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

第二章 分子结构与性质 第二节　分子的空间结构 3、杂化轨道理论简介 知识回顾： 甲烷分子的空间结构呈___________，它的4个C-H键都是___键，键长_____，键角皆为_______。 正四面体形 相等 109°28′ σ 碳原子的价层电子的轨道表示式为：________________。 ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p 思考： ①碳原子只有两个未成对电子，为什么能形成4个C-H键？ ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p ↑ ↑ ↑ ↑ 2s 2p 跃迁 2 一、杂化轨道理论 ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p ↑ ↑ ↑ ↑ 2s 2p 跃迁 1.杂化轨道理论 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叫做原子轨道的杂化。 重新组合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。 以甲烷分子中的C原子为例： 杂化 ↑ ↑ ↑ ↑ sp3 任务一 认识杂化轨道及类型 3 甲烷分子中，C原子的1个2s轨道与3个2p轨道混杂并重新组合，形成4个能量与形状完全相同的轨道，称为 sp3杂化轨道。 任务一 认识杂化轨道及类型 问题1：试着解释C原子与H原子形成甲烷的过程？ 2s 2p 基态 跃迁 2p 2s 杂化 sp3 4个 sp3 杂化轨道 为了四个杂化轨道在空间尽可能远离，使轨道间的排斥最小，4个杂化轨道的夹角为109°28′。 4 问题1：试着解释C原子与H原子形成甲烷的过程？ 甲烷分子中碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个s-sp3 σ键，呈正四面体形。 任务一 认识杂化轨道及类型 一、杂化轨道理论 1.杂化轨道理论 价层电子 空轨道 激发 杂化轨道 轨道重新组合 成对电子 中的一个 与激发电子临近 能量相近的原子轨道 吸收能量 轨道总数目不变，角度和形状发生变化，成键时释放能量较多，轨道重叠程度更大，生成的分子更稳定 任务一 认识杂化轨道及类型 6 一、杂化轨道理论 2.杂化的条件 ②只有能量相近的轨道间才能杂化，常是同一能级或相近能级的原子轨道。 ①只有在形成化学键时才能杂化，单独的原子不会发生杂化。 任务一 认识杂化轨道及类型 7 x y z x y z z x y z x y z sp3杂化 像CH4分子中的C原子一样，1个s轨道和3个p轨道杂化而得到4个sp3杂化轨道。 ①sp3杂化 3.杂化类型 2s 2p sp3 8 一、杂化轨道理论 3.杂化类型 ①sp3杂化 sp3 sp3 sp3 sp3 109°28′ sp3杂化轨道间的夹角是109°28′，空间结构为正四面体形。 任务一 认识杂化轨道及类型 9 3.杂化类型 ①sp3杂化 sp3杂化轨道特征： ①1个ns 轨道与3个np 轨道进行的杂化,形成4个sp3 杂化轨道。 ②每个sp3杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有 1/4 s 轨道和 3/4 p 轨道的成分。 ③每两个轨道间的夹角为109º28′，空间构型为正四面体形。 问题1：NH3的VSEPR模型跟CH4一样也是四面体形，它的中心原子采取的杂化方式？ 氨气分子中氮原子的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-Hσ键，其中1个sp3杂化轨道中占有孤电子对。 2s 2p sp3 杂化轨道用于 或用来 。 形成σ键 容纳未参与成键的孤电子对 问题2：请类比NH3的中心原子N的杂化和成键过程，尝试用杂化轨道理论来解释H2O的空间结构。 水分子中氧原子的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-Hσ键，其中2个sp3杂化轨道中占有孤电子对。 sp3杂化 2s 2p sp3 109°28′ 【分析归纳】由1个s轨道和2个p轨道混杂并重新组合成3个能量与形状完全相同的轨道，这种轨道称为 sp2杂化轨道。sp2杂化轨道间的夹角是120°，空间结构为平面三角形。 C：2s22p2 x y z x y z z x y z x y z 120° 平面三角形 ②sp2杂化 3.杂化类型 任务一 认识杂化轨道及类型 13 一、杂化轨道理论 3.杂化类型 ②sp2杂化 sp2杂化后，未参与杂化的一个np轨道可以用于形成π键。 x y z sp2 sp2 sp2 p sp2 sp2 sp2 任务一 认识杂化轨道及类型 14 一、杂化轨道理论 3.杂化类型 ②sp2杂化 如乙烯分子碳碳双键的形成： 15 3.杂化类型 ②每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有 1/3 s 轨道和 2/3 p 轨道的成分。 sp2杂化轨道特征： ①1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化,形成3个sp2 杂化轨道。 ③每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。 ④ 3个sp2杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的p轨道用于形成π键。 ②sp2杂化 B： 1s22s22p1 没有3个单电子 sp2 sp2杂化 BF3分子 120° F F F B sp2杂化 C：2s22p2 x y z x y z z x y z x y z 180° 直线形 【分析归纳】由1个s轨道和1个p轨道混杂并重新组合成2个能量与形状完全相同的轨道，这种轨道称之为 sp杂化轨道。sp杂化轨道间的夹角是180°，空间结构为直线形。 3.杂化类型 ③sp杂化 一、杂化轨道理论 3.杂化类型 ③sp杂化 sp杂化后，未参与杂化的两个np轨道可以用于形成π键。 p p sp sp sp sp x y z x y z 任务一 认识杂化轨道及类型 19 一、杂化轨道理论 4.杂化的类型 ③sp杂化 如乙炔分子碳碳三键的形成： 20 莱纳斯·卡尔·鲍林 ② ③杂化轨道只容纳孤电子对和形成σ键 ④未参与杂化的P轨道可用于形成π键 4、杂化轨道的特征 ①能量相近的轨道才能杂化 2s 2p可杂化 2s 3p不可杂化 杂化前 杂化后 杂化前后数目相同 相同 相近 轨道形状、伸展方向发生改变，杂化轨道之间尽量排斥，夹角最大，原子成键能力更强，形成的共价键更牢固 轨道形状 轨道能量 轨道数目 二、中心原子杂化类型的判断方法 1.杂化轨道理论与VSEPR模型的关系 杂化轨道的作用：形成σ键和容纳孤电子对 中心原子杂化轨道的数目 =σ键电子对数+孤电子对数 =中心原子的价层电子对数(x) 中心原子的杂化类型：spx-1 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 22 二、中心原子杂化类型的判断方法 1.杂化轨道理论与VSEPR模型的关系 实例 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR模型 杂化 轨道数 中心原子的杂化轨道类型 杂化轨道 模型 CO2 SO2 SO3 0 2 2 sp 1 3 3 sp2 0 3 3 sp2 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 23 二、中心原子杂化类型的判断方法 1.杂化轨道理论与VSEPR模型的关系 实例 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR模型 杂化 轨道数 中心原子的杂化轨道类型 杂化轨道模型 H2O NH3 CH4 2 4 4 sp3 1 4 4 sp3 0 4 4 sp3 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 24 二、中心原子杂化类型的判断方法 2.中心原子杂化类型的判断方法 ①计算中心原子价层电子对数（σ 键电子对数+孤电子对数） ②杂化轨道数＝价层电子对数(x)，中心原子采取 spx-1 杂化 例1.判断以下分子或离子的中心原子杂化类型。 化学式 σ键电子对 孤电子对 价层电子对数 杂化轨道数 杂化类型 BeCl2 CO32- SO32- NH4+ 2 0 2 2 sp 3 0 3 3 sp2 3 1 4 4 sp3 4 0 4 4 sp3 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 25 二、中心原子杂化类型的判断方法 2.中心原子杂化类型的判断方法 也可以根据分子或离子的空间结构来判断中心原子的杂化类型： 空间结构 杂化类型 直线形 平面三角形 三角锥形 四面体形 sp sp2 sp3 sp3 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 26 二、中心原子杂化类型的判断方法 3.有机物中碳原子杂化类型 在有机化合物中，由于碳原子没有孤电子对，在计算价层电子对数时只需要考虑σ 键电子对数。 因此，只含单键的碳原子均为sp3杂化，含有双键的碳原子均为sp2杂化，含有三键的碳原子均为sp杂化。 思考：苯分子中的C原子是什么杂化类型？ 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 27 二、中心原子杂化类型的判断方法 3.有机物中碳原子杂化类型 苯分子中碳原子取sp2杂化，3个杂化轨道分别用于形成3个σ 键，故苯分子键角为120°； 苯分子每个碳原子均有1个未参与杂化杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行，6个“肩并肩”的平行p轨道上总共6个电子一起形成了弥散在整个苯环的1个p-p大π键。 任务二 杂化轨道类型及分子空间结构的关系 28 总结：判断中心原子杂化轨道类型的方法 ① 根据价层电子对数判断 4对 3对 2对 sp3 ② 根据VSEPR模型判断 正四面体 平面三角形 直线形 ③ 根据轨道夹角 109°28′ 120° 180° ④ π键个数 sp2 sp sp3 sp3 sp3 C sp2 C C C C sp sp2 sp2 sp sp ⑤根据等电子体进行判断 如CO2和N3-互为等电子体， 其分子的空间结构为直线形，中心原子采取sp 1、在 中，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是 A.sp2、sp2 B.sp3、sp3 C.sp2、sp3 D.sp、sp3 √ sp3 sp3 sp2 评价任务 评价任务 2、根据价层电子对互斥模型及原子杂化轨道理论判断NF3分子的空间结构和中心原子的杂化方式为(　　) A.直线形　sp杂化 B.平面三角形　sp2杂化 C.三角锥形　sp2杂化 D.三角锥形　sp3杂化 D 3、在BrCH=CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是(　　) A.sp-p B.sp2-s C.sp2-p D.sp3-p C 4.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 5.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 评价任务 总结 测定分子结构 红外光谱：测定化学键或官能团 质谱：测定相对分子质量 多样的分子空间结构 两原子：直线形 三原子：直线形或V形 四原子：常见平面三角形、三角锥形等 五原子：常见四面体形 多原子：结构复杂 总结 预测分子空间结构 价层电子对 互斥模型 价层电子对数为2时：直线形 价层电子对数为3时：平面三角形、V形 价层电子对数为4时：四面体形、三角锥形、V形 价层电子对数为5时：常见三角双锥形 价层电子对数为6时：正八面体形 解释分子空间结构 杂化轨 道理论 价层电子对数为2时：sp杂化，直线形 价层电子对数为3时：sp2杂化，平面三角形、V形 价层电子对数为4时：sp3杂化，四面体形、三角锥形、V形 $$