高中化学同步讲义（选择性必修二）第09讲 2.5杂化轨道理论 等电子体原理（学生版）

第9课杂化轨道理论等电子体原理1．了解杂化轨道理论的基本内容。2．能根据杂化轨道理论解释简单分子的空间结构。3．结合杂化轨道理论认识常见共价分子的空间结构。一、杂化轨道理论简介1.杂化轨道的含义杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。(1)轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部的原子轨道发生，重新成一组新的轨道的过程。(2)杂化轨道：原子轨道后形成的一组新的，叫做原子轨道，简称。(3)杂化轨道的特点①杂化轨道数参与杂化的原子轨道数；②杂化改变了原子轨道的和；③杂化使原子的成键能力；④杂化轨道用于构建分子的轨道和轨道。2.杂化轨道理论的要点(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是原子。(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，的原子不可能发生杂化。(3)只有的原子轨道才能杂化(如2s、2p)。(4)杂化前后原子轨道数目(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量。(5)为使相互间的排斥力最小，杂化轨道在空间取夹角分布。杂化后轨道的、发生改变，但相同杂化形式的杂化轨道形状完全。杂化使原子的成键能力。形成的共价键更。(6)杂化轨道用于形成或者用来容纳未参与成键的。未参与杂化的p轨道可用于形成键。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化。(7)杂化轨道成键时仍具有共价键的特征——性和性(8)杂化轨道数=中心原子上的数+与中心原子结合的数。3.杂化轨道类型类型形成过程夹角空间结构sp3杂化轨道sp3杂化轨道是由个s轨道和个p轨道杂化形成的形sp2杂化轨道sp2杂化轨道是由个s轨道和个p轨道杂化而成的形sp杂化轨道sp杂化轨道是由个s轨道和个p轨道杂化而成的形【特别说明】原子轨道发生sp杂化时，还有2个np轨道未发生杂化，若np轨道上有未成对电子，形成分子时2个np轨道上的电子会形成π键。1）sp3杂化与CH4分子的空间构型(1)杂化轨道的形成碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，个2s轨道和个2p轨道“混合”，形成相等、相同的个sp3杂化轨道。基态原子轨道激发态原子轨道杂化轨道sp3杂化轨道的空间构型4个sp3杂化轨道在空间呈，轨道之间的夹角为，每个轨道上都有一个未成对电子。(2)共价键的形成碳原子的4个轨道分别与4个氢原子的轨道重叠，形成4个相同的键。(3)CH4分子的空间构型CH4分子为空间结构，分子中C—H键之间的夹角都是。(4)正四面体结构的分子或离子的中心原子，一般采用sp3杂化轨道形成共价键，如CCl4、NH4+等。金刚石中的碳原子、晶体硅和石英（SiO2）晶体中的硅原子也是采用sp3杂化轨道形成共价键的。2）sp2杂化与BF3分子的空间构型(1)sp2杂化轨道的形成硼原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道。个2s轨道和个2p轨道发生杂化，形成相等、相同的个sp2杂化轨道。硼原子的3个sp2杂化轨道呈，3个sp2杂化轨道间的夹角为。(2)共价键的形成硼原子的3个轨道分别与3个氟原子的1个轨道重叠，形成3个相同的键。(3)BF3分子的空间构型BF3分子的空间构型为，键角为。3）sp杂化与BeCl2分子的空间构型(1)杂化轨道的形成Be原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道，个2s轨道和个2p轨道发生杂化，形成相等、相同的个sp杂化轨道。Be原子的sp杂化轨道呈，其夹角为。(2)共价键的形成Be原子的2个轨道分别与2个Cl原子的1个轨道重叠形成2个相同的键。(3)BeCl2分子的空间构型BeCl2分子为空间构型为，分子中Be—Cl键之间的夹角为。4.杂化轨道类型与分子的空间结构的关系(1)杂化轨道用于形成或用来容纳未参与成键的。当没有孤电子对时，能量相同的杂化轨道彼此远离，形成的分子为结构；当有孤电子对时，孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥，形成的分子的空间结构也发生。(2)杂化轨道与分子的空间结构的关系①当杂化轨道全部用于形成σ键时杂化类型spsp2sp3轨道组成个ns和个np个ns和个np个ns和个np轨道夹角杂化轨道示意图实例BeCl2BF3CH4分子结构示意图分子空间结构形形形②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，会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有个杂化轨道由占据，其分子不呈形，而呈V形；氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有个杂化轨道由占据，氨分子不呈形，而呈形。