高中化学专题4第1单元第1课时杂化轨道理论与分子空间构型教案苏教版选修3

第1课时杂化轨道理论与分子空间构型

[核心素养发展目标] 1.了解杂化轨道理论，能从微观角度理解中心原子的杂化轨道类型对分子空间构型的影响。2.通过对杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型的判断方法，建立分子空间构型分析的思维模型。

一、杂化轨道及其理论要点

1．试解释CH4分子为什么具有正四面体的空间构型？

(1)杂化轨道的形成

碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，1个2s轨道和3个2p轨道“混合”起来，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道，可表示为

(2)共价键的形成

碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个相同的σ键。

(3)CH4分子的空间构型

甲烷分子中的4个C—H键是等同的，C—H键之间的夹角——键角是109.5°，形成正四面体型分子。

2．轨道杂化与杂化轨道

(1) 轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成一组新轨道的过程叫做原子轨道的杂化。

(2)杂化轨道：重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。

(3)轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。

3．杂化轨道的类型

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。

(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，但杂化轨道的形状完全相同。

例1 下列关于杂化轨道的说法错误的是( )

A．所有原子轨道都参与杂化形成杂化轨道

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．杂化轨道中不一定有一个电子

答案 A

解析参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s轨道与2s、2p轨道能量相差太大，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项错误，B项正确；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会有电子，也可以是空轨道，也可以有一对孤电子对(如NH3)，故D项正确。

例2 下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是( )

A．由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成

B．共有3个能量相同的杂化轨道

C．每个sp2杂化轨道中s轨道成分占三分之一

D．sp2杂化轨道最多可形成2个σ键

答案 D

解析同一能层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大，相互杂化的轨道的能量差异也不能过大，A项正确；同种类型的杂化轨道能量相同，B项正确；sp2杂化轨道是由一个s轨道与2个p轨道杂化而成的，C项正确；sp2杂化轨道最多可形成3个σ键，D项错误。

二、用杂化轨道理论解释分子的形成及分子中的成键情况

1．用杂化轨道理论解释BeCl2、BF3分子的形成

(1)BeCl2分子的形成

杂化后的2个sp杂化轨道分别与氯原子的3p轨道发生重叠，形成2个σ键，构成直线形的BeCl2分子。

(2)BF3分子的形成

2．用杂化轨道理论解释乙烯、乙炔分子中的成键情况

(1)乙烯分子中的成键情况

在乙烯分子中，C原子采取sp2杂化，形成3个杂化轨道，两个碳原子各以1个杂化轨道互相重叠，形成1个C—Cσ键，另外两个杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠，形成2个C—Hσ键，这样形成的5个键在同一平面上，此外每个C原子还剩下1个未杂化的p轨道，它们发生重叠，形成一个π键。其结构示意图如下：

(2) 乙炔分子中的成键情况

在乙炔分子中，碳原子采取sp杂化，形成2个杂化轨道，两个碳原子各以1个杂化轨道互相重叠，形成1个C—Cσ键，每一个碳原子又各以1个sp轨道分别与1个氢原子形成σ键，这样形成的3个键在同一直线上，此外每个碳原子还有2个未杂化的2p轨道，它们发生重叠，形成两个π键。其结构示意图如下：

杂化轨道的类型与分子空间构型的关系

特别提醒杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键。

例3 有关杂化轨道的说法不正确的是( )

A．杂化前后的轨道数不变，但轨道的形状发生了改变

B．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109.5°、120°、180°

C．杂化轨道既可形成σ键，又可形成π键

D．已知CO2为直线形分子，其分子结构可以用sp杂化轨道解释

答案 C

解析杂化前后的轨道数不变，杂化后，各个轨道尽可能分散、对称分布，导致轨道的形状发生了改变， A正确； sp3、sp2、sp杂化轨道其空间构型分别是正四面体型、平面三角形、直线形，所以其夹角分别为109.5°、120°、180°，B正确；杂化轨道只能形成σ键，C 错误；直线形分子的键角为180°，中心原子的杂化方式是sp, D正确。

例4 有机物C

·H3CH==C

·

H—C

·

≡CH中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为( )

A．sp、sp2、sp3B．sp3、sp2、sp

C．sp2、sp、sp3D．sp3、sp、sp2

答案 B

解析根据价层电子对互斥理论可判断C原子的杂化方式。若价电子对数是4，则C原子采取sp3杂化；若价电子对数是3，则C原子采取sp2杂化；若价电子对数是2，则C原子采取sp杂化。

方法规律——中心原子杂化类型的判断方法

(1)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°.5°，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。

(2)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，连接叁键的碳原子采取sp杂化。

1．判断正误

(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)杂化轨道的键角与分子内的键角不一定相同( √)

(3)只要分子的空间构型为平面三角形，中心原子均为sp2杂化( √)

(4)杂化方式相同的分子，空间构型一定相同( ×)

2．鲍林是两位获得诺贝尔奖不同奖项的人之一，杂化轨道是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是( )

A．sp杂化轨道的夹角最大

B．sp2杂化轨道的夹角最大

C．sp3杂化轨道的夹角最大

D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等

答案 A

解析sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109.5°、120°、180°，故A项正确。

3．下列有关sp杂化轨道的叙述正确的是( )

A．是由一个1s轨道和一个2p轨道线性组合而成

B．sp杂化轨道中的两个杂化轨道完全相同

C．sp杂化轨道可与其他原子轨道形成σ键和π键