第2章第2节 分子的空间结构（第2课时 杂化轨道理论）-2021-2022学年高二化学同步精品学案（人教版2019选择性必修2）

《2021-2022学年高二化学同步精品学案（新人教版选择性必修2）》 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 一、杂化轨道理论简介 【价层电子对理论的困惑】 根据价层电子对理论：甲烷呈正四面体形，它的4个C—H键的键能、键长相同，H—C—H的键角109°28′，甲烷的4个C- H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，有两个主要矛盾是： （1）基态C原子的价电子排布图 ，根据原子轨道理论，C原子的可用于成键的单电子只有2个，应该与2个原子结合形成CH2，且两条C—H键的夹角应该为90°，为何与4个原子形成CH4分子？ （2）即使用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，也不可能得到正四面体形的甲烷分子。 1．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。 在形成CH4分子时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，形成4个能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的四个顶角，夹角为109°28′，称为sp3杂化轨道。表示这4个轨道是由与1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。C原子以4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠，形成4个C—Hσ键，4个C—H键是等同的，且呈正四面体形的空间结构。 2．杂化轨道理论要点： （1）原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。 （2）杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图，成键能力增强。成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。 （3）杂化前后原子轨道数目不变（参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目），且杂化轨道的能量相同。 （4）杂化轨道用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。杂化轨道数=价层电子对数=中心原子上的孤电子对数+与中心原子结合的原子数。 （5）为使相互间的排斥最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布，决定了分子的空间结构。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 （6）原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不发生杂化。 3．杂化轨道的类型 （1）sp3杂化轨道 sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有s和p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。以CH4分子的形成为例，如下图所示。 （2）sp2杂化轨道 sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有s和p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，空间结构为平面三角形。以BF3分子的形成为例，如下图所示。 （3）sp杂化 sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有s和p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，空间结构为直线形。以BeCl2分子的形成为例，如下图所示。 【拓展延伸】 成键电子对数 孤电子对数 价电子对数 杂化类型 空间构型 NH3 sp3 三角锥形 NH sp3 正四面体形 H2O sp3 V形 H3O+ sp3 三角锥形 SO3 sp2 平面三角形 SO sp3 三角锥形 【思维拓展】试用杂化轨理论解释乙烯、乙炔的分子构型和成键情况 结构式 成键情况 中心原子杂化方式 分子构型 C2H4 sp2 平面形 C2H2 H—C≡C—H sp 直线形 【预习检验】 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) （1）杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同，但能量不同( √ ) （2）凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体形( × ) (×) （3）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( √ ) （4）只要分子构型为平面三角形，中心原子均为sp2杂化( √ ) （5）CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合起来而形成的( × ) 2．下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是(　　) A　　　B　　　 　C　　 　　D 【答案】D　 〔解析〕A项，杂化轨道的空间结构为直线形，夹角为180°，共有2个杂化轨道，为sp杂化，错误；B项，未形成杂化轨道，错误；C项，杂化轨道的空间结构为正四面体形，共有4个杂化轨道，为sp3杂化，错