第2章 第2节 第2课时 杂化轨道理论简介-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修2五维课堂同步课件PPT（人教版2019）

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1.宏观辨识与微观探析：通过认识分子结构以及杂化轨道理论，探析杂化类型与分子空间结构的关系 2.证据推理与模型认知：结合杂化轨道理论与分子的空间结构，能论证证据与模型建立及其发展之间的关系 [知识梳理] [知识点一]　轨道的杂化与杂化轨道　 1．概念 (1)轨道的杂化：原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成与原轨道数相等的一组新轨道的过程。 (2)杂化轨道：杂化后形成的新的能量相同的一组原子轨道。 2．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　s　轨道和三个　p　轨道发生混杂，形成4个能量相等的　sp3　杂化轨道。4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－H　σ　键，所以4个C－H是等同的。 3．杂化轨道的形成及其特点 [知识点二]　杂化轨道类型及其空间结构　 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′，空间结构为　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　(如下图所示)。 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　(如下图所示)。 注意：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。 [知识点三]　VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型　 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 sp2 SO3 平面三角形 sp3 NH3 三角锥形 sp3 CH4 正四面体形 [自我评价] 1．[判一判](对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”) (1)sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道(×) 提示：参与杂化的轨道能量相近。 (2)中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形、三角锥形或V形(√) 提示：sp3杂化轨道中孤电子对数目为0、1、2时分别对应空间结构为四面体形、三角锥形、V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)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。(√) (5)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体形。(×) (6)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．[想一想] 烯烃中与双键相连的C原子为sp2杂化，乙烯分子的成键情况如图： 试分析乙烯分子中碳碳双键的成键方式？ 提示：乙烯分子中碳原子采取sp2杂化，C＝C是成键碳原子的sp2杂化轨道“头碰头”形成σ键，同时其余的p轨道垂直于平面，“肩并肩”形成π键。 3．[练一练] ClO－、ClOeq \o\al(－,2)、ClOeq \o\al(－,3)、ClOeq \o\al(－,4)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　________　；ClOeq \o\al(－,2)的空间结构是　________　；ClOeq \o\al(－,3)的空间结构是　________　；ClOeq \o\al(－,4)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(或NHeq \o\al(＋,4))。 答案：直线形　V形　三角锥形　正四面体形 　　　　杂化类型及分子空间结构的判断 [情境素材] 在形成多原子分子时，中心原子价层电子层上的某些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，叫做轨道的杂化。双原子分子中，不存在杂化过程。例如sp杂化、sp2杂化的过程如下： [思考探究] (1)观察上述杂化过程，分析原子轨道杂化后，数量和能量有什么变化？ 提示：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)2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道？ 提示：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。 (3)用杂化轨道理论解释NH3、H2O的空间结构？ 提示：NH3分子中N原子的价层电子排布式为2s22p3。1个2s轨道和3个2p经杂化后形成4个sp3杂化轨道，其中3个杂化轨道中各有1个未成对电子，分别与H原子的1s轨道形成共价键，另1个杂化轨道中是成对电子，不与H原子形成共价键，sp3杂化轨道为正四面体形，但由于孤电子对的排斥作用，使3个N－H的键角变小，成为三角锥形的空间结构。H2O分子中O原子的价层电子排布式为2s22p4。