2024高中化学第二章分子结构与性质第二节第2课时杂化轨道理论配合物理论教案新人教版选修3

PAGE10-第2课时杂化轨道理论协作物理论[明确学习目标]1.了解杂化轨道理论及常见的杂化轨道类型(sp，sp2，sp3)，并能依据杂化轨道理论推断简洁分子或离子的构型。2.能说明简洁协作物的成键状况。学生自主学习一、杂化轨道理论简介1．杂化轨道理论杂化轨道理论是一种eq\o(□,\s\up3(01))价键理论，是鲍林为了说明分子的eq\o(□,\s\up3(02))立体构型提出的。(1)轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部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。(2)杂化轨道：原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。2．杂化轨道的类型(1)sp3杂化轨道sp3杂化轨道是由eq\o(□,\s\up3(03))1个s轨道和eq\o(□,\s\up3(04))3个p轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是109°28′，立体构型为eq\o(□,\s\up3(05))正四面体形(如下图所示)。(2)sp2杂化轨道sp2杂化轨道是由eq\o(□,\s\up3(06))1个s轨道和eq\o(□,\s\up3(07))2个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是eq\o(□,\s\up3(08))120°，呈eq\o(□,\s\up3(09))平面三角形(如下图所示)。(3)sp杂化轨道sp杂化轨道是由eq\o(□,\s\up3(10))1个s轨道和eq\o(□,\s\up3(11))1个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是eq\o(□,\s\up3(12))180°，呈eq\o(□,\s\up3(13))直线形(如下图所示)。特殊说明：sp、sp2两种杂化形式中还有未参加杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参加成键的孤电子对。二、协作物理论简介1．配位键在四水合铜离子中，铜离子与水分子之间的化学键是由水分子供应eq\o(□,\s\up3(01))孤电子对赐予铜离子，铜离子接受水分子的孤电子对形成的，这类eq\o(□,\s\up3(02))“电子对赐予­接受键”被称为配位键。2．协作物(1)定义：eq\o(□,\s\up3(03))金属离子(或原子)与某些分子或离子(称为配体)以eq\o(□,\s\up3(04))配位键结合形成的化合物称为配位化合物，简称协作物。(2)协作物的形成举例。1．为什么H2O分子的键角既不是90°也不是109°28′，而是105°？提示：因为H2O分子的中心原子O的价电子排布式为2s22p4，O原子实行sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道。其中两个轨道各有一个未成对电子，与氢原子成键；另两个轨道则各有一对孤电子对，它们未参加成键。孤电子对与成键电子对的排斥作用使O—H键之间的夹角被压缩到105°。所以，水分子呈V形，键角为105°。2．在四水合铜离子中，铜离子与水分子之间的配位键是如何形成的？该配位键如何表示？提示：在四水合铜离子中，铜离子与水分子之间的配位键是由水分子供应孤电子对赐予铜离子，铜离子接受水分子的孤电子对形成的，该离子可表示为课堂互动探究一、推断中心原子杂化轨道类型的方法(1)依据杂化轨道的立体构型推断①若杂化轨道在空间的分布为四面体，则中心原子发生sp3杂化；②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子发生sp2杂化；③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子发生sp杂化。(2)依据杂化轨道之间的夹角推断①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化；②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化；③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。(3)依据中心原子的价层电子对数推断①若价层电子对数为2，则中心原子发生sp杂化；②若价层电子对数为3，则中心原子发生sp2杂化；③若价层电子对数为4，则中心原子发生sp3杂化。[即时练]1．下列关于杂化轨道的叙述中，不正确的是()A．