性，碳原子只有2個未成對電子，只能形成2個共價鍵，而實際上碳原子都是形成了4個共價鍵，只能是2s2上面的1個電子激發到2p2上面，形成了，此時有4個未成對電子，滿足形成4個共價鍵，然而，碳原子的4個價層原子軌道是3個相互垂直的2p軌道和1個球形的2s軌道，用它們跟4個氫原子的1s原子軌道重疊，不可能得到正四面體形的甲烷分子。為解決這一問題，鮑林提出了雜化軌道理論：當碳原子與4個氫原子形成CH4分子時，碳原子的2s軌道和3個2p軌道發生混雜，混雜時保持軌道總數不變，卻得到4個新的能量相同、方向不同的軌道，各指向正四面體的4個頂角，夾角為109°28′，稱為sp3雜化軌道，表示這4個軌道由1s軌道和3個p軌道雜化形成的。當碳原子跟4個氫原子結合時，碳原子以4個sp3雜化軌道分別與4個H原子的1s軌道重疊形成4個C—Hσ鍵，所以4個C—H鍵是等同的。
C
1s22s22p2
H
1s1
H
1s1
H
1s1
H
1s1
原子軌道重疊
CH4不可能得到正四面體形
雜化軌道理論
用雜化軌道理論解釋甲烷分子的形成
sp3
CH4分子（sp3雜化）
2、雜化軌道理論——雜化軌道理論是一種價鍵理論，是鮑林為了解釋分子的立體構型提出的
(1)軌道的雜化：在形成多原子分子時，中心原子價電子層上的某些能量相近的原子軌道發生混雜，重新組合成一組新的軌道的過程，叫做軌道的雜化。
(2)雜化軌道：原子軌道雜化后形成的一組新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。
3、雜化軌道理論的要點：
(1)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
如：2s軌道與3p軌道不能形成sp3雜化軌道，因為2s與3p不在同一能級，能量相差較大
(2)數目不變：雜化前后原子軌道數目不變(參加雜化的軌道數目等于形成的雜化軌道數目)，且雜化軌道的能量相同
(3)成鍵能力增強：雜化改變了原子軌道的形狀、方向。雜化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，例如s軌道與p軌道雜化后形成的雜化軌道一頭大一頭小，如圖 ，成鍵時根據最大重疊原理，使它的大頭與其他原子軌道重疊，重疊程度更大，形成的共價鍵更牢固
(4)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，同一組雜化軌道的伸展方向不同，但形狀完全相同
【微點撥】
①雙原子分子中，不存在雜化過程
②雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對
③未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵
④雜化軌道呈“對稱”分布，確保相互間斥力最小
【對點訓練1】
雜化理論軌道簡介
原子軌道雜化
雜化軌道
在外界條件影響下，中心原子能量相近的原子軌道發生混雜，重新組合成一組新的軌道的過程。
原子軌道雜化后形成的一組新的原子軌道，叫做雜化軌道。
①雜化軌道數等于參與雜化的原子軌道數
②雜化改變了原子軌道的形狀和方向
③雜化使原子的成鍵能力增強
④雜化軌道用于構建分子的σ軌道和孤電子對軌道
1.概念：
2.要點：
對雜化過程的理解
二、雜化軌道類型與分子空間結構的關系
1、雜化軌道的類型：
(1)sp3雜化軌道－－－四面體形
①sp3雜化：sp3雜化軌道是由1個ns軌道和3個np軌道雜化而成，每個sp3雜化軌道都含有、(1/4)s和(3/4)p的成分，sp3雜化軌道間的夾角為109°28′，空間結構為四面體形(如CH4、CF4、CCl4)。如下圖所示.
