学案5：2.2.2杂化轨道理论

第2课时杂化轨道理论
【学习目标导航】
1．了解杂化轨道理论的基本内容。

2．能根据有关理论判断简单分子或离子的立体构型。

(重点)
【基础梳理】
1．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
在形成CH4分子时，碳原子的一个轨道和三个轨道发生混杂，形成四个能量相等的杂化轨道。

四个杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子，所以四个C—H键是等同的。

可表示为
2．杂化轨道的类型与分子立体构型的关系
杂化类型sp sp2sp3
参与杂化的原子轨道及数目n s 1 1 1 n p
杂化轨道数目
杂化轨道间的夹角
杂化轨道示意图
立体构型
实例BeCl2、CO2、CS2BCl3、BF3、BBr3CF4、SiCl4、SiH4
[思考探究]
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：
问题思考：
(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？
(2)2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道？
(3)用杂化轨道理论解释NH3、H2O的立体构型？
(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？
[认知升华]
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
方法1：根据价层电子对数判断
杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对，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＝价层电子对数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数。

方法2：根据共价键类型判断
由于杂化轨道形成σ键或容纳孤电子对，未参与杂化的轨道可用于形成π键，故有如下规律：
(1)中心原子形成1个三键，则其中有2个π键，是sp杂化，如CH≡CH。

(2)中心原子形成2个双键，则其中有2个π键，是sp杂化，如O===C===O。

(3)中心原子形成1个双键，则其中有1个π键，是sp2杂化，如：HCOH，CH2CH2。

(4)中心原子只形成单键，则按方法1判断。

方法3：根据等电子体原理判断
等电子体的结构相似、立体构型也相似，中心原子杂化类型相同。

如：H2O和H2S，CO2、CS2和N2O，BF3、SO3、NO－3和CO2－3，CCl4、SO2－4和PO3－4，NF3，PCl3和SO2－3等。

【题组训练】
题组1杂化轨道类型及其判断
1．下列分子中的中心原子采取sp2杂化的是()
①C6H6②C2H2③C2H4④C3H8⑤CO2
⑥BeCl2⑦SO3⑧BF3
A．①②⑥⑦B．③⑤⑦⑧
C．①③⑦⑧D．③⑤⑥⑦
2．在BrCH＝CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是()
A．sp-p B．sp2-s
C．sp2-p D．sp3-p
3．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是()
A．CO2与SO2B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2
题组2杂化轨道类型与分子构型
4．甲烷分子(CH4)失去一个H＋，形成甲基阴离子(CH－3)，在这个过程中，下列描述不合理的是()
A．碳原子的杂化类型发生了改变
B．微粒的形状发生了改变
C．微粒的稳定性发生了改变
D．微粒中的键角发生了改变
5．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，其立体构型可能是四面体形或三角锥形或V形D．AB3型的分子立体构型必为平面三角形
6．根据杂化轨道理论可以判断分子的立体构型，试根据相关知识填空：
(1)AsCl3分子的立体构型为________，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________。

参考答案
【基础梳理】
1．2s 2p sp3sp3
2．1 2 3 180°120°109°28′直线形平面三角形正四面体形【互动探究】
[思考探究]
(1)【答案】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)【答案】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)【答案】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键的键角变小，成为三角锥形的立体构型。

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键的键角变得更小，成为V形的立体构型。

(4)【答案】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。

【题组训练】
1．【解析】苯分子的碳原子采取sp2杂化；乙炔分子中的碳原子采取sp杂化；乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化；丙烷分子中的碳原子类似于甲烷中的碳原子，采取sp3杂化；CO2分子中碳原子采取sp杂化；氯化铍分子中铍原子采取sp杂化；三氧化硫分子中S原子采取sp2杂化；三氟化硼分子中的B原子采取sp2杂化。

【答案】 C
2．【解析】分子中的两个碳原子都是采用sp2杂化，溴原子的价电子排布式为4s24p5,4p轨道上有一个单电子，与碳原子的一个sp2杂化轨道成键。

【答案】 C
3．【解析】中心原子的杂化情况为：A选项CO2为sp杂化，SO2为sp2杂化，不合题意；
B选项中CH4为sp3杂化，NH3也为sp3杂化，符合题意；C选项中BeCl2为sp杂化，BF3
为sp2杂化，不合题意；D选项中C2H4为sp2杂化，C2H2为sp杂化，不合题意。

【答案】 B
4．【解析】CH4为正四面体结构，而CH－3为三角锥形结构，形状、键角、稳定性均发生
改变，但杂化类型不变，仍是sp3杂化。

【答案】 A
5．【解析】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
3杂化，选项A错误；sp3杂化轨道是原子最外电2＝4，因此NCl3分子中氮原子以sp
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立体构型为四面体形，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，则构型发生变化，如NH3、PCl3分子是三角锥形，选项D错误，选项C正确。

【答案】 C
6．【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
立体构型为三角锥形。

(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。