杂化轨道理论课件

三、杂化轨道理论简介
CH4分子（sp3杂化）
2p
2s
激发
2p
2s
sp3
sp3杂化
三、杂化轨道理论简介
（1）sp3杂化
（2）要点：
基态 原子
激发态 原子 1个S轨 道和3个 P轨道
混杂
4个相同的 SP3杂化轨道
除sp3杂化轨道外，还有sp杂化轨道和sp2杂化轨道。sp 杂化轨道由1个s轨道和1个p轨道杂化而得；sp2杂化轨道 由1个s轨道和2个p轨道杂化而得。
键
H C O H
小结：s-p型的三种杂化比较
杂 化 类 型 sp Sp2 sp3
参与杂化的 1个 s + 1个p 1个s + 2个p 1个s + 3个p 原子轨道
杂 化 轨 道 数
杂化轨道 间夹角 空 间 构 型 实 例
2个sp杂化轨道
3个sp2杂化轨 4个sp3杂化轨 道 道
1800
直 线 BeCl2 , C2H2
理论分析：B原子的三个SP2杂化轨道分别与3个F 原子含有单电子的2p轨道重叠，形成3个sp2-p的σ 键。故BF3 分子的空间构型是平面三角形。
实验测定：BF3分子中有3个完全等同的B-F键， 键角为1200 ，分子的空间构型为平面三角形。
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BCl3、CO32–、NO3–、H2C=O、SO3、烯烃>C=C<结构
直线形 V形 V形
平面三角形 三角锥形 正四面体 四面体 正四面体
SiCl4
CHCl3 NH4+
1 0
0 0
3 4 4
4
课堂练习：
1、多原子分子的立体结构有多种，三原子分子的立体结构有＿＿ ＿直线 形和 V 形，大多数四原子分子采取 平面三角 形和 ＿ 三角锥 形两种立体结构，五原子分子的立体结构中最常见的是 ＿＿ 正四面体 形。 D 2 、下列分子或离子中，不含有孤对电子的是 ＿＿＿ A、H2O、B、H3O+、C、NH3、D、NH4+ 3 、下列分子①BCl3、②CCl4、③H2S、④CS2中,其键角由小到大 ③②① 的顺序为＿＿＿ ④ 4、以下分子或离子的结构为正四面体，且键角为109°28′ 的是＿ C ＿＿＿ ①CH4 ②NH4+ ③CH3Cl ④P4 ⑤SO42A、①②③ B、①②④ C、①②⑤ D、①④⑤
实例分析1： 试解释CCl4分子的空间构型。
CCl 4 分子的中心原子是C，其价层电子组态为 2s22px12py1。在形成CCl4分子的过程中，C原子的 2s轨道上的1个电子被激发到2p空轨道，价层电子 组态为2s12px12py12pz1，1个2s轨道和3个2p轨道进 行sp3杂化，形成夹角均为109028′的4个完全等同 的sp3杂化轨道。其形成过程可表示为
例3：写出下列分子的路易斯结构式并指 出中心原子可能采用的杂化轨道类型， 并预测分子的几何构型。 (1) PCl3 (2)BCl3 (3)CS2 (4) C12O
实例分析3： 试说明BF3分子的空间构型。
BF 3 分子的中心原子是B，其价层电子排布为 2s22px1 。在形成BF3分子的过程中，B原子的2s轨 道上的1个电子被激发到2p空轨道，价层电子排布 为2s12px12py1 ，1个2s轨道和2个2p轨道进行sp2杂 化，形成夹角均为1200的3个完全等同的SP2杂化 轨道。其形成过程可表示为：
理论分析：C原子的4个sp3杂化轨道分别与4个Cl 原子含有单电子的2p轨道重叠，形成4个sp3-p的σ 键。故CCl4 分子的空间构型是正四面体.
实验测定：CCl4分子中有四个完全等同的C-Cl键， 其分子的空间构型为正四面体。
2. sp杂化：同一原子中1个s轨道与1个p轨道 杂化形成2个sp杂化轨道。每个杂化轨道的s 成分为1/2，p成分为1/2，杂化轨道之间的夹 角为180度。
分子或离子
结构式
VSEPR模型
分子或离子的立体结 构
HCN
+ NH4
H N
C
H + H N H H H +
H O H
H3O+
SO2
O =S =O
F BF
3
B F
F
应用反馈:
化学式
HCN SO2 NH2－ BF3 H3O+ 中心原子 孤对电子数 中心原子结 合的原子数
空间构型
0 1 2 0
2 2 2 3
例：4Be 2p
2s
sp杂化
sp 两个sp杂化轨道
2p
其他例子： CO2、HC≡CH
实例分析2： 试分析BeCl2分子的形成和空间构型。
Be原子的价层电子排布为2s2 。在形成BeCl2 分子的过程中，Be原子的1个2s电子被激发到2p空 轨道，价层电子排布变为为2s1 2px1 。这2个含有 单电子的2s轨道和2px轨道进行sp杂化，组成夹角 为180 0 的2个能量相同的sp杂化轨道，其形成过 程可表示为：
中的中心原子都是以sp2杂化的。
以sp2杂化轨道构建结构骨架的中心原子必有一
个垂直于sp2-骨架的未参与杂化的p轨道，如果这个
轨道跟邻近原子上的平行p轨道重叠，并填入电子，
就会形成π键。如，乙烯H2C=CH2、甲醛H2C=O。
石墨、苯中碳原子也是以sp2杂化的：
Ｃ的sp2杂化
2p 2s
2p 2s
p
小结
孤对电子对对分子立体结构影响较大。
代表物
CO2 中心原子 结合的原子 数 2 3 4 2
中心原子
分子 类型
AB2 AB3 AB4
空间构型
