第2章 第2节 第1课时 分子空间结构的理论分析（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修2（鲁科版2019）

第2节　共价键与分子的空间结构 第1课时　分子空间结构的理论分析 课程内容标准 结合实例了解共价分子具有特定的空间结构，并可运用杂化轨道理论和模型进行解释和预测。 一、杂化轨道理论 1．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成 在形成CH4分子时，碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生混杂，形成四个能量相等的sp3杂化轨道。四个sp3杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子，所以四个C—H键是等同的。 碳原子的sp3杂化可表示如下： 2．轨道杂化与杂化轨道 3．杂化轨道类型及其空间构型 (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′，立体构型为正四面体形(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°，呈平面三角形。 (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°，呈直线形。 [提醒]　sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的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与成键的孤电子对 4．苯分子的空间构型与大π键 (1)根据杂化轨道理论，形成苯分子时每个碳原子中一个2s轨道和两个2p轨道都发生了sp2杂化(如2s、2px、2py杂化)，由此形成的三个sp2杂化轨道在同一平面内，还有一个未参与杂化的2p轨道(如2pz)垂直于这个平面。 (2)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1s电子配对形成 σ键。 (3)6个碳原子上各有1个未参与杂化的垂直于碳环平面的p轨道，这6个轨道以“肩并肩”的方式形成含有6个电子、属于6个C原子的大π键。 5．氮原子的杂化 (1)在形成氨分子时，氮原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生sp3杂化，生成四个sp3杂化轨道。有三个sp3杂化轨道分别与氢原子的1s电子形成一个σ键，还有一个sp3杂化轨道中已有两个电子(孤电子对)不能再与氢原子形成σ键。因此一个氮原子与三个氢原子结合形成氨分子。 (2)氨气分子中氮原子发生sp3杂化，所以四个sp3杂化轨道在空间的分布呈四面体形。又因为四个sp3杂化轨道中的一个轨道已有一对电子，另有三个轨道中的未成对电子可以与氢原子的1s电子配对成键，所以形成的氨分子的空间结构与甲烷分子的空间结构不同，呈三角锥形。如下图所示： 二、价电子对互斥理论 1．基本观点 (1)分子中的中心原子的价电子对——成键电子对和孤电子对由于相互排斥作用，处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离。 (2)两个原子间的成键电子不论是单键还是多重键，都看作一个空间取向；一个孤电子对可看作一个空间取向。 2．孤电子对的计算方法 中心原子上的孤电子对数，可以通过写出该分子或离子的电子式来确定，也可以利用如下公式来计算： 孤电子对数＝。 例如：H2O中的中心原子为氧原子，其价电子数为6，氢原子的未成对电子数为1，可知：氧原子上的孤电子对数＝＝2。 3．利用价电子对互斥理论预测分子的空间结构 (1)若n个价电子对全部是成单键的电子对且没有孤电子对，为使价电子对之间的斥力最小，价电子对应尽量远离。因此，当n＝2、3、4、5、6时，分子的空间结构分别为直线形、三角形、四面体形、三角双锥形和八面体形。 (2)复杂分子空间结构的预测 ①乙醇分子中，羟基上的氧原子有两对成键电子对和两对孤电子对，价电子对共有四个空间取向；氧原子价电子对相互排斥而远离，呈四面体形，因此C—O—H呈角形。 ②乙酸分子中，羟基上的碳原子的价电子对均为成键电子对，C===O上的成键电子对仅有一个空间取向，因此碳原子的价电子对共有三个空间取向，相互排斥而远离，因此部分呈三角形。 1．巧判断(对的打“√”，错的打“×”) (1)任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道。(×) (2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。(√) (3)凡通过sp3杂化形成的分子，其立体构型一定为正四面体形。(×) (4)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同，但能量不同。(√) (5)杂化轨道中一定有一个电子。(×) (6)两种分子的杂化方式一样，但是分子构型却不一定相同。(√) (7)凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键。(×) 2．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 D　[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。] 3．ClO－、ClO、ClO、ClO中，中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键的，则ClO－的立体构型是________；ClO的立体构型是________；ClO的立体构型是__________；ClO的立体构型是______________。 解析　ClO－的组成决定其立体构型为直线形。