2.2.3 杂化轨道理论 课件 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

该高中化学课件聚焦杂化轨道理论，系统讲解sp³、sp²、sp等杂化类型及分子空间结构解释。通过C、H价电子排布及甲烷空间结构与价键理论的矛盾问题链导入，衔接已有价键知识，搭建从已知到未知的学习支架。 其亮点是以问题驱动探究，结合CH₄、NH₃、BF₃等实例，通过VSEPR模型、键角、成键类型等多维度判断杂化类型，体现科学思维的模型建构与证据推理，帮助学生形成结构决定性质的化学观念，教师使用可提升教学针对性与学生理解深度。

第二章 分子结构与性质 第二节 分子的空间结构 第3课时 杂化轨道理论 学习目标 结合实例了解杂化轨道理论的要点和类型（sp3、sp2、sp）。 能运用杂化轨道理论解释简单共价分子和离子的空间结构。 问题1：写出C、H原子价电子排布图，思考为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？ C 价层电子轨道表示式 2s 2p H 价层电子轨道表示式 1s 解决方案：碳原子的一个2s电子受外界影响跃迁到2p的空轨道上，使碳原子价层有四个单电子，因此碳原子与氢原子结合生成CH4 激发 1s 1s 1s 1s 新课导入 问题2：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。 这是为什么呢？ 为了解决分子空间结构与价键理论的矛盾，1931年鲍林提出了杂化轨道理论。 新课导入 任务一 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重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。 重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。 一、杂化轨道理论简介 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 任务一 杂化轨道理论 解决方案：甲烷的形成 2s 2p ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p ↑ ↑ ↑ ↑ sp3 ↑ ↑ ↑ ↑ 跃迁 杂化 基态 激发态 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个杂化轨道的伸展方向成什么立体构型? 正四面体 任务一 杂化轨道理论 任务一 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 只有在形成化学键时才会杂化！单独的原子不会发生杂化。 常是同一能层或相近能级的原子轨道 二、杂化轨道的形成 任务一 杂化轨道理论 三、杂化轨道理论要点 能量相近 原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道 数目不变 形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等且杂化轨道的能量相同 (变：轨道的成分、能量、形状、方向，使原子的成键能力增加) 成键能力增强 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。 排斥力最小 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但形状完全相同。 中心原子杂化 只有形成化学键时才杂化，杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对。 杂化轨道数 =价层电子对数= 中心原子上的孤电子对数 + σ键数 任务一 杂化轨道理论 四、杂化的特点 未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 (1)杂化前后轨道数不变 (2)杂化过程中轨道的形状发生变化 (4)杂化后的新轨道能量、形状都相同 (6)杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对 (3)杂化后形成的化学键更稳定 (5)杂化后的轨道之间尽可能远离 任务二 杂化类型与分子的空间构型 x y z x y z x y z x y z 109°28′ 1、杂化轨道的类型 ①sp3杂化 特征：每个sp3杂化轨道的形状也为一头大，一头小， 含有 1/4 s 轨道和 3/4 p 轨道的成分每两个轨道间的夹角为109°28′，空间构型为正四面体形。1个ns 轨道与3个np 轨道进行的杂化,形成4个sp3 杂化轨道。 任务二 杂化类型与分子的空间构型 战 ① CH4中的碳原子sp3杂化（碳的价层电子对为4） C原子的4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道形成4个s-sp3σ键，形成正四面体结构 类似的：CCl4、SiF4、ClO4-等 AB4 型化合物 注意: 烃基中的饱和碳原子也采取sp3杂化 s-sp3σ键 战 ② NH3中的N原子sp3杂化（N的价层电子对为4） NH3为三角锥形，类似的还有NF3、PH3等 N原子的4个sp3杂化轨道分别与3个氢原子的1s轨道形成3个s-sp3σ键，剩余1个sp3杂化轨道含一对孤电子对 任务二 杂化类型与分子的空间构型 ③ H2O中的O原子sp3杂化（O的价层电子对为4） O原子的4个sp3杂化轨道分别与2个氢原子的1s轨道形成2个s-sp3σ键，剩余2个sp3杂化轨道含2对孤电子对. H2O的空间结构为V形，类似的还有H2S、SCl2等 任务二 杂化类型与分子的空间构型 1、杂化轨道的类型 ②sp2杂化 x y z x y z x y z x y z 120° 特征：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 轨道的成分每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。sp2杂化：1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。 任务二 杂化类型与分子的空间构型 战 ① BF3中的B原子sp2杂化（B的价层电子对为3） B原子的3个sp2杂化轨道分别与3个F原子的2p轨道形成3个p-sp2σ键. BF3的空间结构为平面三角形，类似的还有SO3、NO3-等 ② CH2=CH2中的C原子sp2杂化 战 C原子的2个sp2杂化轨道分别与2个H原子的1s 轨道形成2个s-sp2σ键，另一个sp2杂化轨道与另一个C原子的sp2杂化轨道头碰头形成1个σ键。两个C剩余未参与杂化的2p轨道肩并肩形成π键 注意：有机物中形成双键的碳原子均为sp2杂化 任务二 杂化类型与分子的空间构型 1、杂化轨道的类型 ③sp杂化 x y z x y z z x y z x y z 180° 特征：sp杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有1/2 s 轨道和1/2 p 轨道的成分两个轨道间的夹角为180°，呈直线形。sp 杂化：1个s 轨道与1个p 轨道进行的杂化, 形成2个sp杂化轨道。2个sp杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的2个p轨道用于形成2个π键。 任务二 杂化类型与分子的空间构型 ①BeCl2中Be原子的sp杂化 Be原子的2个sp杂化轨道分别与Cl原子的3p轨道形成σ键 Cl Cl sp px px ②CH≡CH分子中碳原子的sp杂化 两个碳原子的1个sp杂化轨道相互重叠形成sp-sp σ 键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-sp σ 键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。 注意：有机物中形成三键的碳原子均为sp杂化 任务二 杂化类型与分子的空间构型 1、杂化轨道的类型 ④其他杂化类型 SF6 sp3d2杂化 正八面体形 价层电子对数：5 价层电子对数：6 PCl5 sp3d杂化 三角双锥形 任务二 杂化类型与分子的空间构型 2、杂化轨道类型与分子空间结构的关系 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 2 3 4 杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28' 空间结构名称 直线形 平面三角形 正四面体形 实例 CO2、C2H2 BF3、CH2O CH4、CCl4 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 任务二 杂化类型与分子的空间构型 2、杂化轨道类型与分子空间结构的关系 ABn型分子 中心原子杂化类型 中心原子孤电子对数 空间结构 实例 AB2 sp2 1 V形 SO2 AB3 sp3 1 三角锥形 NH3、PCl3、NF3、H3O＋ AB2或(B2A) 2 V形 H2S、NH2- 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 任务三 判断中心原子杂化轨道类型的方法 完成下表中的空白，思考有哪些方法可以判断杂化类型？ 粒子 中心原子的价层电子对数 VSEPR模型名称 中心原子的杂化轨道类型 分子或离子的空间结构名称 CO2 CH2O SO2 BF3 CH4 NH3 H2O H3O+ NH4+ 2 直线形 直线形 sp 3 平面三角形 平面三角形 3 sp2 平面三角形 sp2 V形 3 平面三角形 sp2 平面三角形 4 正四面体形 sp3 正四面体形 4 四面体形 sp3 三角锥形 4 4 4 四面体形 四面体形 正四面体形 sp3 sp3 sp3 V形 三角锥形 正四面体形 任务三 判断中心原子杂化轨道类型的方法 四、杂化类型的判断方法 杂化轨道类型 sp sp2 sp3 方法1 VSEPR模型 方法2 杂化轨道数目 方法3 键角 1、根据分子或离子的VSEPR模型确定。 直线形 平面三角形 四面体形 2、根据杂化轨道数目确定。 