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
109°28′
由1個s軌道和3個p軌道混雜并重新組合成4個能量與形狀完全相同的軌道。我們把這種軌道稱之為 sp3雜化軌道。
價層電子對互斥模型
H2O和NH3的VSEPR模型與CH4一樣，四面體形
H2O和NH3的中心原子采取sp3的雜化
2個雜化軌道被σ電子對占據
2個雜化軌道被孤電子對占據
3個雜化軌道被σ電子對占據
1個雜化軌道被孤電子對占據
雜化軌道用于構建分子的σ軌道和孤電子對軌道
②CH4分子的形成
CH4化學鍵的形成 sp3雜化軌道示意圖 CH4分子的立體構型
C、H原子形成CH4時，C原子2s上的1個電子激發到空的2p軌道上，2s 軌道與3個2p軌道發生sp3雜化，形成了4個能量相等、相互夾角為109°28′的4個相同的雜化軌道(每個軌道上一個單電子)，4個H原子的s軌道與這4個sp3雜化軌道發生軌道重疊形成4個完全等同的σ鍵，在空間對稱分布。因而CH4是正四面體形的分子
(2)sp2雜化軌道——平面三角形
①sp2雜化：sp2雜化軌道是由1個ns軌道和2個np軌道雜化而成的，每個sp2雜化軌道含有(1/3)s和(2/3)p成分，sp2雜化軌道間的夾角都是120°，呈平面三角形，如下圖所示
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
120°
s
p
p
p
sp2
一個s軌道與兩個p軌道雜化，得三個sp2雜化軌道，三個雜化軌道在空間分布是在同一平面上，互成120 ,呈平面三角形.SO2 、BF3
120°
F
F
F
B
B： 1s22s22p1 沒有3個單電子
sp2
sp2雜化
例如：Sp2 雜化—BF3分子的形成
②BF3分子的形成
BF3化學鍵的形成 sp2雜化軌道示意圖 BF3分子的立體構型
B、F原子間形成BF3時，B原子的2s的1個電子激發到一個空的2p軌道上，2s和2個有單電子的2p軌道發生sp2雜化，形成三個能量相等、相互間夾角為120°的三個相同的雜化軌道(每個軌道上一個單電子)，3個F原子的2p軌道與這3個sp2雜化軌道發生軌道重疊形成3個完全等同的σ鍵，在空間對稱分布，因而BF3是平面三角形分子
③sp2雜化后，未參與雜化的一個np軌道可以用于形成π鍵，如：乙烯分子中的C=C鍵的形成
C
2s2
基態原子：
H
1s1
激發態原子：
C
2p3
2s1
雜化后：
H
H
H
H
2p2
CH2=CH2
(3)sp雜化——直線形
①sp雜化：sp雜化軌道是由1個ns軌道和1個np軌道雜化而成的，每個sp雜化軌道含有(1/2)s和(1/2)p的成分，sp雜化軌道間的夾角為180°，呈直線形，如下圖所示
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
180°
s
p
p
p
sp
一個s軌道與一個p軌道雜化后，得兩個sp雜化軌道，雜化軌道之間的夾角為180度。 CO2 BeCl2
②BeCl2分子的形成
BeCl2化學鍵的形成 BeCl2分子的形成
Be、Cl原子間形成BeCl2時，Be原子的2s的1個電子激發到一個空的2p軌道上，2s和1個有單電子的2p軌道發生sp雜化，形成2個能量相等、相互間夾角為180°的2個相同的雜化軌道(每個軌道上一個單電子)，2個Cl原子的3p軌道與這2個sp雜化軌道發生軌道重疊形成2個完全等同的σ鍵，在空間對稱分布，因而BeCl2是直線形分子
③sp雜化后，未參與雜化的兩個np軌道可以用于形成π鍵，如：乙炔分子中的C≡C鍵的形成
180°
Cl
Cl
Be
BeCl2分子的形成
Be原子：1s22s2 沒有單個電子，
sp
sp雜化
Cl
Cl
sp
px
px
C
2p2
2s2
基態原子：
H
1s1
激發態原子：
C
2p3
2s1
雜化后：
CH CH
未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵
點撥：sp、sp2兩種雜化形式中還有未參與雜化的p軌道，可用于形成π鍵，而雜化軌道只用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對。
2、判斷中心原子雜化軌道類型的方法
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，故有下列關系：
雜化軌道數目＝價層電子對數目＝σ鍵電子對數目＋中心原子的孤電子對數目，再由雜化軌道數目確定雜化類型
(1)根據中心原子價層電子對數(雜化軌道數目)判斷：雜化軌道數=價層電子對數=σ鍵電子對數＋孤電子對數
A的價電子對數 3
A的雜化軌道數
雜化類型
A的價電子空間構型（VSEPR模型）
A的雜化軌道空間構型
ABm型分子或離子空間構型
2
3
4
sp
sp2
sp3
直線型
平面三角形
正四面體
直線型
平面三角形
正四面體
直線型
平面三角形或V形
正四面體三角錐形或V形
雜化軌道數=
中心原子孤對電子對數＋中心原子結合的原子數
雜化軌道理論解釋微粒的立體構型
=中心原子的價層電子對數
代表物 雜化軌道數 雜化軌道類型 VSEPR模型名稱 分子的
立體構型
CO2
CH2O
CH4
SO2