1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道，其中2个杂化轨道中各有1个未成对电子，分别与H原子的1s轨道形成共价键，另2个杂化轨道是成对电子，不与H原子形成共价键，sp3杂化轨道为正四面体形，但由于2个孤电子对的排斥作用，使2个O－H的键角变得更小，成为V形的空间结构。 (4)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？ 提示：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。由于孤电子对对成键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。 [核心突破] 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。 (6)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 2．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eq \o(――→,\s\up7(判断))杂化轨道数eq \o(――→,\s\up7(判断))杂化类型eq \o(――→,\s\up7(判断))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。 [典例示范] [典例1]　下列中心原子的杂化轨道类型和分子空间结构不正确的是(　　) A．PCl3中P原子sp3杂化，为三角锥形 B．NHeq \o\al(＋,4)中N原子sp3杂化，为正四面体形 C．H2S中S原子sp杂化，为直线形 D．SO2中S原子sp2杂化，为V形 [思维建模]　 解答有关杂化轨道判断问题的思维流程如下： (1)根据杂化轨道的空间结构判断：①若杂化轨道在空间的分布为正四面体或三角锥形，则中心原子发生sp3杂化。②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子发生sp2杂化。③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子发生sp杂化。 (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。 [解析]　C　[该分子中P原子价层电子对个数＝3＋eq \f(5－3×1,2)＝4且含有一个孤电子对，根据价层电子对互斥模型判断其中心原子杂化类型是sp3，实际空间结构为三角锥形，故A正确；该离子中N原子价层电子对个数＝4＋eq \f(5－1－4×1,2)＝4且不含孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断N原子为sp3杂化，为正四面体形，故B正确；该分子中S原子价层电子对个数＝2＋eq \f(6－2×1,2)＝4且含有两个孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断S原子采用sp3杂化，为V形结构，故C错误；该分子中S原子价层电子对个数＝2＋eq \f(6－2×2,2)＝3且含有一个孤电子对，根据价层电子对互斥模型判断S原子为sp2杂化，为V形，故D正确。] (1)在形成多原子分子时，中心原子价层电子层上的某些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，叫做轨道的杂化。双原子分子中，不存在杂化过程。 (2)只有能量相近的轨道才能杂化(ns，np)。 (3)杂化过程中，原子轨道总数不变，即杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相等。 (4)杂化过程中，轨道的形状发生变化。 (5)杂化轨道的形状相同，能量相等。 (6)杂化轨道之间要满足最小排斥原理。 (7)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。 [学以致用] 1．下列有关杂化轨道的说法不正确的是(　　) A．杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理 B．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 C．轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等 D．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量最近的1个s轨道和3个p轨道混合起来形成的一组能量相同的新轨道 解析：C　[杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理，这样能量才能最小，分子才能最稳定，故A正确；杂化轨道只能用于形成σ键或容纳孤电子对，不能形成π键，π键是轨道之间肩并肩形成的，故B正确；杂化轨道的数目与杂化前的轨道数目相等，但轨道形状发生变化，故C错误；sp3杂化轨道是由同一个原子中能量最近的1个s轨道和3个p轨道混合起来形成的一组能量相同的新轨道，杂化后的各轨道能量完全相同，故D正确。] 2．根据价层电子对互斥模型及原子的杂化轨道理论判断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．三角形　sp2杂化 C．三角锥形　sp2杂化 D．三角锥形　sp3杂化 解析：D　[在NF3分子中，N原子价层电子对数为4，所以根据理论可推知中心原子的杂化方式为sp3杂化，空间结构为三角锥形，类似于NH3。] 3．计算下列各粒子中心原子的杂化轨道数、判断中心原子的杂化轨道类型、写出VSEPR模型名称。 (1)C　S2　2　、　sp　、　直线形　。 (2)N　Heq \o\al(＋,4)　4　、　sp3　、　正四面体形　。 (3)H2O　　4　、　sp3　、　四面体形　。 (4)P　Cl3　4　、　sp3　、　四面体形　。 (5)B　Cl3　3　、　sp2　、　平面三角形　。 1．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 解析：D　[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，故A、B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，故C项正确；并不是所有的杂化轨道中都成键，也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成)，故D项错误。] 2．下列说法正确的是(　　) 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形 B．在SCl2中，中心原子S采取sp杂化方式，分子构型为直线形 C．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 D．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 解析：C　[中心原子采取sp3杂化的分子，VSEPR模型是正四面体，但其空间结构不一定是正四面体，如：水和氨气分子的中心原子采取sp3杂化，但H2O是V形，NH3是三角锥形，故A错误；SCl2中S原子价层电子对个数是4且含有2个孤电子对，根据价层电子对互斥模型判断S原子杂化类型为sp3，分子构型为V形，故B错误；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，没有杂化的p轨道形成π键，故C正确；AB3型的共价化合物，其中心原子A可能采用sp3杂化也可能采用sp2杂化，如BF3中B原子采用sp2杂化，故D错误。] 3．氯化亚砜(SOCl2)是一种很重要的化学试剂，可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是(　　) A．三角锥形、sp3　　　 B．V形、sp2 C．平面三角形、sp2 D．三角锥形、sp2 解析：A　[根据价层电子对互斥模型确定微粒的空间结构，SOCl2中S原子成2个S－Cl键，1个S＝O键，价层电子对个数＝σ键个数＋孤电子对个数＝3＋eq \f(6－1－1－1×2,2)＝4，杂化轨道数是4，故S原子采取sp3杂化，含一个孤电子对，分子构型为三角锥形。] 4．徐光宪在《分子共和国》一书中介绍了许多明星分子，如H2O2、CO2、BF3、CH3COOH等。下列说法正确的是(　　) A．H2O2分子为直线形的非极性分子 B．CO2分子为极性共价键构成的非极性分子 C．BF3分子中的B原子满足8电子稳定结构 D．CH3COOH分子中C原子均为sp2杂化 解析：B　[A.H2O2分子是空间立体分子，其空间结构不是直线形，A错误；B.CO2分子中三个原子在同一直线上，两个O原子在C原子的两侧，故该分子为非极性分子，B正确；C.BF3分子中的B原子最外层只有6个电子，所以不满足8电子稳定结构，C错误；D.CH3COOH分子中甲基C原子采用sp3杂化，羧基C原子采用sp2杂化，D错误。答案选B。] 5．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)CS2分子中C原子的杂化轨道类型是　________　。 (3)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型为　________　。 解析：(1)AsCl3中As元素价层电子对数为4，As的杂化方式为sp3杂化，AsCl3分子的空间结构为三角锥形。(2)CS2的结构式为S＝C＝S，C原子形成2个双键，无孤电子对，所以为sp杂化。 (3)CH3COOH的结构式为，分子中甲基上的碳原子采用sp3杂化，羧基中碳原子采用sp2杂化。 答案：(1)三角锥形　sp3　(2)sp　(3)sp3、sp2 [课堂小结] 微专题二　分子空间结构的判断方法 [专题精讲] 1．用价层电子对互斥模型判断 价层电子对互斥模型说明价层电子对的排斥作用对分子空间结构的影响，而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构，不包括孤电子对。 (1)当中心原子无孤电子对时，分子的空间结构与VSEPR模型一致。 (2)当中心原子有孤电子对时，分子的空间结构与VSEPR模型不一致。 2．用杂化轨道理论判断 杂化类型 杂化轨道数目 杂化轨道间夹角 分子的空间结构 实例 sp 2 180° 直线形 BeCl2、CH≡CH sp2 3 120° 平面三角形 BF3、BCl3 sp3 4 109°28′ 四面体形 CH4、CCl4、CH3Cl 3.用键角判断 分子类型 分子的空间结构 键角 键的极性 分子极性 实例 A2 直线形(对称) － 非极性键 非极性 H2、O2、N2等 AB 直线形(不对称) － 极性键 极性 HX、CO、NO等 ABA 直线形(对称) 180° 极性键 非极性 CO2、CS2等 V形(不对称) － 极性键 极性 H2O、H2S等 AB3 平面三角形(对称) 120° 极性键 非极性 BF3、SO3等 三角锥形(不对称) － 极性键 极性 NH3、PCl3等 AB4 正四面体形(对称) 109°28′ 极性键 非极性 CH4、CCl4等 [专题精练] 1．下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是(　　) ①BF3　②CH2＝CH2　③　④CH≡CH　⑤NH3　⑥CH4 A．①②③　　　　　 B．①⑤⑥ C．②③④ D．