2 3 4 4、C原子杂化轨道数目确定。 ①4个σ键是sp3杂化。 ②3个σ键是sp2杂化。 ③2个σ键是sp杂化。 3、根据键角确定。 109°28′ 120° 180° 任务三 判断中心原子杂化轨道类型的方法 1.根据杂化轨道数或VSEPR模型或键角判断 化学式 BeCl2 SO2 CO32- CH4 NH4+ NH3 H2O σ键电子对 孤电子对 杂化轨道数 VSEPR模型 杂化类型 2 2 3 4 4 3 2 0 1 0 0 0 1 2 2 3 3 4 4 4 4 直线 平面三角 平面三角 四面体 四面体 四面体 四面体 sp sp2 sp2 sp3 sp3 sp3 sp3 杂化轨道数 = 中心原子孤对电子对数＋中心原子结合的原子数 =中心原子的价层电子对数 180° 120° 109°28′ 109°28′ 任务三 判断中心原子杂化轨道类型的方法 2.根据中心原子成键类型判断(有机物) 若有1个三键或2个双键，则其中有2个π键，用去2个p轨道，形成的是sp杂化。 三键碳原子采取sp杂化 若有1个双键则其中必有1个π键，用去1个p轨道，形成的是sp2杂化。 双键碳原子采取sp2杂化 若全部是单键，则形成sp3杂化。 单键碳原子采取sp3杂化 任务四 拓展延申：大π键（共轭大π键，离域π键） 1.含义 在多原子分子或离子中如有相互平行的P轨道，他们连贯重叠在一起构成一个整体，P电子在多个原子间运动形成π型化学键，这种i不局限在两个原子之间的π键称为离域π键，或共轭大π键，简称大π键 3.表示 a表示平行p轨道的数目。 b表示在平行p轨道里的电子数。 2.条件 所有原子在同一平面，中心原子采用sp杂化或者sp2 杂化 参与形成大π键的原子数 参与形成大π键的电子数 任务四 拓展延申：大π键（共轭大π键，离域π键） 大π键 苯分子中碳原子sp2杂化 3条杂化轨道互成120° π 6 6个p轨道 6个电子 6 实例分析1：苯分子中的大π键 实例分析2：石墨分子中的大π键 石墨分子结构是层形结构，每层是由无限个碳六元环所形成的平面，碳原子取sp2杂化，每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行。平行的n个p轨道形成了一个p-p大键。电子在这个大键中可以自由移动，所以石墨能导电。 VSEPR模型 杂化轨道数目 键角 sp3杂化轨道——正四面体形 sp2杂化轨道——平面三角形 sp杂化——直线形 能量相近 数目不变 成键能力增强 排斥力最小 轨道类型 理论要点 杂化轨道理论 判断方法 课堂小结 分子的空间结构:VSEPR模型预测;杂化轨道理论解释;光谱测定 课堂练习1：正误判断 (1)发生轨道杂化的原子一定是中心原子，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( ) (2)凡中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子空间结构都是正四面体 形( ) (3)杂化轨道的空间结构与分子的空间结构不一定一致( ) (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( ) (6)凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp2杂化轨道成键。 (　　)　 × × √ √ √ √ 学习评价 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、C2H2与C2H4 B 2、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 A 学习评价 3、已知次氯酸分子的结构式为H－O－Cl，下列说法正确的是（ ） A．O原子发生sp杂化 B．O原子与H、Cl都形成π键 C．该分子为V形分子 D．该分子的电子式是 C 4、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 学习评价 5、下列中心原子的杂化轨道类型和分子的空间结构不正确的是( ) A. CCl4中C原子为sp3杂化，为正四面体形 B. H2S分子中S原子为sp2杂化，为直线形 C. CS2中C原子为sp杂化，为直线形 D. BF3中B原子为sp2杂化，为平面三角形 B 6、已知某XY2分子属于V形分子，下列说法正确的是( ) A、X原子一定是sp2杂化 B、X原子一定为sp3杂化 C、X原子上一定存在孤电子对 D、VSEPR模型一定是平面三角形 C 学习评价 7、回答下列问题 (1)图(a)为S8的结构，其硫原子的杂化轨道类型为______。 (2)气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的空间结构为____________；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为_____。 (3)COCl2分子中所有原子均满足8电子构型，COCl2分子中σ键和π键的个数比为______，中心原子的杂化方式为_____。 平面三角形 sp3 sp3 3∶1 sp2 学习评价 $