分子的中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不肯定为正四面体结构B．杂化轨道可用于形成σ键、π键或用于容纳未参加成键的孤电子对C．杂化前后的轨道数不变，但轨道的形态发生了变更D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°答案B解析分子的中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不肯定为正四面体结构，可能是三角锥形或V形，如NH3是三角锥形、H2O是V形，故A正确；杂化轨道用来形成σ键或容纳孤电子对，未杂化的轨道可用来形成π键，故B错误；杂化前后原子轨道数目不变，但杂化后轨道形态发生变更，各个轨道尽可能分散、对称分布，故C正确；sp3、sp2、sp杂化轨道夹角分别为109°28′、120°、180°，故D正确。2．通过计算推断下列中心原子的杂化轨道类型(带“·”的原子为中心原子)。答案①4sp3②3sp2③4sp3④4sp3⑤4sp3解析依据杂化轨道数＝中心原子孤对电子数＋中心原子结合的原子数，以及杂化轨道数为2时杂化方式为sp，杂化轨道数为3时杂化方式为sp2，杂化轨道数为4时杂化方式为sp3，可得出正确答案。二、协作物理论简介1．配位键(1)配位键：成键的一方供应孤电子对(配体)，另一方供应空轨道而形成的“电子对赐予­接受键”，叫做配位键。(2)配体：应含有孤电子对，可以是分子，也可以是离子，如NH3、H2O、F－、OH－等。(3)成键条件：形成配位键的一方能够供应孤电子对，另一方具有能够接受孤电子对的空轨道。(4)配位键的表示方法：(5)配位键与一般共价键的异同①配位键实质上是一种特殊的共价键。②配位键与一般共价键只是在形成过程上有所不同。配位键的共用电子对由成键原子单方面供应，一般共价键的共用电子对则由成键原子双方共同供应，但它们的实质是相同的，都是由成键原子双方共用，如配离子③同共价键一样，配位键可以存在于分子之中[如Ni(CO)4]，也可以存在于离子之中(如NHeq\o\al(＋,4))。2．协作物的组成协作物由中心原子或离子(供应空轨道)和配体(供应孤电子对)组成，分为内界和外界，以[Cu(NH3)4]SO4为例表示为3．协作物的形成对性质的影响(1)对溶解性的影响一些难溶于水的金属氢氧化物、氯化物、溴化物、碘化物、氰化物，可以溶解于氨的溶液中，或依次溶解于含过量的OH－、CI－、Br－、I－、CN－的溶液中，形成可溶性的协作物。如Cu(OH)2＋4NH3=[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－。(2)颜色的变更Fe3＋与SCN－形成硫氰化铁配离子，其溶液显红色。(3)稳定性增加协作物具有肯定的稳定性，协作物中的配位键越强，协作物越稳定。当作为中心离子的金属离子相同时，协作物的稳定性与配体的性质有关。例如，血红素中的Fe2＋与CO分子形成的配位键比Fe2＋与O2分子形成的配位键强，因此血红素中的Fe2＋与CO分子结合后，就很难再与O2分子结合，血红素失去输送氧气的功能，从而导致人体CO中毒。[即时练]3．下列不是协作物的是()A．[Cu(NH3)4]SO4·H2OB．[Ag(NH3)2]OHC．KAl(SO4)2·12H2OD．Fe(SCN)3答案C解析A、B、D三项均为协作物，C项为复盐，不是协作物。4．有两种协作物A、B，化学式都是CoCl3·5NH3·H2O，中心离子的配位数都为6。试依据下面的试验结果，确定它们的配离子、中心离子和配位体。(1)A和B的水溶液呈微酸性，向其中加入强碱并加热至沸腾，有NH3放出，同时有Co2O3的沉淀。(2)向A和B的溶液中，加入AgNO3后均有AgCl沉淀。(3)沉淀过滤后，再加AgNO3均无变更，但加热至沸腾，B溶液又有AgCl沉淀生成，其沉淀量为原来B溶液的一半。答案A：[Co(NH3)5·H2O]Cl3，配离子为[Co(NH3)5·H2O]3＋，中心离子为Co3＋，配位体NH3、H2OB：[Co(NH3)5Cl]Cl2·H2O，配离子为[Co(NH3)5Cl]2＋，中心离子为Co3＋，配位体NH3、Cl－。解析依据试验(1)可知：两种物质配离子被破坏而放出NH3。依据(2)可知：Cl－为外界，加AgNO3后有沉淀析出。由(3)可知：A再滴加AgNO3，加热前后无变更，证明Cl－全是外界，而B再滴加AgNO3加热后，沉淀量为原来的一半，证明有2个Cl－在外界，1个Cl－在内界，所以A为[Co(NH3)5·H2O]Cl3，B为[Co(NH3)5Cl]Cl2·H2O。规律方法协作物中外界离子能电离出来，内界离子不能电离出来，通过试验及其数据可以确定内界和外界离子的个数，从而可以确定配离子、中心离子和配位体。学习效果检测1．下列说法正确的是()A．H2SO4分子中三种原子均以杂化轨道成键B．NHeq\o\al(＋,4)的电子式为，该离子呈平面正方形C．