③⑤⑥ 解析：A　[①②③均为平面形分子，中心原子是sp2杂化；④为直线形分子，中心原子是sp杂化；NH3是三角锥形、CH4是正四面体形分子，中心原子均是sp3杂化。] 2．CHeq \o\al(＋,3)、－CH3、CHeq \o\al(－,3)都是重要的有机反应中间体，有关它们的说法正确的是(　　) A．三者电子总数相等，碳原子均采取sp2杂化 B．CHeq \o\al(－,3)与NH3、H3O＋中心原子均为sp3杂化，空间结构均为正四面体形 C．CHeq \o\al(＋,3)中的碳原子采取sp2杂化，所有原子共平面 D．CHeq \o\al(＋,3)中的碳原子采取sp3杂化，所有原子均共面 解析：C　[A项，CHeq \o\al(＋,3)、－CH3、CHeq \o\al(－,3)中电子总数不等，错误。B项，三者中心原子都为sp3杂化，空间结构都为三角锥形，错误。C项，CHeq \o\al(＋,3)中碳原子价层电子对数是3且不含孤电子对，所以碳原子采取sp2杂化，为平面三角形，所有原子共平面，C项正确，D项错误。] 3．(双选)下列有关描述正确的是(　　) A．NOeq \o\al(－,3)为V形分子 B．ClOeq \o\al(－,3)的空间结构为平面三角形 C．NOeq \o\al(－,3)的VSEPR模型、空间结构均为平面三角形 D．ClOeq \o\al(－,3)的VSEPR模型、空间结构不相同 解析：CD　[NOeq \o\al(－,3)中N原子的价层电子对数＝3＋eq \f(1,2)×(5－2×3＋1)＝3，没有孤电子对，故A项错误，C项正确；ClOeq \o\al(－,3)中氯原子的价层电子对数＝3＋eq \f(1,2)×(7－3×2＋1)＝4，有1个孤电子对，VSEPR模型为四面体形而空间结构为三角锥形，B项错误，D项正确。] 4．下列分子中，中心原子杂化类型相同，分子的空间结构也相同的是(　　) A．BeCl2、CO2 B．H2O、SO2 C．SO2、CH4 D．NF3、CH2O 解析：A　[根据价层电子对互斥理论可知，H2O中O原子的孤电子对数＝eq \f(6－2×1,2)＝2，σ键电子对数为2，采取sp3杂化，故H2O为V形结构，SO2中S原子的孤电子对数＝eq \f(6－2×2,2)＝1，σ键电子对数为2，采取sp2杂化，故SO2为V形结构，B项不符合题意；同样分析可知，BeCl2中Be原子采取sp杂化，BeCl2是直线形结构，CO2中C原子采取sp杂化，CO2是直线形结构，A项符合题意；SO2中S原子采取sp2杂化，SO2是V形结构，CH4中C原子采取sp3杂化，CH4是正四面体形结构，C项不符合题意；NF3中N原子采取sp3杂化，NF3是三角锥形结构，CH2O中C原子采取sp2杂化，CH2O是平面三角形结构，D项不符合题意。] 5．(1)甲醇分子内C原子的杂化方式为　________　，甲醇分子内的O－C－H键角　________　(填“大于”“等于”或“小于”)甲醛分子内的O＝C－H键角。 (2)丙烯腈分子(H2C＝CH－C≡N)中碳原子轨道杂化类型是________________________________________________________________________。 (3)按要求写出由第二周期元素为中心原子，通过sp3杂化形成中性分子的化学式(各写一种)：正四面体分子　________　，三角锥形分子　________　，V型分子　________　。 (4)已知白磷(P4)的结构为 解析：(1)甲醇()分子内C原子有4对σ键电子对，无孤电子对，为sp3杂化，O－C－H键角约109°28′；甲醛()分子内C原子为sp2杂化，为平面三角形，O－C－H键角约120°；故甲醇分子内O－C－H键角比甲醛分子内O＝C－H键角小。(2) 中的碳为sp2杂化，－C≡N中的碳为sp杂化。(3)中心原子sp3杂化，分子呈正四面体则说明中心原子无孤对电子，这种分子为CF4、CH4等。分子呈三角锥形时，中心原子含有一个孤电子对，这种分子为NH3、NF3等。分子呈V形时，中心原子含有两个孤电子对，这种分析为H2O。 (4)从结构图看，白磷分子中每个磷原子以3个共价键与另外3个磷原子结合，是一种非极性分子，每个P有一个孤电子对，因此P采用sp3杂化。CS2分子呈直线形，是一种非极性分子，所以根据相似相溶原理，P4能溶于CS2中。 答案：(1)sp3　小于　(2)sp2杂化和sp杂化 (3)CH4　NH3　H2O　(4)3　3　非极性　能　sp3 6．硼砂是含结晶水的四硼酸钠。以硼砂为原料，可以得到BF3、BN和硼酸等重要化合物，请根据下列信息回答有关问题： (1)硼砂中阴离子Xm－(含B、O、H三种元素)的球棍模型如图1所示，则在Xm－中，2号硼原子的杂化类型为　________　；m＝　________　(填数字)。 (2)BN中B的化合价为　________　，请解释原因：___________________________________________________________ _______________________________________________________ ______________________________________________________。 (3)BF3和过量NaF作用可生成NaBF4，BFeq \o\al(－,4)的空间结构为　________　；NaBF4的电子式为　________　。 解析：(1)根据图示可知，2号B原子的价层电子对数为3，且无孤电子对，故采取sp2杂化；根据图示可知，该阴离子的化学式为[H4B4O9]m－，其中H显＋1价，B显＋3价、O显－2价，所以m＝2。 (2)由于电负性：N＞B，所以BN中B显＋3价。(3)BFeq \o\al(－,4)的空间结构为正四面体形，NaBF4的电子式为Na＋ 答案：(1)sp2　2　(2)＋3　N的电负性大于B的电负性 (3)正四面体形　Na＋ $$