2025春高二化学选择性必修2 （配人教版）第二章 分子结构与性质 第二节 分子的空间结构 第2课时 杂化轨道理论简介

杂化轨道理论简介第2课时学习目标1.通过杂化轨道理论的学习,能描述杂化轨道的形成及特点,能分析判断简单分子中心原子杂化轨道(sp、sp2、sp3)的类型。2.通过实例了解共价分子具有特定的空间结构,能从微观角度解释中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响,能运用杂化轨道理论对分子或离子的空间结构进行解释。任务分项突破『自主梳理』1.杂化轨道理论的提出杂化轨道理论是一种

理论,是

为了解释分子的空间结构提出的。学习任务1认识杂化轨道理论价键鲍林2.用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成在形成CH4分子时,碳原子的

轨道和3个

轨道发生混杂,混杂时保持轨道总数

,得到4个新的能量相同、方向不同的

杂化轨道。4个

杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H

键。可表示为2s2p不变sp3sp3σ3.常见杂化轨道类型及其空间结构(1)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。sp3杂化轨道间的夹角是109°28′,空间结构为

(如图所示)。13正四面体形(2)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。sp2杂化轨道间的夹角是

,呈

(如图所示)。12120°平面三角形(3)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。sp杂化轨道间的夹角是

,呈

(如图所示)。11180°直线形『互动探究』杂化轨道理论是一种价键理论,是鲍林为解释分子的空间结构提出的。在形成多原子分子时,中心原子价电子层上的某些能量相近的原子轨道发生混杂,重新组合成一组新的轨道的过程,叫做轨道的杂化。探究轨道杂化过程的正确理解问题1:任意轨道之间都可以杂化吗?2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道?提示:不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道,2s与3p不在同一能层,能量相差较大,不可杂化。问题2:杂化轨道与原轨道相比,数量、能量、轨道形状及延伸方向等是否改变?提示:形成的杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同,但能量不同。杂化会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。问题3:sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道,它参与形成的化学键和杂化轨道形成的化学键是否相同?提示:不相同。sp、sp2两种杂化形式中未参与杂化的p轨道用于形成π键,而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。问题4:杂化轨道数与价层电子对数有何关系?提示:杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对,而两个原子之间只能形成一个σ键,故有下列关系,杂化轨道数目=价层电子对数目=σ键电子对数目+中心原子的孤电子对数目。归纳拓展杂化轨道理论的正确理解『题组例练』1.下列关于杂化轨道的说法错误的是(

)A.并不是所有的原子轨道都参与杂化B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化C.杂化轨道能量集中,有利于牢固成键D.杂化轨道都用来成键√解析:参与杂化的原子轨道,其能量不能相差太大,如1s与2s、2p的能量相差太大,不能形成杂化轨道,即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,故A、B正确;杂化轨道的电子云一头大一头小,成键时利用大的一头,可使电子云的重叠程度更大,形成牢固的化学键,故C正确;并不是所有的杂化轨道都成键,也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成),故D错误。2.下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是(

)A.由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成B.共有2个能量相同的杂化轨道C.每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一D.sp2杂化轨道最多可形成3个σ键√解析:同一能层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大,相互杂化的轨道的能量差异不能过大,A正确;同种类型的杂化轨道能量相同,共有3个能量相同的杂化轨道,B错误;sp2杂化轨道是由1个s轨道与2个p轨道杂化而成的,C正确;sp2杂化轨道最多可形成3个σ键,D正确。学习任务2探究杂化轨道类型与分子空间结构的关系『自主梳理』杂化轨道类型与分子空间结构的关系109°28′杂化类型spsp2sp3杂化轨道示意图轨道夹角180°120°

