2025春高二化學(xué)選擇性必修2 （配人教版）第二章 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 第二節(jié) 分子的空間結(jié)構(gòu) 第2課時 雜化軌道理論簡介

雜化軌道理論簡介第2課時學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過雜化軌道理論的學(xué)習(xí),能描述雜化軌道的形成及特點(diǎn),能分析判斷簡單分子中心原子雜化軌道(sp、sp2、sp3)的類型。2.通過實例了解共價分子具有特定的空間結(jié)構(gòu),能從微觀角度解釋中心原子的雜化類型對分子空間結(jié)構(gòu)的影響,能運(yùn)用雜化軌道理論對分子或離子的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。任務(wù)分項突破『自主梳理』1.雜化軌道理論的提出雜化軌道理論是一種

理論,是

為了解釋分子的空間結(jié)構(gòu)提出的。學(xué)習(xí)任務(wù)1認(rèn)識雜化軌道理論價鍵鮑林2.用雜化軌道理論解釋甲烷分子的形成在形成CH4分子時,碳原子的

軌道和3個

軌道發(fā)生混雜,混雜時保持軌道總數(shù)

,得到4個新的能量相同、方向不同的

雜化軌道。4個

雜化軌道分別與4個氫原子的1s軌道重疊,形成4個C—H

鍵?？杀硎緸?s2p不變sp3sp3σ3.常見雜化軌道類型及其空間結(jié)構(gòu)(1)sp3雜化軌道。sp3雜化軌道是由

個s軌道和

個p軌道雜化形成的。sp3雜化軌道間的夾角是109°28′,空間結(jié)構(gòu)為

(如圖所示)。13正四面體形(2)sp2雜化軌道。sp2雜化軌道是由

個s軌道和

個p軌道雜化而成的。sp2雜化軌道間的夾角是

,呈

(如圖所示)。12120°平面三角形(3)sp雜化軌道。sp雜化軌道是由

個s軌道和

個p軌道雜化而成的。sp雜化軌道間的夾角是

,呈

(如圖所示)。11180°直線形『互動探究』雜化軌道理論是一種價鍵理論,是鮑林為解釋分子的空間結(jié)構(gòu)提出的。在形成多原子分子時,中心原子價電子層上的某些能量相近的原子軌道發(fā)生混雜,重新組合成一組新的軌道的過程,叫做軌道的雜化。探究軌道雜化過程的正確理解問題1:任意軌道之間都可以雜化嗎?2s軌道與3p軌道能否形成sp2雜化軌道?提示:不能。只有能量相近的原子軌道才能形成雜化軌道,2s與3p不在同一能層,能量相差較大,不可雜化。問題2:雜化軌道與原軌道相比,數(shù)量、能量、軌道形狀及延伸方向等是否改變?提示:形成的雜化軌道與參與雜化的原子軌道數(shù)目相同,但能量不同。雜化會改變原有軌道的形狀和伸展方向,使原子形成的共價鍵更牢固。問題3:sp、sp2兩種雜化形式中還有未參與雜化的p軌道,它參與形成的化學(xué)鍵和雜化軌道形成的化學(xué)鍵是否相同?提示:不相同。sp、sp2兩種雜化形式中未參與雜化的p軌道用于形成π鍵,而雜化軌道只用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對。問題4:雜化軌道數(shù)與價層電子對數(shù)有何關(guān)系?提示:雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對,而兩個原子之間只能形成一個σ鍵,故有下列關(guān)系,雜化軌道數(shù)目=價層電子對數(shù)目=σ鍵電子對數(shù)目+中心原子的孤電子對數(shù)目。歸納拓展雜化軌道理論的正確理解『題組例練』1.下列關(guān)于雜化軌道的說法錯誤的是(

)A.并不是所有的原子軌道都參與雜化B.同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化C.雜化軌道能量集中,有利于牢固成鍵D.雜化軌道都用來成鍵√解析:參與雜化的原子軌道,其能量不能相差太大,如1s與2s、2p的能量相差太大,不能形成雜化軌道,即只有能量相近的原子軌道才能參與雜化,故A、B正確;雜化軌道的電子云一頭大一頭小,成鍵時利用大的一頭,可使電子云的重疊程度更大,形成牢固的化學(xué)鍵,故C正確;并不是所有的雜化軌道都成鍵,也可以容納孤電子對(如NH3、H2O的形成),故D錯誤。2.下列有關(guān)sp2雜化軌道的說法錯誤的是(

)A.由同一能層上的s軌道與p軌道雜化而成B.共有2個能量相同的雜化軌道C.每個sp2雜化軌道中s能級成分占三分之一D.sp2雜化軌道最多可形成3個σ鍵√解析:同一能層上s軌道與p軌道的能量差異不是很大,相互雜化的軌道的能量差異不能過大,A正確;同種類型的雜化軌道能量相同,共有3個能量相同的雜化軌道,B錯誤;sp2雜化軌道是由1個s軌道與2個p軌道雜化而成的,C正確;sp2雜化軌道最多可形成3個σ鍵,D正確。學(xué)習(xí)任務(wù)2探究雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系『自主梳理』雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系109°28′雜化類型spsp2sp3雜化軌道示意圖軌道夾角180°120°

直線形VSEPR模型名稱

分子空間結(jié)構(gòu)

實例CO2SO3SO2CH4NH3H2OVSEPR模型平面三角形四面體形直線形平面三角形V形正四面體形三角錐形V形『互動探究』用價層電子對互斥模型只能解釋分子的空間結(jié)構(gòu),卻無法解釋許多深層次的問題,如無法解釋甲烷分子中四個C—H的鍵長、鍵能相同及H—C—H的鍵角為109°28′。雜化軌道理論不僅可以解釋CH4的空間結(jié)構(gòu),還能解釋CO2、SO2、SO3、H2O、NH3等諸多典型物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。探究雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系問題1:CH4、NH3、H2O中心原子的雜化軌道類型都是sp3,試用雜化軌道理論解釋NH3、H2O的空間結(jié)構(gòu)為何與CH4不同。提示:NH3分子中氮原子的價層電子排布式為2s22p3。1個2s軌道和3個2p軌道經(jīng)雜化后形成4個sp3雜化軌道,其中3個sp3雜化軌道分別與3個氫原子的1s原子軌道重疊,形成3個N—Hσ鍵,1個sp3雜化軌道被1個孤電子對占據(jù)。sp3雜化軌道為正四面體形,故NH3為三角錐形的空間結(jié)構(gòu),由于孤電子對的排斥作用,使3個N—H鍵角變小。H2O分子中氧原子的價層電子排布式為2s22p4。1個2s軌道和3個2p軌道經(jīng)雜化后形成4個sp3雜化軌道,其中2個雜化軌道中各有1個未成對電子,分別與氫原子的1s軌道重疊形成σ鍵,另2個雜化軌道被孤電子對占據(jù),不與氫原子成鍵,因此分子空間結(jié)構(gòu)為V形。由于2個孤電子對的排斥作用,使2個O—H的鍵角變小。問題2:根據(jù)甲烷、乙烯和乙炔中碳原子的雜化方式分析分子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道類型有何關(guān)系?提示:①當(dāng)雜化軌道全部用于形成σ鍵時,分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)相同;②當(dāng)雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對時,孤電子對對成鍵電子對的排斥作用會使分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的形狀有所不同。歸納拓展1.常見ABn型分子雜化類型與空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系如下表。ABn型分子中心原子雜化類型價層電子對數(shù)中心原子孤電子對數(shù)空間結(jié)構(gòu)實例AB2或(B2A)sp20直線形CO2sp231V形SO2sp342V形H2O、H2S、AB3sp230平面三角形BF3、SO3sp341三角錐形NH3、PCl3、NF3、H3O+AB4sp340四面體形CH4、SiH4、CCl4、CH3Cl2.當(dāng)雜化軌道全部用于形成σ鍵時,分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)相同?！侯}組例練』1.鮑林提出雜化軌道理論能解釋分子的空間結(jié)構(gòu),下列關(guān)于粒子的描述正確的是(

)選項粒子空間結(jié)構(gòu)解釋ASO2V形硫原子采取sp2雜化BBF3三角錐形硼原子采取sp3雜化CC2H4平面三角形碳原子采取sp2雜化D四面體形氯原子采取sp3雜化√2.下列分子或離子的中心原子為sp3雜化,且雜化軌道容納了1個孤電子對的是(