直线形 平面三角形 正四面体 V形
无孤对电 子
CH2O CH4
有孤对电 子
H2O
AB2
三角锥形
NH3
3
AB3
原因： 中心原子上的孤对电子也要占据中心原子 周围的空间，并参与互相排斥。例如，H2O和 NH3的中心原子分别有2对和l对孤对电子，跟 中心原子周围的σ键加起来都是4，它们相互排 斥，形成四面体，因而H2O分子呈V形，NH3分 子呈三角锥形。
这是为什么呢？
为了补充了价键理论的不足，鲍林(Pauling)在价键理 论基础上提出了“杂化”假设。 三、杂化理论： 1.在形成分子时，每一原子中能量相近的“轨道”会 发生重组，形成新的原子轨道，这个过程称“杂化”， 新的原子轨道称“杂化轨道”。 2.杂化前后原子“轨道”总数不变，但能量趋于平均 化，“杂化轨道”的对称性更高，杂化后轨道伸展方 向，形状发生改变，更有利于成键。 3.原子可用“杂化轨道”与其它原子的轨道（或“杂 化轨道”）重叠形成共价键。
H2 O
例1：下列分子中的中心原子杂化轨道的类 型相同的是 ( B ) A．CO2与SO2 B．CH4与NH3 C．BeCl2与BF3 D．C2H2与C2H4
例2：对SO2与CO2说法正确的是( D ) A．都是直线形结构 B．中心原子都采取sp杂化轨道 C． S原子和C原子上都没有孤对电子 D． SO2为V形结构， CO2为直线形结构
第二节 分子的立体结构
（第二课时）
思考：
价层电子对互斥模型只能解释化合物分子的空间构 形，却无法解释许多深层次的问题，如无法解释甲 烷中四个C-H的键长、键能相同及H-C-H的键角为 10928′。因为按照我们已经学过的价键理论，甲 烷的4个C-H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4 个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形 的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠， 不可能得到四面体构型的甲烷分子。
理论分析：Be原子上的两个SP杂化轨道分别与2个 Cl原子中含有单电子的3p轨道重叠，形成2个spp 的σ键，所以BeCl2分子的空间构型为直线。
实验测定：BeCl2分子中有2个完全等同的BeCl键， 键角为1800 ，分子的空间构型为直线。
乙炔中的碳原子为sp杂化，分子呈直线构型。 1）sp杂化
0.120nm
3.sp2杂化：一个s轨道与两个p轨道杂化，得三个sp2 杂化轨道，每个杂化轨道的s成分为1/3，p成分为2/3， 三个杂化轨道在空间分布是在同一平面上，互成120º
例：BF3中B的电子构型:1s22s22p1
sp2杂化
+
BF3分子的形成：
F 3F + B F B F 120°（平面三角形）
1200
正三角形
1090 28’
正四面体
BF3 , C2H4 CH4 , CCl4
杂化轨道数=
中心原子孤对电子对数＋中心原子结合的原子数
结合上述信息完成下表： 代表物 CO2 CH2O CH4 SO2 NH3 杂化轨道数 杂化轨道类型 分子结构 0+2=2 0+3=3 0+4=4 1+2=3 1+3=4 2+2=4 sp sp2 sp3 sp2 sp3 sp3 直线形 平面三角形 正四面体形 V形 三角锥形 V形
项目
分子式
ABn 型分 子( n 值)
中心 原子 所含 孤对 电子
VSEPR模型
对数
价层电 子对的 空间构 型
分子的立体 结构模型
分子 的空 间构 型 直线形 Ｖ形
三角锥形
CO2
2 2 3 3
0 2 1
直线形
四面体
H2O
NH3 CH2O CH4
四面体
平面三角 形 正四面体
0 0
平面三角形
4
正四面 体
激发
2P
2S
杂化
2P
SP
2）空间结构是直线型： H C C H 三个σ键在一条直线上。 180° 0.106nm 两个碳原子的sp杂化轨道沿各自对称轴形成C—C 键，另两个sp杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重 叠形成两个C—H 键，两个py轨道和两个pz轨道分别 从侧面相互重叠，形成两个相互垂直的C—C键，形 成乙炔分子。
二、价层电子对互斥理论
内容
对ABn型的分子或离子，中心原子A价层电子对 （包括成键σ键电子对和未成键的孤对电子对）之 间由于存在排斥力，将使分子的几何构型总是采取 电子对相互排斥最小的那种构型，以使彼此之间斥 力最小，分子体系能量最低,最稳定。
σ键电子对和 孤对电子对
排斥力最小
中心原子上无孤对电子的分子：VSEPR模 型就是其分子的立体结构。 中心原子上存在孤对电子的分子：先由价 层电子对数得出含有孤对电子的价层电子 对互斥模型，然后略去孤对电子在价层电 子对互斥模型占有的空间，剩下的就是分 子的立体结构。
sp
杂 化
2
激 发
乙烯中的Ｃ在轨道杂化时，有一个Ｐ轨道未参 与杂化，只是Ｃ的２s与两个２p轨道发生杂化， 形成三个相同的sp2杂化轨道，三个sp2杂化轨 道分别指向平面三角形的三个顶点。未杂化p 轨道垂直于sp2杂化轨道所在平面。杂化轨道 间夹角为120°。
键
H C C H H H = H H C H CH H C O = H