NH3
H2O
0+2=2
sp
直線形
0+3=3
sp2
平面三角形
0+4=4
sp3
正四面體形
1+2=3
sp2
V形
1+3=4
sp3
三角錐形
2+2=4
sp3
V形
直線形
平面三角形
正四面體形
平面三角形
四面體形
四面體形
(2)有多個中心原子時，則根據：
“雜化軌道數=價層電子對數=σ鍵電子對數＋孤電子對數”來判斷如：三聚氰胺分子的結構簡式如圖所示，分析氮原子、碳原子的雜化類型
雜化類型 價層電子對數 σ鍵電子對數 孤電子對數 孤電子對數確定方法
1號氮原子 sp3 4 3 1 氮原子最外層有5個電子，形成了3對共用電子對，則有一對孤對電子
2號氮原子 sp2 3 2 1 環上碳原子 sp2 3 3 0 碳原子最外層4個電子，形成了4對共用電子對，所以碳上無孤對電子
(3)根據雜化軌道的空間分布判斷
①若雜化軌道在空間的分布為正四面體或三角錐形，則中心原子發生sp3雜化
②若雜化軌道在空間的分布呈平面三角形，則中心原子發生sp2雜化
③若雜化軌道在空間的分布呈直線形，則中心原子發生sp雜化
【對點訓練2】
(4)根據雜化軌道之間的夾角判斷
①若雜化軌道之間的夾角為109°28′，則中心原子發生sp3雜化
②若雜化軌道之間的夾角為120°，則中心原子發生sp2雜化
③若雜化軌道之間的夾角為180°，則中心原子發生sp雜化
(5)根據分子或離子中有無π鍵及π鍵數目判斷
沒有π鍵為sp3雜化，含一個π鍵為sp2雜化，含兩個π鍵為sp雜化
(6)有機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
【對點訓練2】
三、雜化軌道的立體構型與微粒的立體構型VSEPR模型和雜化軌道的立體構型是一致的，略去VSEPR模型中的孤電子對，就是分子(或離子)的立體構
價層電子對數 雜化軌道數 雜化類型 雜化軌道立體構型 VSEPR模型 孤電子對數 分子構型 實例
2 2 sp 直線形 直線形 0 直線形 CO2
3 3 sp2 平面三角形 平面三角形 0 平面三角形 SO3
平面三角形 平面三角形 1 V形 SO2
4 4 sp3 正四面體形 正四面體形 0 正四面體形 CH4
正四面體形 四面體形 1 三角錐形 NH3
正四面體形 四面體形 2 V形 H2O
【對點訓練3】
【課后作業】
本節小結
價電子對數 中心原子的雜化軌道類型 VSEPR模型名稱 孤電子對數 分子的空間構型 實例
2 sp 直線形 0 直線形 BeCl2、CO2
3 sp2 平面三角形 0 V形 SO2
3 sp2 1 平面三角形 SO3
4 sp3 正四面體形 0 V形 H2O
4 sp3 1 三角錐形 NH3
4 sp3 2 正四面體形 CH4、CCl4
VSEPR模型
價層電子對數
對應
預測
立體空間結構
解釋
決定
物質的性質
= （a-xb)+σ鍵電子對
①價電子對之間的夾角越小,排斥力越小。 (　　)
②NH3分子的VSEPR模型與分子空間結構不一致。(　　)
③五原子分子的空間結構都是正四面體形。(　　)
④雜化軌道與參與雜化的原子軌道的數目相同,但能量不同。(　　)
⑤凡是中心原子采取sp3雜化軌道成鍵的分子,其空間結構都是正四面體形。(　　)
⑥凡AB3型的共價化合物,其中心原子A均采用sp3雜化軌道成鍵。(　　)
1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
√
√
×
×
×
×
2．根據價層電子對互斥模型及原子雜化軌道理論判斷NF3分子的空間結構和中心原子的雜化方式為(　　)
A.直線形　sp雜化
B.平面三角形　sp2雜化
C.三角錐形　sp2雜化
D.三角錐形　sp3雜化
解析:判斷分子的雜化方式要根據中心原子的孤電子對數以及與中心原子相連的原子個數。在NF3分子中N原子的孤電子對數為1,與其相連的原子數為3,根據原子雜化軌道理論可推知中心原子的雜化方式為sp3雜化,NF3分子的空間結構為三角錐形,類似于NH3。
D
3.在BrCH=CHBr分子中,C—Br鍵采用的成鍵軌道是(　　)
A.sp-p B.sp2-s
C.sp2-p D.sp3-p
解析:分子中的兩個碳原子都是采取sp2雜化,溴原子的價電子排布式為4s24p5,4p軌道上的一個未成對電子與碳原子的一個sp2雜化軌道成鍵。
C
4.指出下列原子的雜化軌道類型、分子的結構式及空間結構。
(1)CS2分子中的C為　　　雜化,分子的結構式為　　　,空間結構為　　;
(2)CH2O中的C為　　　雜化,分子的結構式為　　　,空間結構為　　　;
(3)CCl4分子中的C為　　　雜化,分子的結構式為　　　,空間結構為　　　;
(4)H2S分子中的S為　　　雜化,分子的結構式為　　　,空間結構為　　　。
解析:軌道雜化所用原子軌道的能量相近,且雜化軌道只能用于形成σ鍵,未參與雜化的p軌道還可以形成π鍵。雜化軌道類型決定了分子(或離子)的空間結構,如sp2雜化軌道之間的夾角為120°,空間結構為平面三角形。因此,也可根據分子的空間結構確定分子(或離子)中雜化軌道的類型,如CO2為直線形分子,因此分子中C原子的雜化軌道類型為sp雜化。

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