高2016级化学选修3杂化轨道学习辅导资料

高2016级化学选修3杂化轨道学习辅导资料
甲烷分子实测的和VSEPR模型预测的立体结构都是正四面体。

若认为CH4里的中心原子碳的4个价电子层原子轨道——2s和2px，2py，2pz分别跟4个氢原子的1s原子轨道重叠形成σ键，但碳原子的3个2p轨道是相互垂直，而2s轨道是球形的。

用它跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体构型的甲烷分子，因此，VSEPR模型理论无法解释甲烷为什么能形成四个相同的轨道？
鲍林提出杂化轨道理论认为:当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时,碳原子的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，却得到4个相同的轨道，夹角109°28′，成为sp3杂化轨道，形成4个C-H δ键，因此，呈正四面体的立体结构。

在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，若干类型不同而能量相近的原子轨道相互混杂，重新组合成一组能量相等，成分相同的新轨道，这一过程称为杂化。

经过杂化而形成的新轨道叫做杂化轨道，杂化轨道与其他原子轨道重叠时形成σ共价键。

原子在形成分子的过程中，为了使所成化学键强度更大，更有利于体系能量的降低，总趋向于将原来的原子轨道进一步线性组合，以形成新的原子轨道。

【杂化轨道理论简介】
1.杂化：在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫杂化轨道。

2.杂化过程：杂化轨道理论认为:在形成分子时,通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程；
鲍林认为：
【分析】甲烷分子的形成过程：碳原子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“混杂”起来，形成能量相等，成分相同的4个sp3杂化轨道，然后4个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥，使四个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点，碳原子的4个sp3杂化轨道分别于4个H原子的1s轨道形成4个相同的δ键，从而形成甲烷分子为正四面体的空间构型。

3、杂化轨道的类型：
(1)sp3杂化：1个s轨道和3个p轨道会发生混杂，得到4个相同的轨道，夹角109°28′，称为sp3杂化轨道。

规律：空间结构：空间正四面体或V型、三角锥型。

凡属于VESPR模型的AY4的分子中心原子A都采取sp3杂化类型。

例如CH4、NH3、H2O等。

(2) sp2杂化：同一个原子的一个ns轨道与两个np轨道进行杂化组合为sp2杂化轨道。

(3) sp 杂化：同一原子中ns-np杂化成新轨道：一个s轨道和一个p 轨道杂化组合成两个新的sp杂化轨道。

【规律】先确定分子或离子的VSEPR模型，然后就比较方便地确定中心原子的杂化轨道类型。

几种杂化轨道之后的分子空间形态
sp杂化：直线型
sp2杂化：平面三角形（等性杂化为平面正三角形）
sp3杂化：空间四面体（等性杂化为正四面体）
[科学探究]
1、写出HCN分子和CH2O分子的结构式。

2．用VSEPR模型对HCN分子和CH2O分子的立体结构进行预测(用立体结构模型表示) 3．写出HCN分子和CH2O分子的中心原子的杂化类型。

4．分析HCN分子和CH2O分子中的π键。

总结①：sp3、sp2和sp三种杂化轨道在空间的排布
该图最右边画出了未参与sp2化和sp杂化的剩余p轨道与杂化轨道的空间关系——未参与sp2杂化的1个p轨道垂直于杂化轨道形成的平面；未参与sp杂化的2个p轨道与sp 杂化轨道形成的直线呈正交关系（即相互垂直）。

注意：杂化轨道总是用于构建分子的σ轨道，未参与杂化的p轨道才能用于构建π键。

总结②：一些多原子分子中心原子的杂化轨道类型。

杂化轨道数：中心原子的孤对电子对数与相连的其他原子个数之和。

练习：利用杂化轨道理论，探究以下分子的空间构型。

4、杂化类型的判断
杂化轨道理论的引进是为了更好的解释有关分子的空间构型和分子的相关性质，其核心思想是多原子分子中心原子将能级相近、能量较低的价层轨道相互作用，重新组合、再分配，构建成新的轨道，即杂化轨道，轨道杂化的目的是为了更有利于原子成键，成键时能力更强，
有利于分子的形成。