CH4分子中的4个C—H键都是由氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道重叠形成的D．CH4分子中碳原子的sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C—H键答案D解析H2SO4分子中H、O原子没有发生轨道杂化，A错误；NHeq\o\al(＋,4)呈正四面体形，B错误；CH4分子中碳原子的2s轨道与2p轨道进行杂化形成4个sp3杂化轨道，然后碳原子的sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道重叠形成C—Hσ键，C错误，D正确。2．以下微粒中不含配位键的是()①NHeq\o\al(＋,4)②CH4③OH－④NH3⑤N2Heq\o\al(＋,5)⑥Fe(SCN)3⑦H3O＋⑧Ag(NH3)2OHA．①②④⑦⑧ B．①④⑥⑦⑧C．③④⑤⑥⑦ D．②③④答案D解析①氨气分子中氮原子含有孤电子对，氢离子供应空轨道，可以形成配位键，NHeq\o\al(＋,4)中含有配位键；②甲烷的电子式为，无空轨道，无孤电子对，CH4中不含配位键；③OH－的电子式为[Heq\o\al(·,·)eq\o(O,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(·,·)]－，无空轨道，OH－中不含配位键；④氨气分子中氮原子含有孤电子对，但没有形成配位键；⑤氢离子供应空轨道，N2H4中的氮原子供应孤电子对，能够形成配位键，故N2Heq\o\al(＋,5)中含有配位键；⑥SCN－的电子式是[eq\o\al(·,·)eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(·,·)C⋮⋮Neq\o\al(·,·)]－，铁离子供应空轨道，硫原子供应孤电子对，Fe(SCN)3中含有配位键；⑦H3O＋中氧原子供应孤电子对，H＋供应空轨道，二者形成配位键，H3O＋中含有配位键；⑧Ag＋有空轨道，NH3中的氮原子有孤电子对，可以形成配位键，Ag(NH3)2OH中含有配位键。3．小明同学上网查阅了如下资料：中心原子杂化类型的推断方法：1公式：n＝中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数±电荷数÷2。说明：配位原子为氧原子或硫原子时，成键电子数看为0；当电荷数为正值时，公式中取“－”号，当电荷数为负值时，公式中取“＋”号。2依据n值推断杂化类型：,当n＝2时为sp杂化；n＝3时为sp2杂化；n＝4时为sp3杂化。请运用该方法计算下列微粒的n值，并推断中心原子的杂化类型。(1)NH3：n＝________，________杂化。(2)NOeq\o\al(－,3)：n＝________，________杂化。(3)NHeq\o\al(＋,4)：n＝________，________杂化。(4)SO2：n＝________，________杂化。答案(1)4sp3(2)3sp2(3)4sp3(4)3sp2解析(1)NH3中n＝eq\f(5＋3,2)＝4，N为sp3杂化。(2)NOeq\o\al(－,3)中n＝eq\f(5＋0＋1,2)＝3，N为sp2杂化。(3)NHeq\o\al(＋,4)中n＝eq\f(5＋4－1,2)＝4，N为sp3杂化。(4)SO2中n＝eq\f(6＋0,2)＝3，S为sp2杂化。4．配位化学创始人维尔纳发觉，取CoCl3·6NH3(黄色)、CoCl3·5NH3(紫红色)、CoCl3·4NH3(绿色)和CoCl3·4NH3(紫色)四种化合物各1mol分别溶于水，加入足量硝酸银溶液，生成氯化银沉淀的物质的量分别为3mol、2mol、1mol和1mol。(1)请依据试验事好用协作物的形式写出它们的化学式。CoCl3·6NH3________________，CoCl3·5NH3________________，CoCl3·4NH3(绿色和紫色)________________。(2)后两种物质的组成相同而颜色不同的缘由是____________________。(3)上述协作物中，中心离子的配位数都是________。答案(1)[Co(NH3)6]Cl3[Co(NH3)5Cl]Cl2[Co(NH3)4Cl2]Cl(2)空间构型不同(3)6解析(1)1molCoCl3·6NH3与AgNO3反应只生成3molAgCl，则1molCoCl3·6NH3中有3molCl－为外界离子，钴的配位数为6，配体为NH3，所以其化学式为[Co(NH3)6]Cl3；1molCoCl3·5NH3与AgNO3反应只生成2molAgCl，则1molCoCl3·5NH3中有2molCl－为外界离子，钴的配位数为6，配体为NH3和Cl－，所以其化学式为[Co(NH3)5Cl]Cl2；