第二章 第二节 第3课时 杂化轨道理论简介 课件1-2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课件PPT（人教版2019）

第3课时　杂化轨道理论简介 第二节　分子的空间结构 化学 1.通过杂化轨道理论的学习,能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。 2.通过杂化轨道理论的学习,掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法,建立分子空间结构分析的思维模型。 学习目标 重点、难点： 杂化轨道类型的判断。 学习重难点 共价键类型: σ键价层电子对互斥模型。 知识回顾 σ键是原子轨道沿键轴方向以“头碰头”方式重叠形成的共价键。它是共价键的一种基本类型，具有轴对称性，比如H —H单键就是σ键，是两个氢原子的1s轨道沿键轴方向重叠形成的。 课堂探究 一、杂化的概念 我们已经知道,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'。按照我们已经学过的价键理论,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。为什么? 碳原子具有四个完全相同的轨道与四个氢原子的电子云重叠成键。 课堂探究 一、杂化的概念 自发过程： 碳原子的价层电子排布式为2s22p2,是由1个2s轨道和3个2p轨道组成的,为什么有这四个相同的轨道呢?为了解释这个空间结构,1931年，鲍林提出了杂化轨道理论,得出杂化的概念，它实际上仍然属于现代价键理论。 课堂探究 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重新组合,形成一组新的轨道,这个过程叫做轨道的杂化,产生的新轨道叫杂化轨道。 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。为了解释甲烷分子的正四面体形的空间结构。 一、杂化的概念 课堂探究 一、杂化的概念 当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时,碳原子的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,夹角为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。当碳原子跟4个氢原子结合时,碳原子以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 C—H σ键,因此呈正四面体形的空间结构。 课堂探究 一、杂化的概念 杂化轨道理论认为:在形成分子时,通常存在激发、杂化、轨道重叠等过程。但应注意,原子轨道的杂化,只有在形成分子的过程中才会发生,而孤立的原子是不可能发生杂化的。同时只有能量相近的原子轨道才能发生杂化,而1s轨道与2p轨道由于能量相差较大,是不能发生杂化的。 我们需要格外注意的是,杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳孤电子对,剩余的p轨道可用于形成π键。 sp3杂化轨道 课堂探究 二、杂化轨道类型 1.sp3杂化:同一个原子的1个ns轨道和3个np轨道发生混杂,得到4个相同的轨道,夹角为109°28',称为sp3杂化轨道。 价层电子对互斥模型使我们知道,H2O和NH3的VSEPR模型跟甲烷分子一样,也是四面体形的,因此它们的中心原子也是采取sp3杂化的。所不同的是,水分子的氧原子的sp3杂化轨道中有2个被孤电子对占据,而氨分子的氮原子的sp3杂化轨道中有1个被孤电子对占据。 课堂探究 二、杂化轨道类型 空间结构:四面体形或V形或三角锥形。 凡属于VSEPR模型的AY4的分子,中心原子A都采取sp3杂化类型,例如CH4、NH3、H2O等。其中像CH4这类与中心原子键合的是同一种原子,因此分子呈高度对称的正四面体形的空间结构,其中的4个sp3杂化轨道没有差别,这种杂化类型叫等性杂化。而像NH3、H2O这类物质的中心原子的4个sp3杂化轨道用于构建不同的σ键或孤电子对,这样的4个杂化轨道显然有差别,叫不等性杂化。 除sp3杂化轨道外,还有sp杂化轨道和sp2杂化轨道。sp2杂化轨道由1个s轨道和2个p轨道杂化而得。 课堂探究 二、杂化轨道类型 2.sp2杂化:同一个原子的1个ns轨道与2个np轨道杂化组合为3个新的sp2杂化轨道。 BF3分子形成： 课堂探究 二、杂化轨道类型 空间结构:sp2杂化轨道间的夹角是120°,分子的空间结构为平面三角形。 sp2杂化 课堂探究 应当注意的是,杂化过程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。而没有填充电子的空轨道一般都不参与杂化。 乙烯分子中的碳原子的原子轨道采用sp2杂化。其中两个碳原子间各用一个sp2杂化轨道形成σ键,用两个sp2杂化轨道与氢原子形成σ键,两个碳原子各用一个未参与杂化的2p轨道形成π键。 sp杂化轨道由1个s轨道和1个p轨道杂化而得。 二、杂化轨道类型 课堂探究 3.sp杂化:同一个原子的1个ns轨道和1个np轨道杂化组合成2个新的sp杂化轨道。 二、杂化轨道类型 课堂探究 空间结构:夹角为180°的直线形。 杂化轨道成键时,要满足化学键间最小排斥原理,键与键间的排斥力大小决定键的方向,即决定杂化轨道间的夹角。由于键角越大，化学键之间的排斥力越小,对sp杂化来说,当键角为180°时,其排斥力最小,所以sp杂化轨道成键时,分子呈直线形;对sp2杂化来说,当键角为120°时,其排斥力最小,所以sp2杂化轨道成键时,分子呈平面三角形。由于杂化轨道类型不同,杂化轨道夹角也不相同,其成键时键角也不相同,故杂化轨道的类型与分子的空间结构有关。 二、杂化轨道类型 课堂探究 杂化类型判断: 对于ABm型分子或离子,其中心原子A的杂化轨道数恰好与A的价层电子对数相等。 sp杂化：若分子中存在三键，如炔烃类化合物，其三键中的碳原子一般为sp杂化。 sp2杂化：含有双键的有机化合物，像烯烃、醛、酮、酰等中的碳原子通常是sp2杂化。 sp3杂化：4价单键饱和有机化合物，如烷烃中的碳原子多为sp3杂化。 