其他 3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化，中心原子的孤电子对数分别为2、1、0，由此判断其立体构型依次类似于H2O、NH3、CH4(或NH)。 答案　直线形　V形(或角形)　三角锥形　正四面体形 学习任务　探究分子空间构型与杂化轨道类型的关系 下图是描述乙烯分子和乙炔分子中化学键情况。 1．分析乙烯中C的杂化方式，总结原子轨道杂化后，数量和能量有什么变化？ 提示　乙烯中C的杂化方式为sp2杂化，杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同，但能量不同。s轨道与p轨道的能量不同，杂化后，形成的一组杂化轨道能量相同。 2．分析乙炔中C的杂化方式，根据乙烯、乙炔分析杂化类型与分子空间构型有什么关系？ 提示　乙炔中C的杂化方式为sp杂化。(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的立体构型与杂化轨道的立体构型相同。(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立体构型与杂化轨道的形状有所不同。 1．中心原子轨道杂化类型的判断 (1)利用价层电子对互斥理论、杂化轨道理论判断分子构型的思路： 价层电子对杂化轨道数杂化类型杂化轨道构型。 (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)有机物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。 2．分子的空间构型与杂化类型的关系 (1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的立体构型与杂化轨道的立体构型相同。 杂化类型 sp sp2 sp3 轨道夹角 180° 120° 109°28′ 杂化轨道示意图 实例 BeCl2 BF3 CH4 分子结构示意图 分子立体构型 直线形 平面三角形 正四面体形 (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立体构型与杂化轨道的形状有所不同。 ABn型分子 中心原子杂化类型 中心原子孤电子对数 立体构型 实例 AB2 sp2 1 V形 SO2 AB3 sp3 1 三角锥形 NH3、PCl3、 NF3、H3O＋ AB2或(B2A) 2 V形 H2S、NH 1．有机物H3CH===H—≡CH中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为(　　) A．sp、sp2、sp3　　　 B．sp3、sp2、sp C．sp2、sp、sp3 D．sp3、sp、sp2 B　[根据价层电子对互斥理论可判断C原子的杂化方式，价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数。若价层电子对数是4，则C原子采取sp3杂化；若价层电子对数是3，则C原子采取sp2杂化；若价层电子对数是2，则C原子采取sp杂化。甲基上C原子有4对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp3杂化；碳碳双键两端的2个C原子均有3对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp2杂化；碳碳三键两端的2个C原子均有2对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp杂化。] 2．(双选)下表中各粒子对应的立体结构及杂化方式均正确的是(　　) 选项 粒子 立体结构 杂化方式 A SO3 平面三角形 S原子采取sp2杂化 B SO2 V形 S原子采取sp3杂化 C CO 三角锥形 C原子采取sp2杂化 D C2H2 直线形 C原子采取sp杂化 AD　[SO3分子中硫原子的价层电子对数＝3＋×(6－3×2)＝3，不含孤电子对，采取sp2杂化，立体结构为平面三角形，A项正确；SO2分子中硫原子的价层电子对数＝2＋×(6－2×2)＝3，含1对孤电子对，采取sp2杂化，立体结构为V形，B项错误；CO中碳原子价层电子对数＝3＋×(4＋2－3×2)＝3，不含孤电子对，采取sp2杂化，立体结构为平面三角形，C项错误；乙炔(CH≡CH)分子中每个碳原子均形成2个σ键和2个π键，价层电子对数是2，为sp杂化，立体结构为直线形，D项正确。] [归纳总结]　杂化轨道理论要点 (1)只有能量相近的原子轨道才能杂化。 (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)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 必修课程中我们学习了苯的结构和性质，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： 苯分子中的大π键 (1)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C原子的杂化方式及成键情况。 提示　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1s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)哪些实验事实能够说明苯中的π键比乙烯中的π键键能大，化学反应中更难被破坏？ 提示　乙烯能使酸性KMnO4溶液褪色或使溴的四氯化碳溶液褪色，而苯与酸性KMnO4溶液、溴的四氯化碳溶液不反应，不能使之褪色，说明苯中的π键键能更大，更稳定。 　(1)将杂化轨道理论与价层电子对互斥理论相结合，解释分子或离子的空间构型。 (2)能利用不同方法判断杂化轨道类型。 学科网（北京）股份有限公司 $$