第2章 02 第二节 分子的空间结构 02 第2课时 杂化轨道理论简介(Word讲义)-【满分思维】2026-2027学年化学选择性必修二学生用书（人教版）

第2课时　杂化轨道理论简介 ◆ 学习任务　杂化轨道理论简介 【课前自主预习】 1.杂化轨道的含义 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。 2.原子轨道的杂化过程 3.杂化轨道的类型 (1)sp3杂化轨道——正四面体形 sp3杂化轨道是由　　　　ns轨道和　　　　np轨道杂化而成的,每个sp3杂化轨道都含有s和p的成分,sp3杂化轨道间的夹角为109°28',空间结构为正四面体形,如图所示:  (2)sp2杂化轨道——平面三角形 sp2杂化轨道是由　　　　ns轨道和　　　　np轨道杂化而成的,每个sp2杂化轨道都含有s和p成分,sp2杂化轨道间的夹角都是120°,呈平面三角形,如图所示:  (3)sp杂化——直线形 sp杂化轨道是由　　　　ns轨道和　　　　np轨道杂化而成的,每个sp杂化轨道都含有s和p的成分,sp杂化轨道间的夹角为180°,呈直线形,如图所示:  [问题思考] (1)分析甲烷分子中碳原子的杂化方式,原子轨道杂化后甲烷分子是如何形成正四面体结构的? (2)分析乙烯分子中碳原子的杂化方式,总结原子轨道杂化后,数量和能量有什么变化? (3)分析乙炔中碳原子的杂化方式,根据甲烷、乙烯和乙炔中碳原子的杂化方式分析分子的空间结构与杂化类型有何关系? 【核心知识讲解】 1.杂化轨道理论的要点 (1)原子形成分子时,通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。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才能杂化(如2s、2p)。 (4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量相同,成分相同。 (5)杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理,使轨道在空间取得最大夹角分布,故杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变,但各杂化轨道的形状完全相同。 (6)杂化轨道用于形成σ键或者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。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化类型。 (7)杂化轨道成键时仍具有共价键的特征——方向性和饱和性。杂化后的轨道一头大,一头小,电子云密度大的一端与成键原子的原子轨道沿键轴方向重叠,形成σ键;由于杂化后原子轨道重叠程度更大,形成的共价键比原有原子轨道形成的共价键稳定,故C原子与H原子结合成稳定的CH4,而不是CH2。 (8)原子轨道发生sp杂化时,还有2个np轨道未发生杂化,若np轨道上有未成对电子,形成分子时2个np轨道上的电子会形成π键。 (9)正四面体结构的分子或离子的中心原子,一般采取sp3杂化形成化学键,如CCl4、N等,金刚石、晶体硅、SiO2等中C和Si也采取sp3杂化,轨道间夹角为109°28'。 2.中心原子杂化轨道类型的判断 (1)根据杂化轨道数目判断 杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对,而两个原子之间只能形成一个σ键,故有下列关系:杂化轨道数目=价层电子对数目=σ键电子对数目+中心原子的孤电子对数目,再由杂化轨道数目确定杂化类型。 代表物质 杂化轨道数 中心原子杂化轨道类型 CO2 0+2=2 sp CH2O 0+3=3 sp2 CH4 0+4=4 sp3 SO2 1+2=3 sp2 NH3 1+3=4 sp3 H2O 2+2=4 sp3 (2)根据杂化轨道的空间分布判断 ①若杂化轨道在空间的分布呈正四面体形,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。 (3)根据杂化轨道之间的夹角判断 ①若杂化轨道之间的夹角为109°28',则中心原子发生sp3杂化。 ②若杂化轨道之间的夹角为120°,则中心原子发生sp2杂化。 ③若杂化轨道之间的夹角为180°,则中心原子发生sp杂化。 (4)以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化轨道类型 ①没有形成π键,采取sp3杂化,如CH4、CCl4等。 ②形成一个π键,采取sp2杂化,如CH2CH2等。 ③形成两个π键,采取sp杂化,如CH≡CH、CO2等。 3.杂化轨道类型与分子空间结构的关系 (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。 杂化类型 sp sp2 sp3 轨道 组成 一个ns轨道和 一个np轨道 一个ns轨道和 两个np轨道 一个ns轨道和 三个np轨道 轨道 夹角 180° 120° 109°28' 杂化 轨道 示意图 实例 BeCl2 BF3 CH4 分子 结构 示意图 分子 空间 结构 直线形 平面三角形 正四面体形 (2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对参与相互排斥,会使分子的空间结构与杂化轨道的形状有所区别。在杂化轨道的基础上,略去孤电子对,即为分子的空间结构。 ABn型 分子 VSEPR 模型 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、N、 H2O 【知识迁移应用】 例 下图表示某原子在形成分子时的杂化过程。关于该过程,下列说法正确的是 (　) A.该过程表示的是sp3杂化 B.图中的s轨道可能属于K层 C.杂化后,pz轨道可用于形成π键 D.