資源簡介

(共54張PPT)
第二章　
分子結構與性質
第二節　
分子的空間結構
第2課時　
雜化軌道理論
[明確學習目標]
1．了解雜化軌道理論的基本內容。
2．能根據有關理論判斷簡單分子或離子的空間結構。
[核心素養對接]
1．宏觀辨識與微觀探析：通過認識分子結構以及雜化軌道理論，探究雜化類型與分子空間結構的關系。
2．證據推理與模型認知：結合雜化軌道理論與分子的空間結構，能論證證據與模型建立及其發展之間的關系。
課前篇
·
自主學習固基礎
一、軌道的雜化與雜化軌道
[知識梳理]
1．概念
(1)軌道的雜化：原子內部能量相近的原子軌道重新組合形成與原軌道數相等的一組新軌道的過程。
(2)雜化軌道：雜化后形成的新的能量相同的一組原子軌道。
2．雜化軌道類型
雜化類型 sp sp2 sp3
參與雜化的 原子軌道及數目 1個s軌道和1個p軌道 1個s軌道和2個p軌道 1個s軌道和3個p軌道
雜化軌道的數目 ________ ________ ________
2　
3　
4
二、雜化軌道類型與分子空間結構的關系
雜化類型 sp sp2 sp3
雜化軌道間的夾角 ________ ________ ________
空間結構名稱 ________ ________ ________
實例 ________ ________ ________
180°　
120°　
109°28′　
直線形　
平面三角形
正四面體形　
CO2、C2H2　
BF3、HCHO　
CH4、CCl4
[自我排查]
一、微判斷
(1)sp3雜化軌道是由任意的1個s軌道和3個p軌道混合形成的4個sp3雜化軌道(　　)
(2)中心原子采取sp3雜化的分子，其空間結構可能是四面體形、三角錐形或V形(　　)


二、填空
烯烴中雙鍵上的C原子為sp2雜化，乙烯分子的成鍵情況如圖：
試分析乙烯分子中碳碳雙鍵的成鍵方式？
提示：乙烯分子中碳原子采取sp2雜化，碳碳雙鍵是成鍵碳原子的sp2雜化軌道“頭碰頭”形成σ鍵，同時其余的p軌道垂直于平面，“肩并肩”形成π鍵。
課堂篇
·
重點難點要突破
研習1 雜化軌道
1．我們已經知道甲烷分子的結構如下：
[探究活動]
化學式 結構式 鍵角 分子的空間結構模型
CH4 109°28′
[問題探討]
甲烷分子是正四面體形，它的4個C—H鍵的鍵長相同。按照我們已經學過的價鍵理論，甲烷分子中的4個C—H均為σ鍵，其中，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，分別與4個氫原子的1s軌道“頭碰頭”形成1個s s σ和3個s p σ鍵，得到的應是四面體結構(s p σ鍵鍵長＞s s σ鍵鍵長)，而不是正四面體結構，你知道其中的原因是什么嗎？
提示：當碳原子與4個氫原子形成甲烷分子時，碳原子的2s軌道和3個2p軌道會發生混雜，混雜時保持軌道總數不變，卻得到 4個能量相同的軌道，夾角為109°28′，稱為sp3雜化軌道，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個氫原子的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。其圖示如下：
2．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。雙原子分子中，不存在雜化過程。例如sp雜化、sp2雜化的過程如下：
(1)觀察上述雜化過程，分析原子軌道雜化后，數量和能量有什么變化？
(2)2s軌道與3p軌道能形成sp2雜化軌道嗎？
提示：(1)雜化軌道與參與雜化的原子軌道數目相同，但能量不同。s軌道與p軌道的能量不同，雜化后形成的一組雜化軌道能量相同。
(2)不能。只有能量相近的原子軌道才能形成雜化軌道。2s與3p不在同一能層，能量相差較大。
[重點講解]
1．雜化與雜化軌道
2．雜化過程的理解
3．雜化軌道與σ鍵、π鍵的關系
雜化軌道只能用于形成σ鍵或者容納孤電子對，不能形成π鍵；未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵。
4．雜化軌道類型的判斷——根據雜化軌道數判斷
因為雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來容納孤電子對，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＝中心原子上孤電子對數＋中心原子結合的原子數，再由雜化軌道數判斷雜化類型，例如：
代表物 雜化軌道數 雜化軌道類型
CO2 0＋2＝2 sp
CH2O 0＋3＝3 sp2
CH4 0＋4＝4 sp3
SO2 1＋2＝3 sp2
NH3 1＋3＝4 sp3
H2O 2＋2＝4 sp3
