新教材2023年高中化学第2章分子结构与性质第2节分子的空间结构第2课时杂化轨道理论简介课件新人教版选择性必修2

第2课时

杂化轨道理论简介一、杂化轨道理论1.用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成。当碳原子与4个氢原子形成CH4分子时,碳原子的

2s

轨道和3个

2p

轨道发生混杂,形成4个能量相同、方向不同的

sp3

杂化轨道。4个

sp3

杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子,所以4个C—H是等同的。

2.轨道的杂化与杂化轨道。

微思考

比较杂化轨道与参与杂化的原子轨道的异同点。提示:杂化轨道与参与杂化的原子轨道相比较,数目相同,但能量不同,轨道的方向不同。3.杂化轨道的类型。(1)sp3杂化轨道。sp3杂化轨道是由

1

个s轨道和

3

个p轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是109°28',如下图所示:

(2)sp2杂化轨道。sp2杂化轨道是由

1

个s轨道和

2

个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是

120°

,如下图所示:

(3)sp杂化轨道。sp杂化轨道是由

1

个s轨道和

1

个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是

180°

,如下图所示:

微判断(1)中心原子的杂化方式相同的分子的空间结构一定相同。(

)(2)并非任意两个原子轨道都能发生杂化。(

)(3)sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道。(

)(4)中心原子采取sp3杂化的分子,其空间结构可能是四面体形、三角锥形或V形。(

)×√×√微训练11.下列能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为(

)。答案:D解析:碳原子的2s轨道与2p轨道杂化形成4个能量相同、方向不同的杂化轨道,因此碳原子的4个价电子分占在4个sp3杂化轨道上,且自旋平行。2.下列有关杂化轨道的说法不正确的是(

)。A.杂化前后的轨道数不变,但轨道的形状发生了改变B.sp3、sp2、sp杂化轨道间的夹角分别为109°28'、120°、180°C.部分四面体形、三角锥形、V形分子的空间结构可以用sp3杂化轨道解释D.杂化轨道全部参与形成化学键答案:D解析:杂化轨道不一定都参与成键,如CH4、NH3和H2O分子中的C、N、O均为sp3杂化,CH4的碳原子杂化轨道均参与成键,而N、O分别有一个、两个杂化轨道未参与成键,D项错误。二、VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型微训练21.下列有关二氯化锡(SnCl2)分子的说法正确的是(

)。A.一个SnCl2分子中有一个σ键、一个π键B.是直线形分子C.中心原子Sn是sp2杂化D.键角等于120°答案:C解析:氯原子只能形成单键,而单键只能是σ键,A项错误。由于中心原子Sn形成了两个σ键,还有一个孤电子对,故Sn是sp2杂化,SnCl2为V形结构,受孤电子对的影响,键角小于120°,B、D项错误,C项正确。2.计算下列各粒子的中心原子的杂化轨道数,判断中心原子的杂化轨道类型,写出VSEPR模型名称。2

sp

直线形4

sp3

正四面体形4

sp3

四面体形杂化轨道类型及分子空间结构的判断重难归纳1.杂化轨道理论要点。(1)只有能量相近的原子轨道(如ns、np)才能杂化。(2)杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等,杂化轨道能量相同。(3)杂化改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子形成的共价键更牢固。(4)杂化轨道为使相互间的排斥力最小,故在空间取最大夹角分布,不同的杂化轨道伸展方向不同。(5)杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。(6)sp杂化、sp2杂化中,未参与杂化的p轨道可用于形成π键。2.中心原子轨道杂化类型的判断。(1)利用价层电子对互斥模型、杂化轨道理论判断分子空间结构的思路:价层电子对数

杂化轨道数

杂化轨道类型

分子的空间结构。如下表所示:中心原子(A)的杂化类型参与杂化的轨道形成杂化轨道数成键电子对数A原子的孤电子对数分子的空间结构实例分子式结构式sp1个s轨道1个p轨道220直线形BeCl2Cl—Be—Cl中心原子(A)的杂化类型参与杂化的轨道形成杂化轨道数成键电子对数A原子的孤电子对数分子的空间结构实例分子式结构式sp21个s轨道2个p轨道330平面三角形BF3

21V形SO2

中心原子(A)的杂化类型参与杂化的轨道形成杂化轨道数成键电子对数A原子的孤电子对数分子的空间结构实例分子式结构式sp31个s轨道3个p轨道440正四面体形CH4

31三角锥形NH3

22V形H2O

当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对参与互相排斥,会使分子的空间结构与杂化轨道的形状有所区别。在杂化轨道形状的基础上,略去孤电子对,即可得到分子的空间结构。(2)根据杂化轨道之间的夹角判断:若杂化轨道之间的夹角为109°28',则中心原子发生sp3杂化;若杂化轨道之间的夹角为120°,则中心原子发生sp2杂化;若杂化轨道之间的夹角为180°,则中心原子发生sp杂化。(3)有机化合物分子中碳原子杂化类型的判断:饱和碳原子采取sp3杂化,连接双键的碳原子采取sp2杂化,连接三键的碳原子采取sp杂化。(1)苯分子的空间填充模型为

,苯的化学性质比较特殊,下面我们尝试利用所学的杂化轨道理论解释苯分子中化学键的成键情况。已知苯分子中的化学键如下图所示:根据所学杂化轨道理论,结合上面苯分子中的化学键图像分析苯分子中碳原子的杂化方式及成键情况。(2)H2O、NH3和CH4分子中的中心原子均是sp3杂化,VSEPR模型如图,但分子的空间结构分别是V形、三角锥形和正四面体形。①试说明中心原子的孤电子对如何影响分子的空间结构。②CH4、NH3、H2O中中心原子都采取sp3杂化,它们的键角为什么依次减小?从杂化轨道理论的角度思考,比较键角大小时有什么方法?提示:(1)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都发生了sp2杂化(如s、px、py杂化),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杂化轨道上的电子分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道上的电子配对形成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杂化轨道上的电子分别与一个氢原子的1

s电子配对形成σ键。与此同时,每个碳原子的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,这六个轨道相互平行,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。(2)①中心原子的孤电子对占据杂化轨道,排斥其他成键电子对,从而影响分子的空间结构。②CH4、NH3、H2O中中心原子都采取sp3杂化,中心原子的孤电子对数依次为0、1、2。由于孤电子对对成键电子对的排斥作用使键角变小,孤电子对数越多,对成键电子对的排斥作用越大,键角越小。比较键角时,先看中心原子的杂化类型,杂化类型不同时,键角一般按sp、sp2、sp3顺序依次减小;杂化类型相同时,中心原子的孤电子对数越多,键角越小。典例剖析氯化亚砜(SOCl2)是一种很重要的化学试剂,可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是(

)。A.三角锥形、sp3B.V形、sp2C.平面三角形、sp2D.三角锥形、sp2答案:A解析:根据价层电子对互斥模型确定粒子的空间结构,SOCl2分子中S形成2个S—Cl和1个S=O,价层电子对数=σ键个数+孤电子对个数=

=4,杂化轨道数是4,故S采取sp3杂化,含一个孤电子对,分子的空间结构为三角锥形。学以致用1.杂化轨道是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。下列关于sp3、sp2、sp杂化轨道之间夹角的比较中正确的是(

)。A.sp杂化轨道之间的夹角最大B.sp2杂化轨道之间的夹角最大C.sp3杂化轨道之间的夹角最大D.sp3、sp2、sp杂化轨道之间的夹角相等答案:A解析:sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28'、120°、180°。2.徐光宪在《分子共和国》一书中介绍了许多明星分子,如H2O2、CO2、BF3、CH3COOH等。下列说法正确的是(

)。A.H2O2分子中的O为sp2杂化B.CO2

分子中C为sp杂化C.BF3分子中的B为sp3杂化D.CH3COOH分子中C均为sp2杂化答案:B解析:H2O2分子中O形成2个σ键,含有2个孤电子对,所以O为sp3杂化,

A项错误。

CO2分子为直线形结构,C为sp杂化,

B项正确。

BF3分子中B与F形成3个σ键,B上无孤电子对,所以B为sp2杂化,

C项错误。

CH3COOH分子中羧基中C形成3个σ键,没有孤电子对,采取sp2杂化,但甲基中碳原子形成4个σ键,没有孤电子对,采取sp3杂化,

D项错误。1.下列有关杂化轨道的说法正确的是(

)。A.轨道杂化前后数目相等,形状、能量不同B.杂化轨道既可形成σ键,也可形成π键C.金刚石和石墨晶体中的碳原子都是通过sp3杂化轨道成键的D.分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时该分子不一定为正四面体形结构,所以杂化轨道理论与VSEPR模型分析分子的空间结构结果常常相互矛盾答案:A解析:杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相同,但形状和能量发生变化,所以形状和能量不相同,

A项正确。杂化轨道不能用于形成π键,

B项错误。金刚石中碳原子的价层电子对数是4、石墨中碳原子的价层电子对数是3,前者为sp3杂化、后者为sp2杂化,

C项错误。分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时,该分子可能为正四面体形、三角锥形或V形,杂化轨道理论与VSEPR模型均用于分析判断分子的空间结构,且两者相互补充,不矛盾,

D项错误。2.sp3杂化形成的AB4型分子的空间结构为(

)。A.平面四边形 B.正四面体形C.四角锥形

D.平面三角形答案:B解析:sp3杂化形成的AB4型分子的空间结构应该为正四面体形,例如甲烷、四氯化碳等。3.在BrCH=CHBr分子中,C—Br采用的成键轨道是(

)。

A.sp-p B.sp2-s C.sp2-p D.sp3-p答案:C解析:分子中的两个碳原子都是采用sp2杂化,溴原子的价层电子排布式为4s24p5,4p轨道上有一个单电子,与碳原子的一个sp2杂化轨道成键。4.在CH3COCH3中,中间碳原子和两边碳原子所采用的杂化方式分别是(

)。A.sp2、sp3 B.sp3、sp3

C.sp2、sp2