人教版(2019)选修性必修2导学案第2章　第2节　第2课时　杂化轨道理论简介

第 2 课时 杂化轨道理论简介 发 展 目 标 体 系 构 建 1. 知道杂化轨道理论的基本内容。 2.能根据杂化轨道理论确定简单分子的空间结构。 1．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 2s 轨道和三个 2p 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—Hσ键，所以 4 个 C—H 键是等同的。 2．杂化轨道的形成及其特点 3．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)。 微点拨：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。 (4)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 1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。) (1)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同，但能量不同。 (√) (2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。 (√) (3)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。 (×) (4)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．能正确表示 CH4 中碳原子的成键方式的示意图为( ) D [碳原子的 2s 轨道与 2p 轨道形成 4 个等性的杂化轨道，因此碳原子 4 个价电子分占在 4 个 sp3 杂化轨道上，且自旋状态相同。] 3．ClO－、ClO－ 2 、ClO－ 3 、ClO － 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________；ClO － 2 的空间结构是________；ClO － 3 的空间结构是________；ClO － 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 NH＋ 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 在形成多原子分子时，中心原子价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： (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 对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。由于孤电子对对共用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。 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――→判断 杂化轨道数――→判断 杂化类型――→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。 1．下列分子中中心原子的杂化方式和分子的空间结构均正确的是( ) A．C2H2：sp2、直线形 B．SO2－ 4 ：sp3、三角锥形 C．H3O＋：sp3、V 形 D．BF3：sp2、平面三角形 D [乙炔的结构式为 H—C≡C—H，每个碳原子价层电子对个数是 2 且不含孤电子对，所以 C 原子采用 sp 杂化，为直线形结构；SO 2－ 4 中硫原子的价层电子对数＝4，孤电子对数为 0，采取 sp3 杂化，为正四面体形；H3O＋中氧原子的价层电子对数＝3＋1＝4，所以中心原子原子轨道为 sp3 杂化， 该离子中含有一个孤电子对，所以其空间结构为三角锥形；BF3 分子中硼原子价层电子对数＝3＋0 ＝3，杂化轨道数为 3，孤电子对数为 0，所以其空间结构为平面三角形。] 2．下列说法中正确的是( ) A．NCl3 分子呈三角锥形，这是氮原子采取 sp2 杂化的结果 B．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 C．中心原子采取 sp3 杂化的分子，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或 V 形 D．AB3 型的分子空间结构必为平面三角形 C [NCl3 分子中心氮原子上的价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数＝3＋5－3×1 2 ＝4，因 此 NCl3 分子中氮原子以 sp3 杂化，选项 A 错误；sp3 杂化轨道是原子最外电子层上的 s 轨道和 3 个 p 轨道“混杂”起来，形成能量相等、成分相同的 4 个轨道，选项 B 错误；一般中心原子采取 sp3 杂 化的分子所得到的空间结构为四面体形，如甲烷分子，但如果有杂化轨道被中心原子上的孤电子对 占据，则空间结构发生变化，如 NH3、PCl3 分子是三角锥形，选项 D 错误，选项 C 正确。 ] 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。 [答案] (1)2 sp 直线形 (2)4 sp3 正四面体形 (3)4 sp3 四面体形 (4)4 sp3 四 面体形 (5)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 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。] 2．三氯化磷分子中的中心原子以 sp3 杂化，下列有关叙述正确的是( ) ①3 个 P—Cl 键长、键角均相等 ②空间结构为平面三角形 ③空间结构为正四面体形 ④空间结构为三角锥形 A．①② B．②③ C．③④ D．①④ D [PCl3 中 P 原子采取 sp3 杂化，有一对孤电子对，结构类似于 NH3 分子，3 个 P—Cl 键长、 键角均相等，空间结构为三角锥形。] 3．有关乙炔分子中的化学键描述不正确的是( ) A．两个碳原子采用 sp 杂化方式 B．两个碳原子采用 sp2 杂化方式 C．每个碳原子都有两个未杂化的 2p 轨道形成π键 D．两个碳原子形成两个π键 B [乙炔中每个碳原子价层电子对数是 2 且不含孤电子对，所以碳原子采用 sp 杂化，A 正确， B 错误；每个碳原子中两个未杂化的 2p 轨道肩并肩重叠形成π键，C 正确；两个碳原子之间形成 1 个σ键 2 个π键，D 正确。] 4．下列关于原子轨道的说法正确的是( ) A．杂化轨道形成共价键时，只能形成σ键不能形成π键 B．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 C．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 D．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 轨道混合起来而形成 的 A [AB3 型的共价化合物，A 原子可能采取 sp2 杂化或 sp3 杂化，B 错误；中心原子采取 sp3 杂 化，轨道形状是正四面体，但如果中心原子还有孤电子对，分子的空间结构则不是正四面体，C 错 误；CH4 分子中的 sp3 杂化轨道是 C 原子的一个 2s 轨道与三个 2p 轨道杂化而成的，D 错误。] 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 原子轨道杂化类型为________。 [解析] (1)AsCl3 中 As 元素价电子对数为 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