直线形VSEPR模型名称

分子空间结构

实例CO2SO3SO2CH4NH3H2OVSEPR模型平面三角形四面体形直线形平面三角形V形正四面体形三角锥形V形『互动探究』用价层电子对互斥模型只能解释分子的空间结构,却无法解释许多深层次的问题,如无法解释甲烷分子中四个C—H的键长、键能相同及H—C—H的键角为109°28′。杂化轨道理论不仅可以解释CH4的空间结构,还能解释CO2、SO2、SO3、H2O、NH3等诸多典型物质的空间结构。探究杂化轨道类型与分子空间结构的关系问题1:CH4、NH3、H2O中心原子的杂化轨道类型都是sp3,试用杂化轨道理论解释NH3、H2O的空间结构为何与CH4不同。提示:NH3分子中氮原子的价层电子排布式为2s22p3。1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道,其中3个sp3杂化轨道分别与3个氢原子的1s原子轨道重叠,形成3个N—Hσ键,1个sp3杂化轨道被1个孤电子对占据。sp3杂化轨道为正四面体形,故NH3为三角锥形的空间结构,由于孤电子对的排斥作用,使3个N—H键角变小。H2O分子中氧原子的价层电子排布式为2s22p4。1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道,其中2个杂化轨道中各有1个未成对电子,分别与氢原子的1s轨道重叠形成σ键,另2个杂化轨道被孤电子对占据,不与氢原子成键,因此分子空间结构为V形。由于2个孤电子对的排斥作用,使2个O—H的键角变小。问题2:根据甲烷、乙烯和乙炔中碳原子的杂化方式分析分子的空间结构与杂化轨道类型有何关系?提示:①当杂化轨道全部用于形成σ键时,分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同;②当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,孤电子对对成键电子对的排斥作用会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。归纳拓展1.常见ABn型分子杂化类型与空间结构的关系如下表。ABn型分子中心原子杂化类型价层电子对数中心原子孤电子对数空间结构实例AB2或(B2A)sp20直线形CO2sp231V形SO2sp342V形H2O、H2S、AB3sp230平面三角形BF3、SO3sp341三角锥形NH3、PCl3、NF3、H3O+AB4sp340四面体形CH4、SiH4、CCl4、CH3Cl2.当杂化轨道全部用于形成σ键时,分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。『题组例练』1.鲍林提出杂化轨道理论能解释分子的空间结构,下列关于粒子的描述正确的是(

)选项粒子空间结构解释ASO2V形硫原子采取sp2杂化BBF3三角锥形硼原子采取sp3杂化CC2H4平面三角形碳原子采取sp2杂化D四面体形氯原子采取sp3杂化√2.下列分子或离子的中心原子为sp3杂化,且杂化轨道容纳了1个孤电子对的是(

)√3.根据杂化轨道理论可以判断分子的空间结构,试根据相关知识填空。(1)AsCl3的空间结构为

,其中As的杂化轨道类型为

。三角锥形sp3解析:(1)AsCl3中As的价层电子对数为4,As采用sp3杂化,AsCl3分子的空间结构为三角锥形。(2)CS2中C的杂化轨道类型为

。

sp(3)CH3COOH中C的轨道杂化类型为

。sp3、sp2解析:(3)CH3COOH的结构式为,分子中甲基上的碳原子采用sp3杂化,羧基中碳原子采用sp2杂化。模型认知判断中心原子杂化轨道类型的常用方法方法一:根据中心原子的价层电子对数判断。中心原子的价层电子对数=σ键数+孤电子对数中心原子价层电子对数234杂化类型spsp2sp3[说明]s、p能级共有4个轨道,全部杂化最多有4个杂化轨道,当计算出价层电子对数超过4时,必然有d轨道参与杂化,且参与杂化的d轨道数=价层电子对数-4。示例价层电子对数孤电子对数杂化类型分子的空间结构PCl550sp3dSF660sp3d2方法二:根据分子的结构式判断。杂化类型sp3sp2spC的成键方式4个单键1个双键和2个单键2个双键或1个三键和1个单键N的成键方式3个单键1个双键和1个单键1个三键[说明]该方法一般用于有机物分子中C、N的杂化类型判断。方法三:根据杂化轨道之间的夹角判断。内容夹角杂化轨道类型不同的杂化方式,其杂化轨道之间的夹角不同,所以可根据杂化轨道间的夹角判断分子或离子中心原子的杂化轨道类型109°28′sp3120°sp2180°sp方法四:根据分子的空间结构判断。分子的空间结构杂化轨道类型四面体形或三角锥形sp3平面三角形sp2直线形sp『知识整合提升』学科素养测评氯吡苯脲是一种常用的膨大剂,其结构简式为,也是一种常用的植物生长调节剂。(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为

。1解析:(1)根据构造原理可知,氯元素基态原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p5,所以未成对电子数为1。(2)氯吡苯脲晶体中,氮原子的杂化轨道类型为

,羰基碳原子的杂化轨道类型为

。

sp2、sp3解析:(2)根据氯吡苯脲的结构简式可知,有2个氮原子均形成3个单键,孤电子对数为1,为sp3杂化,剩余1个氮原子形成1个双键和1个单键,孤电子对数为1,为sp2杂化;羰基碳原子形成2个单键和1个双键,为sp2杂化。sp2(3)查文献可知,可用2-氯-4-氨基吡啶与异氰酸苯酯反应,生成氯吡苯脲:NA反应过程中,每生成1mol氯吡苯脲,断裂

个σ键,断裂

个π键。

NA解析:(3)由于σ键比π键更稳定,根据化学方程式可以看出,断裂的化学键为异氰酸苯酯分子中的NC中的π键和2-氯-4-氨基吡啶分子中的N—H(σ键)。(4)膨大剂能在动物体内代谢,其产物较为复杂,其中有H2O、NH3、CO2等。①请用共价键知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因: