2.2.2 杂化轨道理论简介（课件PPT）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中化学选择性必修2（人教版2019）

分子结构与性质 第二章 第二节　分子的空间结构 第2课时　杂化轨道理论简介 返回目录 化学 选择性必修2 　 课前·教材预案 课堂·深度拓展 课末·随堂演练 课时作业(八) 课前·教材预案 知识点1　杂化轨道理论 相同 109°28′ σ键 返回目录 化学 选择性必修2 　 相互垂直 球形的 正四面体 返回目录 化学 选择性必修2 　 2s 3 2p 4 能量相同 方向不同 sp3 1 3 sp3 σ 返回目录 化学 选择性必修2 　 知识点2　杂化轨道类型及分子立体构型 2 3 4 180° 120° 109°28′ 返回目录 化学 选择性必修2 　 直线形 平面三角形 正四面体形 返回目录 化学 选择性必修2 　 √ × √ × × 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 课堂·深度拓展 探究点1　杂化轨道理论 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 探究点2　杂化类型及分子空间结构的判断 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 课末·随堂演练 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 返回目录 化学 选择性必修2 　 制 作 者：状元桥 适用对象：高中学生 制作软件：Powerpoint2010、 Photoshop cs3 运行环境：WindowsXP以上操作系统 目标导航 [知识导图] [课程标准] 1.知道杂化轨道理论的基本内容，能判断共价分子或离子中原子的杂化类型。 2．能根据杂化轨道理论解释和预测简单分子的空间结构。 1．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成——sp3杂化型 (1)甲烷分子的空间结构：正四面体形，分子中的4个C—H键的键长________，H—C—H的键角为_________________，4个C—H单键都是______。 (2)中心碳原子价电子构型：2s22p2 碳原子的4个价层原子轨道是3个____________的2p轨道和1个__________2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到____________形的甲烷分子。 (3)鲍林提出杂化轨道理论 ①当碳原子与4个氢原子形成CH4分子时，碳原子的__________轨道和______个________轨道发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，得到______个新的____________、____________的轨道，称为__________杂化轨道。表示这4个轨道是由______个s轨道和______个p轨道杂化形成的。 ②当碳原子与4个氢原子结合时，碳原子以4个__________杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠，形成4个C—H______键，因此呈正四面体形的空间结构。 杂化类型 sp sp2 sp3 参与杂化 的原子轨 道及数目 1个s轨道 和1个p 轨道 1个s轨道 和2个p 轨道 1个s轨道 和3个p 轨道 杂化轨道 的数目 eq \x(\s\up1(18))______ eq \x(\s\up1(19))______ eq \x(\s\up1(20))______ 杂化轨道 间的夹角 eq \x(\s\up1(21))_________ eq \x(\s\up1(22))________ eq \x(\s\up1(23))___________ 杂化类型 sp sp2 sp3 立体构 型名称 __________ _____________ _____________ 实例 CO2、C2H2 BF3、CH2O CH4、CCl4 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。(　 　) (2)五原子分子的立体结构都是正四面体形。(　 　) (3)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同，但能量不同。(　 　) (4)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其立体构型都是正四面体形。(　 　) (5)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。(　 　) 名师提醒 (1)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同，中心原子杂化类型相同时，孤电子对数越多，键角越小。 (2)五原子分子不一定都是正四面体形。如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等，虽是四面体形，但键长、键角不完全相同，是变形的四面体结构。 (3)杂化类型相同的分子空间构型不一定相同，如CH4、NH3、H2O的中心原子都是sp3杂化，CH4是正四面体形，NH3是三角锥形，H2O是V形。 (4)中心原子的杂化轨道类型与分子的成键电子对数和孤电子对数有关。