高中化学选择性必修二 第2章　第2节　第2课时　杂化轨道理论简介

第2课时　杂化轨道理论简介

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2s轨道和三个2p轨道发生混杂，形成4个能量相等的sp3杂化轨道。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C—Hσ键，所以4个C—H键是等同的。

2．杂化轨道的形成及其特点

3．杂化轨道类型及其空间结构

(1)sp3杂化轨道

sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是109°28′，空间结构为正四面体形(如下图所示)。

(2)sp2杂化轨道

sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是120°，呈平面三角形(如下图所示)。

(3)sp杂化轨道

sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是180°，呈直线形(如下图所示)。

微点拨：sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。

(4)VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型

1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(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)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。 (√)

(3)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体形。               (×)

(4)凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键。

  (×)

2．能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为(　　)

D　[碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子4个价电子分占在4个sp3杂化轨道上，且自旋状态相同。]

3．ClO－、ClO、ClO、ClO中，中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键，则ClO－的空间结构是________；ClO的空间结构是________；ClO的空间结构是________；ClO的空间结构是________。

[解析]　ClO－的组成决定其空间结构为直线形。其他 3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化，从离子的组成上看其空间结构依次类似于H2O、NH3、CH4(或NH)。

[答案]　直线形　V形　三角锥形　正四面体形

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：

(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？

提示：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)2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道？

提示：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)用杂化轨道理论解释NH3、H2O的空间结构？

提示：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的键角变小，成为三角锥形的空间结构。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的键角变得更小，成为V形的空间结构。

(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？

提示：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。

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

(1)利用价层电子对互斥理论、杂化轨道理论判断分子构型的思路：

价层电子对杂化轨道数杂化类型杂化轨道构型。

(2)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°28′，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。

(3)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，连接三键的碳原子采取sp杂化。

1．下列分子中中心原子的杂化方式和分子的空间结构均正确的是(　　)

A．C2H2：sp2、直线形　 B．SO：sp3、三角锥形

C．H3O＋：sp3、V形 D．BF3：sp2、平面三角形

D　[乙炔的结构式为H—C≡C—H，每个碳原子价层电子对个数是2且不含孤电子对，所以C原子采用sp杂化，为直线形结构；SO中硫原子的价层电子对数＝4，孤电子对数为0，采取sp3杂化，为正四面体形；H3O＋中氧原子的价层电子对数＝3＋1＝4，所以中心原子原子轨道为sp3杂化，该离子中含有一个孤电子对，所以其空间结构为三角锥形；BF3分子中硼原子价层电子对数＝3＋0＝3，杂化轨道数为3，孤电子对数为0，所以其空间结构为平面三角形。]

2．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，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或V形

D．AB3型的分子空间结构必为平面三角形

C　[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＋＝4，因此NCl3分子中氮原子以sp3杂化，选项A错误；sp3杂化轨道是原子最外电子层上的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空间结构为四面体形，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，则空间结构发生变化，如NH3、PCl3分子是三角锥形，选项D错误，选项C正确。 ]

3．计算下列各粒子中心原子的杂化轨道数、判断中心原子的杂化轨道类型、写出VSEPR模型名称。

 [答案]　　(1)2　sp　直线形　(2)4　sp3　正四面体形　(3)4　sp3　四面体形　(4)4　sp3　四面体形　(5)3　sp2　平面三角形

1．下列关于杂化轨道的说法错误的是(　　)

A．并不是所有的原子轨道都参与杂化

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．杂化轨道都用来成键

D　[参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p的能量相差太大，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、B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，可使电子云的重叠程度更大，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成键，也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成)，故D项错误。]

2．三氯化磷分子中的中心原子以sp3杂化，下列有关叙述正确的是(　　)

①3个P—Cl键长、键角均相等

②空间结构为平面三角形

③空间结构为正四面体形

④空间结构为三角锥形

A．①②　　　　　 B．②③

C．③④ D．①④

D　[PCl3中P原子采取sp3杂化，有一对孤电子对，结构类似于NH3分子，3个P—Cl键长、键角均相等，空间结构为三角锥形。]

3．有关乙炔分子中的化学键描述不正确的是(　　)

A．两个碳原子采用sp杂化方式

B．两个碳原子采用sp2杂化方式

C．每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道形成π键

D．两个碳原子形成两个π键

B　[乙炔中每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对，所以碳原子采用sp杂化，A正确，B错误；每个碳原子中两个未杂化的2p轨道肩并肩重叠形成π键，C正确；两个碳原子之间形成1个σ键2个π键，D正确。]

4．下列关于原子轨道的说法正确的是(　　)

A．杂化轨道形成共价键时，只能形成σ键不能形成π键

B．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键

C．凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是正四面体形

D．CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合起来而形成的

A　[AB3型的共价化合物，A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化，B错误；中心原子采取sp3杂化，轨道形状是正四面体，但如果中心原子还有孤电子对，分子的空间结构则不是正四面体，C错误；CH4分子中的sp3杂化轨道是C原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的，D错误。]

5．根据杂化轨道理论可以判断分子的空间结构，试根据相关知识填空：

(1)AsCl3分子的空间结构为________，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________。

[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分子的空间结构为三角锥形。(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