[典例1]　下列關于雜化軌道的敘述正確的是(　　)
A．雜化軌道可用于形成σ鍵，也可用于形成π鍵
B．雜化軌道可用來容納未參與成鍵的孤電子對
C．CH4中C原子的sp3雜化軌道是由C原子的3個p軌道與H原子的1個s軌道雜化而成的
D．在乙烯分子中1個碳原子的3個sp2雜化軌道與3個氫原子的s軌道重疊形成3個C—H σ鍵
B
解析：A錯、B對，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，不能用來形成π鍵。C錯，CH4中C原子的sp3雜化軌道是由C原子的1個2s軌道和3個2p軌道雜化而成的。D錯，在乙烯分子中，1個碳原子的2個sp2雜化軌道與2個氫原子的1s軌道重疊形成2個C—H σ鍵，剩下的1個sp2雜化軌道與另一個碳原子的sp2雜化軌道重疊形成1個C—C σ鍵。
[舉一反三]
1．在下列分子、離子中，中心原子的軌道雜化類型、分子的空間結構都與NH3分子相同的是(　　)
A．BF3 B．H2O
C．H3O＋ D．SO3
C
解析：NH3的中心原子N的軌道雜化類型是sp3，空間結構是三角錐形。BF3的中心原子B的軌道雜化類型是sp2。H2O、H3O＋的中心原子O的軌道雜化類型是sp3，H2O的空間結構是V形，H3O＋的空間結構是三角錐形。SO3的中心原子S的價層電子對有3個σ鍵電子對，孤電子對數為(6－3×2)/2＝0，S的雜化軌道類型是sp2，SO3的空間結構是平面三角形。
2．下列關于原子軌道的說法正確的是(　　)
A．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
B．CH4分子中的sp3雜化軌道是由4個H原子的1s軌道和C原子的2p軌道組合起來而形成的
C．sp3雜化軌道是由一個原子中能量相近的1個s軌道和3個p軌道重新組合而形成的一組能量相同的新軌道
D．凡是AB3型的共價化合物，其中心原子A均采用sp3雜化成鍵
C
解析：A錯，中心原子采取sp3雜化的分子，其空間結構可能是四面體形，也可能是三角錐形(如NH3)，也可能是V形(如H2O)。B錯，CH4分子中的sp3雜化軌道是由C原子的一個2s軌道與三個2p軌道雜化而成的。D錯，AB3型的共價化合物，A原子可能采取sp2雜化或sp3雜化，也可能是其他雜化方式。
研習2 軌道雜化與分子空間結構的關系
[探究活動]
[問題探討]
1．用雜化軌道理論解釋為什么BF3分子具有平面三角形結構。
提示：硼原子的電子排布式為1s22s22px1，硼原子的1個2s電子激發到1個空軌道中，硼原子的電子排布式變為
1s22s12px12py1。硼原子的2s軌道和2個2p軌道混雜成3個sp2雜化軌道，硼原子的3個sp2雜化軌道分別與3個氟原子的各1個2p軌道重疊形成3個sp2 p σ鍵，由于3個sp2雜化軌道在同一平面上，而且夾角為120°，所以BF3分子具有平面三角形結構，如圖所示：
2．用雜化軌道理論解釋為什么BeCl2分子是直線形結構。
提示：鈹原子的電子排布式是1s22s2，Be的1個2s電子激發進入空的2p軌道，經過雜化形成2個sp雜化軌道，2個sp雜化軌道分別與2個氯原子的各1個3p軌道重疊形成2個sp- p σ鍵。由于雜化軌道間的夾角為180°，所以形成的BeCl2分子的空間結構型是直線形。如圖所示：
3．用雜化軌道理論解釋NH3、H2O的空間結構為什么是三角錐形和V形。
提示：NH3分子中N原子的價層電子排布式為2s22p3。1個2s軌道和3個2p軌道經雜化后形成4個sp3雜化軌道，其中3個雜化軌道中各有1個未成對電子，分別與H原子的1s軌道形成共價鍵，另一個雜化軌道中是成對電子，不與H原子形成共價鍵。
sp3雜化軌道為四面體形，但由于孤電子對的排斥作用，使3個N—H的鍵角變小，成為三角錐形的空間結構。H2O分子中O原子的價層電子排布式為2s22p4。1個2s軌道和3個2p軌道經雜化后形成4個sp3雜化軌道，其中2個雜化軌道中各有1個未成對電子，分別與H原子的1s軌道形成共價鍵，另2個雜化軌道是成對電子，不與H原子形成共價鍵，sp3雜化軌道為四面體形，但由于2對孤電子對的排斥作用，使2個O—H的鍵角變得更小，成為V形的空間結構。
[重點講解]
1．雜化軌道類型與分子空間結構的關系
(1)雜化軌道只用于形成σ鍵或容納孤電子對，當沒有孤電子對時，能量相同的雜化軌道在空間彼此遠離，形成的分子為對稱結構；當有孤電子對時，孤電子對占據一定空間且對成鍵電子對產生排斥，相應的分子空間結構也發生變化。
(2) 雜化軌道與分子空間結構的關系
①當雜化軌道全部用于形成σ鍵
雜化類型 sp sp2 sp3
軌道組成 一個ns和一個np 一個ns和兩個np 一個ns和三個np
軌道夾角 180° 120° 109°28′
雜化軌道 示意圖
實例 BeCl2 BF3 CH4