)√3.根據(jù)雜化軌道理論可以判斷分子的空間結(jié)構(gòu),試根據(jù)相關(guān)知識填空。(1)AsCl3的空間結(jié)構(gòu)為

,其中As的雜化軌道類型為

。三角錐形sp3解析:(1)AsCl3中As的價層電子對數(shù)為4,As采用sp3雜化,AsCl3分子的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形。(2)CS2中C的雜化軌道類型為

。

sp(3)CH3COOH中C的軌道雜化類型為

。sp3、sp2解析:(3)CH3COOH的結(jié)構(gòu)式為,分子中甲基上的碳原子采用sp3雜化,羧基中碳原子采用sp2雜化。模型認(rèn)知判斷中心原子雜化軌道類型的常用方法方法一:根據(jù)中心原子的價層電子對數(shù)判斷。中心原子的價層電子對數(shù)=σ鍵數(shù)+孤電子對數(shù)中心原子價層電子對數(shù)234雜化類型spsp2sp3[說明]s、p能級共有4個軌道,全部雜化最多有4個雜化軌道,當(dāng)計算出價層電子對數(shù)超過4時,必然有d軌道參與雜化,且參與雜化的d軌道數(shù)=價層電子對數(shù)-4。示例價層電子對數(shù)孤電子對數(shù)雜化類型分子的空間結(jié)構(gòu)PCl550sp3dSF660sp3d2方法二:根據(jù)分子的結(jié)構(gòu)式判斷。雜化類型sp3sp2spC的成鍵方式4個單鍵1個雙鍵和2個單鍵2個雙鍵或1個三鍵和1個單鍵N的成鍵方式3個單鍵1個雙鍵和1個單鍵1個三鍵[說明]該方法一般用于有機(jī)物分子中C、N的雜化類型判斷。方法三:根據(jù)雜化軌道之間的夾角判斷。內(nèi)容夾角雜化軌道類型不同的雜化方式,其雜化軌道之間的夾角不同,所以可根據(jù)雜化軌道間的夾角判斷分子或離子中心原子的雜化軌道類型109°28′sp3120°sp2180°sp方法四:根據(jù)分子的空間結(jié)構(gòu)判斷。分子的空間結(jié)構(gòu)雜化軌道類型四面體形或三角錐形sp3平面三角形sp2直線形sp『知識整合提升』學(xué)科素養(yǎng)測評氯吡苯脲是一種常用的膨大劑,其結(jié)構(gòu)簡式為,也是一種常用的植物生長調(diào)節(jié)劑。(1)氯元素基態(tài)原子核外電子的未成對電子數(shù)為

。1解析:(1)根據(jù)構(gòu)造原理可知,氯元素基態(tài)原子核外電子排布式是1s22s22p63s23p5,所以未成對電子數(shù)為1。(2)氯吡苯脲晶體中,氮原子的雜化軌道類型為

,羰基碳原子的雜化軌道類型為

。

sp2、sp3解析:(2)根據(jù)氯吡苯脲的結(jié)構(gòu)簡式可知,有2個氮原子均形成3個單鍵,孤電子對數(shù)為1,為sp3雜化,剩余1個氮原子形成1個雙鍵和1個單鍵,孤電子對數(shù)為1,為sp2雜化;羰基碳原子形成2個單鍵和1個雙鍵,為sp2雜化。sp2(3)查文獻(xiàn)可知,可用2-氯-4-氨基吡啶與異氰酸苯酯反應(yīng),生成氯吡苯脲:NA反應(yīng)過程中,每生成1mol氯吡苯脲,斷裂

個σ鍵,斷裂

個π鍵。

NA解析:(3)由于σ鍵比π鍵更穩(wěn)定,根據(jù)化學(xué)方程式可以看出,斷裂的化學(xué)鍵為異氰酸苯酯分子中的NC中的π鍵和2-氯-4-氨基吡啶分子中的N—H(σ鍵)。(4)膨大劑能在動物體內(nèi)代謝,其產(chǎn)物較為復(fù)雜,其中有H2O、NH3、CO2等。①請用共價鍵知識解釋H2O分子比NH3分子穩(wěn)定的原因: