資源簡介

分子的空間結構
第3課時
教學目標
1. 結合實例了解雜化軌道理論的要點和類型（sp3、sp2、sp），能運用雜化軌道理論解釋簡單共價分子和離子的空間結構。
教學重難點
1.應用雜化軌道理論解釋分子的空間結構，尤其是含有孤電子對的分子的空間結構。
2.VSEPR模型與雜化軌道理論的關聯。
教學過程
一、新課導入
價層電子對互斥模型預測CH4空間結構為正四面體形，且實驗測得甲烷分子中的4個C-H鍵鍵長相同，H-C-H的鍵角為109°28′。
依據價鍵理論，C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，用它們與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。
至此出現了兩個矛盾的事實，那怎樣解釋甲烷分子的空間結構為正四面體呢？
二、講授新課
四、雜化軌道理論
1. 雜化軌道理論的提出與要點
鮑林為了解決分子空間結構與價鍵理論的矛盾，提出了雜化軌道理論。
它的要點是：
原子間結合形成分子時，中心原子的若干價層電子軌道會發生混雜，在混雜時保持軌道總數不變，但是得到了等量的方向不同的軌道。這些軌道用于形成σ鍵或放孤對電子。
分子最終的空間結構與雜化的方式有關，下面我們通過典型的例子進一步探討該理論。
2. sp3雜化
當C與4個H形成CH4時，C的2s軌道和3個2p軌道會發生混雜，混雜后得到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109°28′，稱為sp3雜化軌道。
雜化軌道符號sp3表示這4個軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化形成的。
當C跟4個H結合時，C以4個sp3雜化軌道分別與4個H的1s軌道重疊，形成4個C-H σ鍵，因此呈正四面體形的空間結構。
軌道雜化過程示意圖
C的sp3雜化軌道與H的1s軌道重疊成σ鍵示意圖
【提問】（1）N的價層電子排布為2s22p3，3個2p軌道可與3個H的1s軌道重疊形成3個N-H σ鍵。由于3個2p軌道相互垂直，那NH3中的H-N-H鍵角應約為90°。但實驗測得H-N-H鍵角為107°。怎樣用雜化軌道理論解釋NH3的空間結構？
【講解】在形成NH3時，N的1個2s軌道和3個2p軌道發生了sp3雜化，形成了4個sp3雜化軌道，它們在空間的分布呈正四面體形。其中3個sp3雜化軌道與3個H的1s軌道重疊形成3個N-H σ鍵；另一個sp3雜化軌道中已有兩個電子，不能再與H的1s軌道重疊。
由于NH3中存在在孤對電子，它對成鍵電子對的排斥作用較強，所以NH3呈三角錐，鍵角為107°。
【提問】（2）請你類比CH4和NH3的例子，用雜化軌道理論解釋H2O的空間結構。
【講解】在形成H2O時，O的1個2s軌道和3個2p軌道發生了sp3雜化，形成了4個sp3雜化軌道，它們在空間的分布呈正四面體形。其中2個sp3雜化軌道與2個H的1s軌道重疊形成2個O-H σ鍵；另兩個sp3雜化軌道中已各有兩個電子，不能再與H的1s軌道重疊。
由于H2O中存在在2對孤對電子，它們對成鍵電子對的排斥作用較強，所以H2O呈V形，鍵角為105°。
除sp3雜化外，還有sp2雜化軌道和sp雜化軌道。
sp2雜化軌道由1個s軌道和2個p軌道雜化而得。sp2雜化軌道得到三個夾角為120°的平面三角形雜化軌道。
sp雜化軌道由1個s軌道和1個p軌道雜化而得。sp雜化軌道得到兩個夾角為180°的直線形雜化軌道。
在這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，而雜化軌道則用于形成σ鍵或用來容納未參與成鍵的孤電子對。
3. sp2雜化
下面我們以BF3為例介紹sp2雜化
當B與3個F形成BF3時，B的2s軌道和2個2p軌道會發生混雜，混雜后得到3個新的能量相同、方向不同的軌道，各指向平面三角形的3個頂角，夾角120°。
當B跟3個F結合時，B以3個sp2雜化軌道分別與3個F的2p軌道重疊，形成3個B-F σ鍵，因此呈平面三角形的空間結構。
軌道雜化過程示意圖
B的sp2雜化軌道與F的2p軌道重疊成σ鍵示意圖
4. sp雜化
下面我們以BeCl2為例介紹sp雜化
當Be與2個Cl形成BeCl2時，Be的2s軌道和1個2p軌道會發生混雜，混雜后得到2個新的能量相同、方向不同的軌道，各指向直線段的2個頂點，夾角180°。
當Be跟2個Cl結合時，Be以2個sp雜化軌道分別與2個Cl的3p軌道重疊，形成2個Be-Cl σ鍵，因此呈直線形的空間結構。
軌道雜化過程示意圖
Be的sp雜化軌道與Cl的3p軌道重疊成σ鍵示意圖
【提問】（3）通過上面CH4、NH3、H2O、BF3、BeCl2的例子，你認為雜化軌道理論與VSEPR模型之間有何聯系，概括歸納你的發現。
【講解】雜化軌道理論中，通過雜化形成的雜化軌道用于形成σ鍵和放孤對電子。
在VSEPR模型中，確定VSEPR模型由σ鍵電子對和孤電子對數量總和決定。
因此VSEPR模型中價層電子對總數與原子的雜化形式有一一對應關系。
【思維啟迪】
VSEPR模型與原子的雜化形式的對應關系如下圖所示：
通過上表的對應關系，我們可以歸納得出：
價層電子對總數為4時，VSEPR模型為四面體，中心原子的雜化軌道類型為sp3；
價層電子對總數為3時，VSEPR模型為平面三角形，中心原子的雜化軌道類型為sp2；
價層電子對總數為2時，VSEPR模型為直線形，中心原子的雜化軌道類型為sp；
【典型例題】
例1. 確定和H3O+的中心原子的雜化軌道類型。
先確定和H3O+的VSEPR模型，然后再確定中心原子N和O的雜化軌道類型。
的中心原子N的孤對電子數為0，價層電子對數為3，VSEPR模型為平面三角形，中心原子N的雜化軌道類型為sp2雜化。
H3O+的中心原子O的孤對電子數為1，價層電子對數為4，VSEPR模型為四面體形，中心原子O的雜化軌道類型為sp3雜化。
三、課堂小結
1. 雜化軌道理論用于解釋分子的空間結構：中心原子的原子內能量相近的原子軌道重新組合為具有不同空間分布特點的新的雜化軌道，使得分子呈現不同的空間結構。雜化軌道只能用于形成σ鍵或容納孤電子對，形成π鍵的電子只能位于未雜化的原子軌道上。
2. VSEPR模型用于預測分子的空間結構。二者通過價層電子對總數這一參數聯系。因此，如果沒有實驗數據得出分子的空間結構，可以借助價層電子對互斥模型預測分子的空間結構，從而確定分子中中心原子的雜化軌道類型。

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