5.VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系杂化轨道理论了价层电子对互斥模型所推测的分子空间结构，但分析具体分子中的中心原子的杂化轨道类型时，应先确定分子或离子的，再确定中心原子的。VSEPR模型及其中心原子对应的杂化轨道类型如表所示：【思考与讨论p49】参考答案：(1)BF3的σ键电子对数为3，孤电子对数为0，价层电子对数为3，故杂化轨道类型为杂化。(1)H30+的σ健电子对数为3，孤电子对数为1，价层电子对数为4，故杂化轨道美型为杂化。6.杂化轨道类型的判断方法(1)根据价层电子对互斥模型判断中心原子的杂化类型、空间结构在确定了分子或离子的中心原子上的成键电子对数和孤电子对数后，可以依据下面的方法确定其中心原子的杂化轨道类型：σ键电子对数(成键电子对数)+孤电子对数=价电子对数=杂化轨道数根据杂化类型及孤电子对数即可判断分子或离子的空间结构，列表如下：价层电子对数杂化轨道类型成键电子对数孤电子对数杂化轨道数分子空间结构实例2sp202形BeCl2、CO2、HCN3sp2303形BF3、SO3、CO32—21形SnBr2、SO2、NO2—4sp3404形CHCl3、SiCl4、PO43—31形NH3、PCl3、SO32—22形OF2、H2O、NH2—(2)根据杂化轨道间的夹角判断杂化轨道间的夹角杂化轨道类型sp3sp2sp(3)根据分子或离子的空间结构判断分子或离子的空间结构杂化轨道类型形sp3形sp2形sp(4)根据共价键类型判断由杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未参与杂化的轨道用于形成π键，杂化轨道用于形成或用来容纳未参与成键的。对于能明确结构式的分子、离子，其中心原子的杂化轨道数n=中心原子形成的数+中心原子上的数，即可将结构式和电子式相结合，从而判断中心原子形成的数和中心原子上的数，进而判断数。例如：①在SiF4分子中，基态硅原子有4个价电子，与4个氟原子形成4个σ键，没有孤电子对，n=4,则SiF4分子中硅原子采用化。②在HCHO分子中，基态碳原子有4个价电子，与2个氢原子形成2个σ键，与氧原子形成C=O,C=O中有1个σ键、1个π键，没有孤电子对，n=3,则HCHO分子中碳原子采用杂化。(5)以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化类型①没有形成π键，为杂化：CH4、CCl4、②形成一个π键，为杂化：CH2=CH2、苯(大π键)、、③形成两个π键，为杂化：CH≡CH、O=C=O(CO2)、S=C=S(CS2)【研究与实践——制作分子的空间结构模型p49】思考与讨论参考答案：把四个充满气的气球用皮筋扎在一起，这四个气球形成一个正四面体形；然后把这4个气球在黑板上压在一个平面中，形成的是平面正方形；再将四个气球抛向空中，形状又恢复正四面体形，说明这种正四面体的形式是它自然的状态。把这四个气球看成四对共用电子对，它们的公共结点看成是碳原子，那么这种结构取向就是它的自然取向，这正像甲烷分子的正四面体形结构。二、等电子体原理1.含义：相同、相同的互为等电子体。【特别提醒】核外电子总数不一定相同；等电子体可以拓展到离子。2.特点：等电子体具有相似的特征(立体结构和化学键类型)及的性质，例如CO和N2的熔沸点、溶解性等都非常相近。3.等电子原理的应用利用等电子原理可以判断一些简单分子或离子的构型。如SO2和O3的原子数目和价电子总数都相等，二者互为等电子体，中心原子都是杂化，都是形结构。4.确定等电子体的方法同主族或同周期元素替换，交换过程中注意变化。变换过程中注意电荷变化，并伴有元素种类的改变序号方法示例1竖换：把同族元素(同族原子价电子数相同)交换，即可得到相应的等电子体CO2与CS2、O3与SO22横换：换主族元素，这时候价电子发生变化，再通过得失电子使价电子总数相等N2与CO3可以将分子变换为，也可以将离子变换为O3与NOeq\o\al(－,2)、CH4与NHeq\o\al(＋,4)CO与CN－5.常见的等电子体汇总微粒通式价电子总数立体构型CO2、CNS－、NOeq\o\al(＋,2)、Neq\o\al(－,3)AX216e－形COeq\o\al(2－,3)、NOeq\o\al(－,3)、SO3AX324e－形SO2、O3、NOeq\o\al(－,2)AX218e－形SOeq\o\al(2－,4)、POeq\o\al(3－,4)AX432e－形POeq\o\al(3－,3)、SOeq\o\al(2－,3)、ClOeq\o\al(－,3)AX326e－形CO、N2AX10e－形CH4、NHeq\o\al(＋,4)AX48e－形►问题一杂化轨道理论与分子的结构【典例1】下列分子或离子的立体构型和中心原子的杂化方式均正确的是A．AsH3平面三角形sp3杂化 B．H3O+平面三角形sp2杂化C．H2SeV形sp3杂化 D．CO三角锥形