分子组成相同的共价化合物，中心原子的杂化轨道类型不一定相同，如NH3的中心原子是sp3杂化，BF3的中心原子是sp2杂化。 1．结合教材，分析原子轨道杂化后，数量和能量有什么变化？ 2．2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道？ 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，各杂化轨道能量相同。 不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道。2s与3p不在同一能级，能量相差较大。 1．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。杂化轨道数＝价层电子对数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数。 (6)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 2．根据杂化轨道数判断杂化类型 ABn型 中心原子 价层电子 对数 中心原子 孤电子 对数 中心原子 结合的原 子数 杂化 轨道 类型 示例 AB2 2 0 2 sp BeCl2、CO2 3 1 2 sp2 SO2 4 2 2 sp3 H2O、H2S ABn型 中心原子 价层电子 对数 中心原子 孤电子 对数 中心原子 结合的原 子数 杂化 轨道 类型 示例 AB3 3 0 3 sp2 BF3、SO3、 CH2O 4 1 3 sp3 NH3、PCl3 AB4 4 0 4 sp3 CH4、CCl4 【例题1】 在分子中，羰基碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为(　　) A．sp2杂化；sp2杂化 B.sp3杂化；sp3杂化 C．sp2杂化；sp3杂化 D.sp杂化；sp3杂化 思维导引：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，采取sp3杂化，如CH4、CCl4等；②形成一个π键，采取sp2杂化，如CH2===CH2等；③形成两个π键，采取sp杂化，如乙炔、CO2等。 答案　C 解析　羰基上的碳原子共形成3个σ键，为sp2杂化，两侧甲基上的碳原子共形成4个σ键，为sp3杂化。 【变式1】下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是(　　) A．CO2与SO2 B.CH4与NH3 C．BeCl2与BF3 D.C2H4与C2H2 答案　B 解析　中心原子杂化轨道数＝中心原子价层电子对数＝(中心原子的价电子数＋配位原子提供的价电子数) 实例 价层电子对数 杂化轨道类型 BeCl2 n＝×(2＋2)＝2 sp BF3 n＝×(3＋3)＝3 sp2 CO2 n＝×(4＋0)＝2 sp SO2 n＝×(6＋0)＝3 sp2 实例 价层电子对数 杂化轨道类型 CH4 n＝×(4＋4)＝4 sp3 NH3 n＝×(5＋3)＝4 sp3 C2H2和C2H4中每个碳原子连接的原子个数分别为2、3个，每个C原子分别形成2个σ键、2个π键和3个σ键、1个π键，C原子杂化类型分别为sp杂化、sp2杂化。 3．CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法？ CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子的孤电子对数依次为0个、1个、2个。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。比较键角时，先看中心原子杂化类型，杂化类型不同时：一般键角按sp、sp2、sp3顺序依次减小；杂化类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。 1．分子空间结构与杂化类型的关系 (1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。 sp杂化：直线形；sp2杂化：平面三角形；sp3杂化：正四面体形(或四面体形)。 (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，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。 杂化轨道类型 VSEPR模型 典型分子 空间结构 sp CO2 直线形 sp2 SO2 V形 sp3 H2O V形 杂化轨道类型 VSEPR模型 典型分子 空间结构 sp2 SO3 平面三角形 sp3 NH3 三角锥形 sp3 CH4 正四面体形 2.判断中心原子杂化轨道类型的方法 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 2 3 4 5 6 杂化类型 sp sp2 sp3 sp3d sp3d2 特别提示：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。 方法二：根据分子的结构式判断 杂化类型 sp3 sp2 sp C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 特别提示：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′ sp3 120° sp2 180° 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 【例题2】 指出下列原子的杂化轨道类型及分子的结构式、立体构型。 (1)CS2分子中的C为________杂化，分子的结构式____________，立体构型____________。 (2)CH2O分子中的C为________杂化，分子的结构式____________，立体构型____________。 (3)CCl4分子中的C为________杂化，分子的结构式____________，立体构型____________。 (4)H2S分子中的S为________杂化，分子的结构式____________，立体构型____________。 思维导引：从中心原子的价层电子对数目判断中心原子的杂化类型，再结合形成σ键的数目，判断分子的空间构型。 解析　根据中心原子的价层电子对数判断中心原子的杂化类型，杂化轨道类型及分子中的σ键数目决定了分子的立体构型，如sp2杂化轨道的夹角为120°，立体构型为平面三角形(或V形)。也可根据分子的立体构型确定分子(或离子)中杂化轨道的类型，如CO2为直线形分子，因此分子中杂化轨道类型为sp杂化。 答案　(1)sp　S＝C＝S　直线形 (2)sp2　　平面三角形 (3)sp3　　正四面体形 (4)sp3　　V形 【变式2】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分子的空间结构为______________，其中As的杂化轨道类型为________。 (2)CO中C原子的杂化轨道类型是____________。 (3)CH3COOH中C原子轨道杂化类型为____________。 解析　(1)AsCl3中As元素价层电子对数为4，As的杂化方式为sp3，其中孤电子对数为1，则AsCl3分子的空间结构为三角锥形。(2)CO中心原子价层电子对数为3＋(4＋2－3×2)＝3，中心原子为sp2杂化。(3)CH3COOH的结构式为，分子中甲基上的碳原子采用sp3杂化，羧基上的碳原子采用sp2杂化。 答案　(1)三角锥形　sp3　(2)sp2 (3)sp3、sp2 1．(杂化轨道理论)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 答案　D 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，A、B项正确；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，C项正确；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)，D项错误。 2．(原子轨道的杂化)能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为(　　) 答案　D 解析　碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，4个价电子分占在4个sp3杂化轨道上，且自旋状态相同。 3．(杂化轨道类型的判断)碳原子的杂化轨道中s成分的含量越多，则该碳原子形成的C—H键键长会短一些。下列化合物中，编号所指三根C—H键的键长正确的顺序是(　　) A．①＞②＞③ B.①＞③＞② C．②＞③＞① D.②＞①＞③ 答案　D 解析　由图中C原子的空间构型可知：①号C原子采用sp2杂化，②号C原子采用sp3杂化，③号C原子采用sp杂化。碳原子的杂化轨道中s成分的含量越多，即p成分越少，该碳原子的形成的C—H键键长越短，而sp杂化时p成分少，碳原子的形成的C—H键键长短，sp3杂化时p成分多，碳原子的形成的C—H键键长长，所以编号所指三根C—H键的键长正确顺序为②＞①＞③，故选D项。 4．(杂化轨道类型与分子空间结构的关系)下表中关于各微粒的描述完全正确的一项是(　　) 选项 A B C D 分子或离子的 化学式 H2F＋ PCl3 NO BH 中心原子的杂 化轨道类型 sp sp3 sp2 sp3 VSEPR 模型名称 直线形 四面 体形 平面三 角形 正四面 体形 分子或离子的 空间结构 直线形 正四面 体形 V形 三角 锥形 A.A B.B C.C D.D 答案　C 解析　H2F＋离子中氟原子的价层电子对数为4，则离子的VSEPR模型为四面体形，A项错误；三氯化磷分子中磷原子的价层电子对数为4，孤对电子对数为1，则分子的VSEPR模型为四面体形、分子的空间构型为三角锥形，B项错误；亚硝酸根离子中氮原子的价层电子对数为3，孤对电子对数为1，则原子的杂化方式为sp2杂化，离子的VSEPR模型为平面三角形、分子的空间构型为V形，C项正确；四氢合硼离子中硼原子的价层电子对数为4，孤对电子对数为0，则离子的空间构型为正四面体形，D项错误。 5．(杂化轨道类型与分子空间结构的关系)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，则ClO－的空间结构是____________；ClO的空间结构是____________；ClO的空间结构是____________；ClO的空间结构是____________。 解析　ClO－的组成决定其空间结构为直线形。其他3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化，从离子的组成上看其空间结构依次类似于H2O、NH3、CH4。 答案　直线形　V形　三角锥形　正四面体形 $$