二、杂化轨道类型 平面三角形 课堂探究 [练习]指出下列原子的杂化轨道类型、分子的结构式及空间结构。 (1)CS2分子中的C为　　　　杂化,分子的结构式为 　　　　,空间结构为　　　　 。 (2)CH2O分子中的C为　　　　杂化,分子的结构式为　　　　 , 空间结构为　　　　  。 sp 直线形 sp2 二、杂化轨道类型 (3)CCl4分子中的C为 　　　 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为　　　 　。 (4)H2S分子中的S为　　　　 杂化,分子的结构式为　　　　 ,空间结构为 。 　　　　 sp3 正四面体 sp3 V形 课堂探究 二、杂化轨道类型 根据杂化轨道理论,形成苯分子时,每个碳原子中的原子轨道发生sp2杂化(如s、px、py),由此形成的三个sp2杂化轨道在同一平面上,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。 课堂探究 同时,每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道(如2pz),它们均含有一个未成对电子。这六个碳原子的2p轨道相互平行,它们以“肩并肩”的方式相互重叠,从而形成含有六个电子、属于六个原子的π键。人们把这种在多原子间形成的多电子的π键称为大π键。 大π键 　 C6H6的大π键(离域键) 二、杂化轨道类型 课堂探究 苯分子褪色的原因： 在苯分子中,整个分子呈平面正六边形,六个碳碳键完全相同,键角皆为120°。正是由于苯分子所具有的这种结构特征,使得它表现出特殊的稳定性,而不像乙烯那样容易被酸性高锰酸钾溶液氧化或使溴的四氯化碳溶液褪色。 二、杂化轨道类型 课堂探究 【课堂拓展】大π键 1.形成条件 （1）这些原子多数处于同一平面上; （2）这些原子有相互平行的p轨道; （3）p轨道上的电子总数小于p轨道数的2倍。 大π键是3个或3个以上原子彼此平行的p轨道从侧面相互重叠形成的π键。 通常指芳香环的成环碳原子各以一个未杂化的2p轨道,彼此侧向重叠而形成的一种封闭共轭π键。 二、杂化轨道类型 课堂探究 苯的分子结构是六个碳原子都以sp2杂化轨道结合成一个处于同一平面的正六边形,每个碳原子上余下的未参加杂化的p轨道,由于都处于垂直于苯分子形成的平面而平行,因此所有p轨道之间都可以相互重叠而形成以下图式: 大π键 C6H6　 C6H6的大π键(离域键) 二、杂化轨道类型 课堂探究 苯的大π键是平均分布在六个碳原子上,所以苯分子中每个碳碳键的键长和键能是相等的。 1,3-丁二烯分子式为H2CCH—CH=CH2,4个碳原子均与3个原子相邻,故采用sp2杂化。这些杂化轨道相互重叠,形成分子σ骨架,故所有原子处于同一平面。每个碳原子还有一个未参与杂化的p轨道,垂直于分子平面,每个p轨道里面有一个电子,故丁二烯分子中存在一个“4轨道4电子”的p-p大π键。 二、杂化轨道类型 课堂探究 【课堂拓展】大π键 2.分类 （1）离域π键:在这类分子中,参与共轭体系的所有π电子的游动不局限在两个碳原子之间,而是扩展到组成共轭体系的所有碳原子之间,这种现象叫离域。共轭π键也叫离域键或非定域键。由于共轭π键的离域作用,当分子中任何一个组成共轭体系的原子受外界试剂作用时,它会立即影响到体系的其他部分。共轭分子的共轭π键(或离域键)是化学反应的核心部位。 二、杂化轨道类型 课堂探究 （2）定域π键:有机分子中只包含σ键和孤立π键的分子称为非共轭分子。这些σ键和孤立π键,习惯地被看成是定域键,即组成σ键的一对σ电子和孤立π键中的一对π电子近似于成对地固定在成键原子之间,这样的键叫定域键。例如,CH4分子的任何一个C—H σ键和CH2==CH2分子的π键,其电子运动都局限在两个成键原子之间,都是定域键。 二、杂化轨道类型 课堂探究 无论是价层电子对互斥模型还是杂化轨道理论,我们都是为了合理的解释分子的空间结构。 杂化类型 杂化轨道数目 杂化轨道间的夹角 空间结构 实例 sp 2 180° 直线形 BeCl2 sp2 3 120° 平面三角形 BF3 sp3 4 109°28' 正四面体形 CH4 二、杂化轨道类型 课堂练习 【练习1】 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 课堂练习 【练习2】 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 课堂练习 【练习3】 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.C2H2与C2H4 B 课堂练习 【练习4】 下列关于原子轨道的说法正确的是( ) A.凡是中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构都是正四面体 B.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轨道混合形成 C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道杂化形成的一组新轨道 D.凡AB型的共价化合物，其中中心原子A均采用sp3杂化形式成键 C 课堂探究 【练习5】 下列关于杂化轨道的叙述正确的是( ) A.杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成π键 B.杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对 C.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个p轨道与H原子的1个s轨道杂化而成的 D.在乙烯分子中1个碳原子的3个sp2杂化轨道与3个氢原子的s轨道重叠形成3个C—H σ键 B 课堂探究 【练习6】 下列分子或离子的中心原子为sp3杂化，且杂化轨道容纳1个孤电子对的是( ) A.CH4、NH3、H2O B.CO2、BBr3、 C.C₂H4、SO2、BeCl2 D.NH3、PCl3、H3O+ D 课堂探究 【练习7】 下列有机物分子中的碳原子既有sp3杂化，又有sp杂化的是( ) A.CH3CH=CH2 B.CH3—CCH C.CH3CH2OH D.CHCH B 课堂小结 完成学案中的“素养专练”。 布置作业 谢谢大家 $$