杂化前,p轨道可能比s轨道的能量低 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)所有原子轨道都参与杂化 (　) (2)杂化轨道能量集中,有利于牢固成键 (　) (3)杂化方式相同的分子,空间结构一定相同 (　) (4)sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂形成的一组能量相同的新轨道 (　) (5)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同,但能量不同 (　) (6)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同 (　) 2.下列有关杂化轨道的说法错误的是 (　) A.第ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道 B.杂化轨道既可以形成σ键也可以形成π键 C.混杂时保持轨道数目不变,杂化后得到能量相同、方向不同的新轨道 D.s轨道和p轨道不可能有sp4杂化出现 3.下表中各粒子对应的空间结构及解释均正确的是 (　) 选项 粒子 空间结构 解释 A 氨基负离子(N) 直线形 N原子采取sp杂化 B 二氧化硫(SO2) V形 S原子采取sp3杂化 C 碳酸根离子(C) 三角锥形 C原子采取sp3杂化 D 乙炔(C2H2) 直线形 C原子采取sp杂化且C原子的价电子均参与成键 4.判断下列物质中心原子的杂化方式。 (1)PCl3分子中,P原子的杂化方式为　 　　。  (2)乙二胺(H2NCH2CH2NH2)是一种有机化合物,分子中N、C原子的杂化类型分别是　　　、　　　。  (3)HOCH2CN分子中碳原子的杂化轨道类型是　　　　　　。  (4)氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气: 3NH3BH3+6H2O3N+B3+9H2,B3的结构为。在该反应中,B原子的杂化轨道类型由　　 　变为　　 　。  学科网（北京）股份有限公司 $ 第2课时　杂化轨道理论简介 【新课探究】 学习任务 课前自主预习 1.相近　相等　相同　形状　方向　增强 3.(1)1个　3个　(2)1个　2个　(3)1个　1个 [问题思考] (1)提示:①甲烷分子中的碳原子采取sp3杂化。碳原子的2s轨道中1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上,这个过程称为激发,但此时各个轨道的能量并不完全相同,于是1个2s轨道和3个2p轨道发生混杂,形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道(其中每个杂化轨道中s成分占,p成分占)。 ②4个sp3杂化轨道上的电子相互排斥,使4个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的4个顶点,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,从而形成CH4分子。由于4个C—H σ键完全相同,所以形成的CH4分子的空间结构为正四面体形,键角是109°28'。 (2)提示:乙烯分子中C原子采取sp2杂化,杂化轨道数目与参与杂化的原子轨道数目相同,杂化后,形成的一组杂化轨道能量相同,即形成的3个sp2杂化轨道的能量相同。 (3)提示:乙炔分子中C原子采取sp杂化。sp杂化—直线形;sp2杂化—平面三角形;sp3杂化—四面体形。 知识迁移应用 例　C　[解析] 该过程为sp2杂化,同一能层上的1个s轨道和2个p轨道杂化形成键角为120°的3个sp2杂化轨道,还有1个pz轨道未参与杂化,A错误;K层上只有1s轨道,没有p轨道,则图中的s轨道不可能属于K层,应该在L层及以后能层,B错误;由图可知,该过程表示sp2杂化,未参与杂化的pz轨道可用于形成π键,C正确;由杂化原则可知,只有能量相近的轨道才能相互杂化,即同一能级上的ns和np轨道才能杂化,则杂化前,p轨道比s轨道的能量高,D错误。 【课堂评价】 1.(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)√　 [解析] (4)同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂可形成一组能量相同的新轨道。 2.B　[解析] 第ⅠA族元素的价层电子排布为ns1,最外层只有一个ns电子,不可能形成杂化轨道,A正确;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,B错误;混杂时轨道数目不变,杂化后得到的新轨道能量相同、方向不同,C正确;由于np能级只有3个原子轨道,s轨道和p轨道杂化只有sp、sp2、sp3三种,D正确。 3.D　[解析] N中N原子采取sp3杂化,且孤电子对数为2,离子的空间结构为V形,A项错误;SO2中S原子的价层电子对数为σ键个数+孤电子对数=2+×(6-2×2)=3,杂化轨道数为3,采取sp2杂化,孤电子对数为1,分子的空间结构为V形,B项错误; C中C原子的价层电子对数为3+×(4+2-3×2)=3,不含孤电子对,杂化轨道数为3,采取sp2杂化,离子空间结构为平面三角形,C项错误;C2H2中C原子采取sp杂化,且C原子的价电子均参与成键,所以分子的空间结构为直线形,D项正确。 4.(1)sp3　(2)sp3　sp3 (3)sp3和sp　(4)sp3　sp2 [解析] (1)PCl3中心P原子的价层电子对数为3+=4,采取sp3杂化。 (2)N原子上的σ键电子对数是3,孤电子对数是1,故N原子的杂化类型是sp3;C原子上的σ键电子对数是4,无孤电子对,故C原子的杂化类型是sp3。 (3)根据HOCH2CN的结构简式,其中与羟基(—OH)相连的碳原子为饱和碳原子,价层电子对数为4+0=4,杂化类型为sp3,另一碳原子与氮原子形成碳氮三键,三键中含有1个σ键和2个π键,该碳原子的价层电子对数为2 ,所以杂化类型为sp。 (4)NH3BH3中B原子形成4个σ键,无孤电子对,B原子的杂化轨道类型为sp3,根据B3的结构式,B原子形成3个σ键,无孤电子对,B原子的杂化轨道类型为sp2,故B原子的杂化轨道类型由sp3变为sp2。 学科网（北京）股份有限公司 $