分子結構 示意圖
分子空間 結構 直線形 平面三角形 正四面體形
續表
②當雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對
由于孤電子對參與互相排斥，會使分子的空間結構與雜化軌道的形態有所區別。如水分子中氧原子的sp3雜化軌道有2個由孤電子對占據，其分子不呈正四面體形，而呈V形；氨分子中氮原子的sp3雜化軌道有1個由孤電子對占據，氨分子不呈正四面體形，而呈三角錐形。
2．含σ鍵和π鍵的分子空間結構和雜化類型
物質 結構式 雜化軌 道類型 分子中的 共價鍵數 鍵角 分子的空
間結構
甲醛 sp2 3個σ鍵， 1個π鍵 120° 平面三
角形
乙烯 5個σ鍵， 1個π鍵 120° 平面形
物質 結構式 雜化軌 道類型 分子中的 共價鍵數 鍵角 分子的空
間結構
乙炔 H─C≡C─H sp 3個σ鍵， 2個π鍵 180° 直線形
氰化 氫 H─C≡N 2個σ鍵， 2個π鍵 180° 直線形
續表
[典例2]　下列說法正確的是(　　)
A．CHCl3呈正四面體形
B．H2O分子中O原子采取sp2雜化，其分子空間結構為V形
C．CO2分子中C原子采取sp雜化，為直線形分子
D．NH4＋呈三角錐形
C
解析：甲烷分子中的4個共價鍵完全相同，呈正四面體形，CHCl3分子中的4個共價鍵不完全相同，所以其分子空間結構不是正四面體形，而是四面體形，故A錯誤；H2O分子中O原子的價層電子對數為2＋×(6－2×1)＝4，采用sp3雜化，含有兩個孤電子對，分子空間結構為V形，故B錯誤；CO2分子中C原子的價層電子對數為2＋×(4－2×2)＝2，采用sp雜化，分子空間結構為直線形，故C正確；NH4+中N原子的價層電子對數為4＋×(5－1－4×1)＝4，采用sp3雜化，不含孤電子對，空間結構為正四面體形，故D錯誤。
在以下的分子或離子中，空間結構的幾何形狀不是三角錐形的是(　　)
A．NF3 B．CH3－
C．BF3 D．H3O＋
[舉一反三]
C
解析：其中NF3、CH3- 和H3O＋的中心原子N、C、O均采用sp3雜化，但是只形成3個化學鍵，有1個雜化軌道被孤電子對占據，又由于價層電子對相互排斥，所以空間結構為三角錐形；BF3中的B采用sp2雜化，空間結構為平面三角形，故選C。
演習篇
·
學業測試速達標
1．下列分子中的中心原子雜化軌道的類型相同的是
(　　)
A．CO2與SO2 B．CH4與NH3
C．BeCl2與BF3 D．C2H2與C2H4
2．下列分子中的中心原子的雜化方式為sp雜化，分子的空間結構為直線形且分子中沒有形成π鍵的是(　　)
A．CHCH B．CO2
C．BeCl2 D．BF3
B
C
3．下列有關甲醛(HCHO)分子的說法正確的是(　　)
①C原子采取sp雜化　②甲醛分子為三角錐形結構　③C原子采取sp2雜化　④甲醛分子為平面三角形結構
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
C
4．已知某XY2分子屬于V形分子，下列說法正確的是
(　　)
A．X原子一定是sp2雜化
B．X原子一定為sp3雜化
C．X原子上一定存在孤電子對
D．VSEPR模型一定是平面三角形
C
解析：若X原子上無孤電子對，則它一定是直線形分子，若X有一對孤電子對或兩對孤電子對，則XY2一定為V形分子，此種情況下X的原子軌道可能為sp2雜化，也可能是sp3雜化，A、B項錯誤，C項正確；若X有兩對孤電子對，則該分子的VSEPR模型為四面體形，D項錯誤。
5．在BrCH==CHBr分子中，C—Br采用的成鍵軌道是
(　　)
A．sp p B．sp2 s
C．sp2 p D．sp3 p
C
解析：分子中的兩碳原子都是采用sp2雜化，溴原子的價層電子排布式為4s24p5,4p軌道上有一個單電子，與碳原子一個sp2雜化軌道成鍵。
6．回答下列問題：
(1)圖(a)為S8的結構，其硫原子的雜化軌道類型為_____。
圖(a) 圖(b)
(2)氣態三氧化硫以單分子形式存在，其分子的空間結構為____________；固體三氧化硫中存在如圖(b)所示的三聚分子，該分子中S原子的雜化軌道類型為________。
sp3　
平面三角形　
sp3　
(3)COCl2分子中所有原子均滿足8電子構型，COCl2分子中σ鍵和π鍵的個數比為________，中心原子的雜化方式為________。
(4)As4O6的分子結構如圖所示，其中As原子的雜化方式為________。
(5) AlH4-中Al原子的軌道雜化方式為_____________。
3∶1　
sp2　
sp3
sp3
本課結束
This lesson is over
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