sp3杂化【变式1-1】有机物CH3CH=CH—C≡CH中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为()A．sp、sp2、sp3 B．sp3、sp2、spC．sp2、sp、sp3 D．sp3、sp、sp2【变式1-2】下列说法中正确的是()A．中心原子采取sp3杂化的分子，其几何构型都是四面体型B．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C．苯分子的碳原子是sp2杂化，分子的空间构型为平面结构D．AB3型的分子空间构型必为平面三角形►问题二等电子体原理与分子结构【典例2】通常把原子总数和价电子总数相同的分子或离子称为等电子体。人们发现等电子体的空间结构相同，则下列有关说法中正确的是()A．CH4和NHeq\o\al(＋,4)是等电子体，键角均为60°B．NOeq\o\al(－,3)和COeq\o\al(2－,3)是等电子体，均为平面三角形结构C．H3O＋和PCl3是等电子体，均为三角锥形结构D．B3N3H6和苯是等电子体，B3N3H6分子中不存在“肩并肩”式重叠的轨道【变式2-1】由短周期元素原子构成的粒子，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，可互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。根据上述原理，下列各对粒子中，立体结构相似的是()A．SO2与O3B．CO2与NO2C．CS2与NO2D．PCl3与BF3【变式2-2】根据等电子原理：由短周期元素原子构成的微粒，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，可互称为等电子体，它们具有相似的结构特征。以下各组微粒结构不相似的是()A.CO和N2 B.O3和NO2-C.CO2和N2O D.N2H4和C21．下列分子的立体构型可用sp2杂化轨道来解释的是()①COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))②CH2=CH2③苯④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A．①②③B．①⑤⑥C．②③④D．③⑤⑥2.下列各组微粒中，互为等电子体的一组是()A.CO、C2H2、N2B.SiF4、SiO44−、SO42−、PO43−C.CO32−、NO3．形成下列分子时，一个原子用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是（）①PF3②CCl4③NH3④H2OA．①② B．②③ C．③④ D．①④4．根据等电子原理，下列分子或离子与其他选项不属于同一类的是()A．PF4+B．SiO42-C．SO42-D．SiH45.判断下列中心原子的杂化轨道类型(点“·”的原子为中心原子)。微粒①H3O＋②CH2CH2③CCl4④NCl3⑤PH3杂化轨道数目杂化轨道类型6.科学家常用“等电子体”来预测不同物质的结构,例如CH4与NH4+有相同的电子数和立体构型。依此原理在下表空格中填出相应的化学式:①；②；③CH4①CO③NHN2H②N21.下列说法：①是三角锥型；②是V形，其A可能为杂化；③二硫化碳中碳原子为sp杂化；④是平面四边形结构；⑤、、分子中的O、N、C分别形成2个、3个、4个键，故O、N、C原子分别采取sp、、杂化；⑥分子是三角锥型，这是因为P原子是以杂化的结果；⑦杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的四个杂化轨道；⑧凡中心原子采取杂化的分子，其VSEPR几何构型都是四面体形；⑨和杂化轨道类型均为杂化，立体构型分别为V形、平面三角形；⑩气体单质中，一定有σ键，可能有π键。正确的选项有A．2个 B．3个 C．4个 D．5个2.根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型，判断下列分子或者离子的空间构型正确的是选项分子式中心原子杂化方式VSEPR模型名称空间结构AspV形V形Bsp2平面三角形三角锥形Csp2四面体形平面三角形Dsp3正四面体形正四面体形3.下列离子的VSEPR模型与其空间结构一致的是A． B． C． D．4.下列各组微粒的空间构型相同的是①和②和③和④和⑤和⑥和⑦和A．全部 B．除④⑥⑦以外C．③④⑤⑥ D．②④⑤⑥5.等电子体之间往往具有相似的结构，N2O与CO2分子具有相似的结构(包括电子式)；已知N2O分子中氧原子只与一个氮原子相连，下列说法合理的是A．N2O为三角形分子B．N2O与CO2均不含非极性键C．N2O的电子式可表示D．N2O与SiO2为等电子体、具有相似的结构和相似性质6．下面两表分别列出了CO和N2的某些性质及相关键能，有关说法不正确的是表一分子熔点/℃沸点/℃常温时在水中溶解度CO-205.05-191.492.3mLN2-210.00-195