这部分知识较抽象，理论性强，学生在应用上有很大的难度。

通过对学生的错误分析，我认为关键是中心原子的杂化类型能否准确判断，杂化类型判断正确，结合分子组成、价层电子对互斥理论，就容易解决分子构型、分子性质的相关问题。

从考试说明中不难看出，考核要求是简单的杂化类型判断，对d轨道参与杂化的不作要求，即仅限于sp、sp2、sp3三种类型的判断，就此三种杂化类型的判断方法作如下归纳。

（1）取代法
以中学常见的、熟悉的基础物质分子为原型，用其它原子或原子团取代原型分子中的部分原子或原子团，得到的新分子中心原子与原型分子对应的中心原子的杂化类型相同。

如：
①CH3CH=CH2分子中C原子的杂化类型判断，看作乙烯基取代了甲烷分子中的一个H 原子，则甲基C原子为sp3杂化，也可看作甲基取代了乙烯分子中的一个H原子，故两个不饱和C原子均为sp2杂化。

②(CH3)3N看作三个甲基取代了NH3分子中的三个H原子而得，所以其分子中N原子采用sp3杂化。

③H2O2看作羟基取代了H2O分子中一个H原子，H2O2中O原子应为sp3杂化。

④B(OH)3看作三个羟基取代了BF3中的F原子，可知B(OH)3中B原子为sp2杂化。

（2）价电子对数计算法
对于ABm型分子(A为中心原子，B为配位原子)，只要能准确计算出分子的中心原子的价层电子对数n，则能作出快速判断。

根据价电子对数可以有以下结论：
分子价电子对数n 几何构型中心原子杂化类型
BeCl2 2 直线型sp
BF3 3 平面三角形sp2
SiCl4 4 正四面体sp3
一般来讲，计算出的n值即为杂化轨道数，能直接对映中心原子的杂化类型。

如SO42－的n=4，中心原子S原子为sp3杂化；NO3－的n=3，中心原子N原子为sp2杂化；ClO3－、ClO4－的n均为4，Cl原子均为sp3杂化（但离子空间构型不同，从价层电子对互斥模型看，前者为三角锥形，后者为正四面体型）。

☆但这种方法不适用于结构模糊或复杂的分子、离子，如NO
2+、H
2
B=NH2等的中心原
子杂化类型学生就很难用该法进行判断，但可以从其它途径确定。

（3）等电子原理应用
等电子体具有相同的结构特征，则等电子体的中心原子的杂化类型相同。

用此方法将结构模糊或复杂的分子、离子转化成熟悉的等电子体，然后进行确定。

如NO2+、H2B=NH2分别与CO2、CH2=CH2互为等电子体，而CO2、CH2=CH2中心原子C原子分别为sp、sp2杂化，则NO2+中心原子N原子为sp杂化，H2B=NH2中心原子B、N原子均为sp2杂化。

（4）价键直查法
从杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未杂化轨道形成π键，杂化轨道形成σ键，若未参与成键，剩余的必然是杂化轨道上的孤对电子。

在能够明确结构式的分子、离子中心原子杂化类型分析时，可直接用下式判断：杂化轨道数n=中心原子的键数+中心原子的孤电子对数（多重建只算一个键数。

多重键中只有一个σ键，其余均为π键），可方便找到中心原子的杂化类型。

如：
①SiF4分子中Si原子轨道杂化类型分析，基态Si原子有4个价电子，与4个F原子恰好形成4个键，无未成键电子，n=4，则SiF4分子中Si原子采用sp3杂化；
②基态C原子有4个价电子，在HCHO分子中，C原子与2个H原子形成2个σ键，与O原子形成C=O双键，C=O双键中有1个σ键、1个π键，C原子无剩余价电子，n=3，则HCHO分子中C原子采用sp2杂化；
③三聚氰胺分子中有两种环境的N原子，环外N原子形成3个σ键，用去基态N原子5个价电子中的3个，余下1个孤电子对，n=4，则环外N原子采用sp3杂化，环内N原子形成2个σ键、1个π键，用去基态N原子5个价电子中的3个，余下1个孤电子对，n=3，
则环内N原子采用sp2杂化。

三聚氰胺的结构如图所示：。