2.2.3杂化轨道理论 课件 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修2

第二节 分子的空间结构 第3课时 杂化轨道理论 核心素养目标 1. 宏观辨识与微观探析 通过对常见分子（如甲烷、乙烯、乙炔等）空间构型和化学键特征的观察与分析，从微 观角度理解杂化轨道的形成过程及其对分子空间构型的影响，能运用杂化轨道理论解释 分子的空间结构和性质，建立宏观现象与微观结构之间的联系。 2. 证据推理与模型认知 根据原子的价电子构型、成键数目及分子的空间构型等证据，推理出不同类型的杂化轨 道，构建杂化轨道理论模型，并能运用该模型预测和解释未知分子的结构和性质，培养 逻辑思维和科学探究能力 3. 科学态度与社会责任 了解杂化轨道理论在化学领域中的重要应用，认识到化学理论对现代化学发展和人类社 会进步的重要推动作用，激发学生对化学科学的兴趣和责任感，培养严谨、实事求是的 科学态度 视频引入：杂化轨道理论 问题的提出：甲烷分子呈正四面体形，它的4个C-H的键长相同，H-C-H的键角为109°28′。根据价键理论，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，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体形的甲烷分子。 如何解决这一矛盾？ 为了解决这一矛盾，1931年由鲍林等人在价键理论的基础上提出杂化轨道理论，它实质上仍属于现代价键理论，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。 莱纳斯·卡尔·鲍林 （1901年2月28日－1994年8月19日） 美国著名化学家，两获诺贝尔奖 杂化轨道理论 ———解释分子的立体构型 价层电子 激发重组 轨道杂化 杂化成键 观看视频：尝试解释CH4的空间结构 碳原子1个2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，却得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的4个顶角，夹角109°28'，称为sp3杂化轨道，表示这4个轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。 sp3杂化轨道 ↑ ↓ ↑ ↑ 激发 ↑ ↑ ↑ ↑ 激发态 杂化 ↑ ↑ ↑ ↑ 甲烷分子结构的解释 x y z x y z z x y z x y z 109°28′ 激发 杂化 2s 2p 基态C 2s 2p 激发态 sp3 杂化 C价层电子排布 形成CH4时，基态C原子有1个电子从2s轨道激发到2p的1个空轨道上去，形成激发态，这样就有4个未成对电子，同时1个2s轨道和3个2p轨道进行杂化，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，当碳原子与四个氢原子结合时，四个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。因此CH4分子呈正四面体形的空间结构 109°28′ 一、杂化轨道理论 ———解释分子的立体构型 1、杂化轨道的概念 在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道间通过 相互的混杂后，形成轨道总数不变的几个能量与形状都相同的新轨道。 2、原子轨道的杂化 (1)在形成分子（化学键）时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组能量相同、方向不同的新轨道的过程。 (2)原子轨道组合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。 杂化的条件 3、杂化轨道理论要点 (1)只有在形成化学键时能量相近的原子轨道才能杂化； (2)杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数； (3)杂化改变了原有原子轨道的形状、伸展方向，使原子的成键能力增强； (4)杂化轨道间的夹角分布最大化,以使排斥力最小。 注意： （1）发生轨道杂化的原子一定是中心原子。 （2）原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的。 （3）只有能量相近的轨道形成化学键时才能杂化。 （4）杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键。 (5)杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 x y z x y z z x y z x y z 109°28′ sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而得。sp3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间正四面体形(如CH4、CF4、CCl4)。 4、杂化轨道的类型 （1）sp3杂化 思考与讨论1：解释NH3分子的空间结构为三角锥形 N原子的3个sp3杂化轨道与3个氢原子的1s原子轨道重叠形成3个N-H σ键，剩余的1个sp3杂化轨道中占有孤电子对。 孤电子对对成键电子对的排斥能力较强，故键角小于109°28′，为107°。 2s 2p sp3 sp3杂化 N ：2s22p3 思考与讨论2：解释H2O分子的空间结构为V形 O原子的2个sp3杂化轨道与2个氢原子的1s原子轨道重叠形成2个O-H σ键，其余的2个sp3杂化轨道中分别占有一对孤电子对。 孤电子对对成键电子对的排斥能力较强，水分子中有两个2个sp3杂化轨道中占有孤电子对，故键角为105°。 2s 2p sp3 sp3杂化 O ：2s22p4 x y z z x y z x y z x y z 120° sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而得。sp2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形(如BF3)。 未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 （2）sp2杂化 BF3 2s 2p ↑↓ ↑ B sp2杂化轨道 ↑ ↑ ↑ 2s 2p ↑ ↑ ↑ B 未杂化轨道 σ σ σ 120° F原子的2p轨道 头碰头 σ键 肩并肩 肩并肩 σ键 π键 H H H H CH2=CH2 思考与讨论3： 如何用杂化轨道理论解释CH2=CH2的空间结构呢？ 乙烯中sp2杂化C原子成键过程动画 x y z x y z z x y z x y z 120° （3）sp杂化 sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而得。sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形(如BeCl2)。 Be：1s22s2 sp sp杂化 BeCl2 180° Cl Cl Be Cl Cl sp px px 头碰头 σ键 肩并肩 肩并肩 σ键 H H π键 π键 思考与讨论4： 如何用杂化轨道理论解释 CH ≡ CH的空间结构呢？ 乙炔中sp3杂化C原子成键过程动画 思考与讨论5：VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型有何关系呢？ 如何判断杂化类型？ 杂化轨道数目=价层电子对数=σ键电子对数+孤电子对数 杂化轨道数目 2 3 4 5 6 杂化类型 sp sp2 sp3 sp3d sp3d2 1、根据杂化轨道数目判断 二、中心原子杂化轨道类型的判断 ———四种方法 分子 σ键电子对 孤电子对 价层电子对 VSEPR模型 空间结构 杂化类型 CH4 4 0 4 四面体形 四面体形 NH3 3 1 4 四面体形 三角锥形 H2O 2 2 4 四面体形 V形 BF3 3 0 3 平面三角形 平面三角形 BeCl2 2 0 2 直线形 直线形 总结归纳 sp3 sp3 sp3 sp2 sp 2、根据分子的空间结构判断 空间结构 正四面体形、三角锥形 平面三角形4 直线形 杂化类型 sp3 sp2 sp 注意：空间结构为V形的杂化类型 sp3或 sp2 3、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的中心原子的杂化轨道类型 109°28′ sp3 120° sp2 180° sp 4、碳原子杂化类型的判断 成键类型 C—C C=C C≡C 杂化类型 sp3 sp2 sp 注：N与O等其它原子类似 思考与讨论6：确定BF3 和 H3O+ 的中心原子的杂化轨道类型，并与同学讨论。 提示　BF3、H3O+的价层电子对数分别为3、4，空间结构分别为平面正三角形、三角锥形，杂化类型分别为sp2杂化、sp3杂化，BF3中的B原子的sp2杂化轨道与F原子的2p轨道重叠成键，H3O+中O原子的sp杂化轨道与H原子的1s轨道重叠成键。 知识拓展 影响键角的因素 1.中心原子的杂化轨道类型 中心原子杂化轨道类型不同的粒子，键角大小为sp杂化 ＞ sp2杂化 ＞ sp3杂化，如键角：CH≡CH ＞ CH2=CH2 ＞ CH4。 2.中心原子孤电子对数 中心原子杂化方式相同的粒子，由于斥力：孤电子对与孤电子对之间 ＞ 孤电子对与成键电子对之间 ＞ 成键电子对与成键电子对之间，孤电子对数越多，对成键电子对的斥力越大，键角越小，如键角：CH4 ＞ NH3 ＞ H2O 3.中心原子电负性大小 中心原子杂化方式相同且孤电子对数目也相同，利用中心原子的电负性大小比较键角大小，如H2O和H2S，中心原子均为sp3杂化，分子空间结构均为V形，由于电负性O＞S，吸引电子的能力：O＞S，且键长： O-H<S-H，使得H2S中成键电子对间的斥力减弱，键角减小，即键角：H2O(105°)＞H2S(92.1°)。 [课堂练习1]以下有关杂化轨道的说法中正确的是(　　) A．sp3 杂化轨道中轨道数为 4，且 4 个杂化轨道能量相同 B．杂化轨道既能形成σ键，也能形成π键 C．杂化轨道不能容纳孤电子对 D．sp2杂化轨道最多可形成 2 个σ键 [课堂练习2]下列分子中的中心原子采取sp2杂化的是(　　) ①C2H2　②C2H4　③C3H8　④CO2 ⑤BeCl2　⑥SO3　⑦BF3 A．①⑥⑦　　 B．③⑤⑦ C． ② ⑥⑦ D．③⑤⑥ A C [课堂练习3]计算下列各微粒中心原子的杂化轨道数(价层电子对数)，判断中心原子的杂化轨道类型，写出VSEPR模型名称。 (1)CS2_______、_______、____________； (2)NH3_______、_______、____________； (3)H2O_______、_______、____________； (4)PCl3_______、_______、____________； (5)BCl3_______、_______、____________； 2 sp 直线形 4 sp3 正四面体形 4 sp3 正四面体形 4 sp3 正四面体形 3 sp2 平面三角形 [课堂练习4]按要求回答下列问题： (1)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型是　　　 　。  (2)醛基中碳原子的杂化轨道类型是　　　。  (3)化合物 中阳离子的空间结构为　　　　 ，阴离 子的中心原子采取　　　杂化。  (4)X的单质与氢气可化合生成气体G，G的水溶液的pH>7。G分子中X原子的杂化轨道类型是　　 。  sp3、sp2 sp2 三角锥形 sp3 sp3 [课堂练习5]三溴化砷(AsBr3)常应用于医药和化学分析领域。下列说法正确的是( ) A．该分子含s-p σ共价键 B．中心原子采取sp3杂化 C．键角等于120° D．空间结构为平面三角形 B [课堂练习6]化合物A是近年来采用的锅炉水添加剂，其结构简式如图，A能除去锅炉水中溶解的氧气，下列对A分子说法正确的是 （ ）     A．所有原子都在同一平面内 B．所含的σ键与π键个数之比为10∶1 C．C的杂化方式均为sp2杂化 D．N的化合价均为-3价 C Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 $$