鲁科版高中化学选择性必修2第2章微粒间相互作用与物质性质第2节第1课时杂化轨道理论课件

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第2节　共价键与分子的空间结构第1课时　杂化轨道理论知识点一　杂化轨道理论知识点二　杂化轨道类型与分子空间结构的关系学以致用·随堂检测全达标目 录 索 引 知 识 点 一知识点一　杂化轨道理论1.杂化轨道　只在形成分子的过程中发生,孤立的原子不可能发生杂化在外界条件影响下,原子内部能量　　　　的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫作原子轨道的杂化,组合后形成的一组新的原子轨道叫作　　　　　　　　,简称杂化轨道。s轨道和p轨道杂化后,杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的空间取向,而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更　　　　。通常,有多少个原子轨道参加杂化,就形成　　　　个杂化轨道。 相近杂化原子轨道牢固多少2.甲烷分子中碳原子的杂化类型 2s2p能量相同3.杂化轨道的类型 一定不存在sp4杂化,p能级只有3个轨道 111123234180°120°109°28'4.苯分子中碳原子的杂化类型 根据杂化轨道理论,形成苯分子时每个碳原子的价电子原子轨道发生杂化(如s、px、py),由此形成的三个sp2杂化轨道在　　　　　　　　。这样,每个碳原子的两个sp2杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成σ键,于是六个碳原子组成一个　　　　　　的碳环;每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成σ键。与此同时,每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的　　　　,这六个轨道相互平行且各有　　个未成对电子,它们以　　　　　的方式相互重叠,从而形成属于六个碳原子的π键。人们把这种在多原子间形成　　　　的π键称为大π键。所以,在苯分子中,整个分子呈平面正六边形,六个碳碳键完全相同,键角皆为　　　　　。 同一平面内正六边形2p轨道1“肩并肩”多电子120°名师点拨杂化轨道的提出(1)基态碳原子的价电子排布及原子轨道图基态碳原子价电子排布基态碳原子2s及2p轨道图(2)研究事实:甲烷(CH4)—正四面体形结构,H—C—H键角为109°28'。分子结构如图:根据价键理论,碳原子的价电子中只有两个未成对的2p电子。若碳原子与氢原子结合,应形成CH2而不是CH4,即使碳原子的一个2s电子受外界条件影响跃迁到2p空轨道,使碳原子具有四个未成对电子,但这四个价电子的原子轨道是3个相互垂直的2p轨道与1个球形的2s轨道,它与四个氢原子形成的分子也不应当具有规则的正四面体形结构。为了解决这一矛盾,鲍林提出了杂化轨道理论。深度思考1个s轨道和2个p轨道参与杂化,能否形成sp杂化轨道?提示 不能。根据原子轨道杂化后轨道数目不变这一要点,1个s轨道和2个p轨道参与杂化,形成sp2杂化轨道。归纳总结杂化轨道理论四要点(1)同一原子能量相近的轨道杂化。(2)形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。(3)杂化改变原有轨道的空间取向,使原子形成的共价键更牢固。(4)杂化轨道在空间取最大夹角分布。正误判断(1)任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道。(　　)提示 只有原子内部能量相近的原子轨道才会发生杂化。(2)杂化轨道用于形成π键。(　　)提示 杂化轨道用于形成σ键或容纳未成键的孤电子对,不能用于形成π键。(3)同一类型的杂化轨道能量相同。(　　)(4)苯分子中C原子发生sp2杂化。(　　)××√√探究角度1 杂化轨道理论的解释例1 s轨道和p轨道杂化的类型不可能有(　　)A.sp杂化 B.sp2杂化C.sp3杂化 D.sp4杂化D解析 np轨道有三个:npx、npy、npz,当s轨道和p轨道杂化时只有三种类型:①sp杂化:即一个s轨道和一个p轨道的杂化;②sp2杂化:即一个s轨道和两个p轨道的杂化;③sp3杂化:即一个s轨道和三个p轨道的杂化。[对点训练1]下列有关杂化轨道的说法不正确的是(　　)A.原子中能量相近的某些轨道,在成键时能重新组合成能量相等的新轨道B.轨道杂化前后轨道数目可以相等,也可以不等C.杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理D.甲烷分子中碳原子的杂化轨道由一个2s轨道和三个2p轨道重新组合而成B解析 原子中能量相近的某些轨道,在成键时能重新组合成能量相等的新轨道,轨道数不变,轨道形状发生变化,A正确、B错误;杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理,这样形成的分子才能最稳定,C正确。归纳总结　杂化轨道理论的基本要点(1)只有原子最外电子层中不同能级中的电子可以进行轨道杂化。(2)不同能级中的电子在进行轨道杂化时,电子会从能量低的层跃迁到能量高的层,并且等性杂化。(3)几个原子轨道参与杂化,杂化后就生成几个杂化轨道。(4)杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理。探究角度2 杂化轨道的类型例2 下列说法中正确的是(　　)A.乙炔分子中,每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键B.sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合形成的4个能量不同的sp3杂化轨道C.乙烯分子中,碳原子采取sp2杂化,每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键D.CH3Cl分子中,碳原子采用sp2杂化A解析 乙炔分子的结构式为H—C≡C—H,中心原子碳原子采取sp杂化,每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键,A项正确;sp3杂化轨道是指同一电子层内能量相近的1个s轨道和3个p轨道进行重新组合,形成能量相同的4个sp3杂化轨道,B项错误;乙烯分子中碳原子采取sp2杂化,每个碳原子都有1个未杂化的2p轨道形成π键,C项错误;CH3Cl分子中,碳原子采用sp3杂化,D项错误。名师点拨　有机物中碳原子杂化方式的判断方法:(1)饱和碳原子采用sp3杂化;(2)双键上的碳原子采用sp2杂化;(3)三键上的碳原子采用sp杂化。[对点训练2]下列分子中的中心原子的杂化轨道类型相同的是(　　)A.CO2与CH2Cl2 B.C2H4与HCHOC.BeCl2与BCl3 D.C2H4与C2H2B解析 CO2中心原子为sp杂化,CH2Cl2中心原子为sp3杂化,A不正确;B选项, C2H4与HCHO中心碳原子均为双键上的碳原子,均为sp2杂化,B正确;C选项, BeCl2中心原子为sp杂化,BCl3中心原子为sp2杂化,C不正确;D选项,C2H2中心原子为sp杂化,C2H4中心原子为sp2杂化,D不正确。知 识 点 二知识点二　杂化轨道类型与分子空间结构的关系一、典型分子的空间结构1.CH4分子的空间结构CH4分子中碳原子的杂化过程如图:四个杂化轨道的未成对电子与四个氢原子的1s电子配对形成　键。因为四个共价键的键长、键角均相同,所以CH4分子的空间结构为　　 　　。σ正四面体形2.乙烯分子的空间结构乙烯分子中碳原子的杂化过程如图:乙烯分子中每个碳原子的杂化轨道中含一个未成对电子,两个碳原子各以一个sp2杂化轨道形成一个　　键,每个碳原子都以另外两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个　　键,剩下的一个未参与杂化的2p轨道以“　　　　　　”的方式重叠,形成一个　　键。 σσ肩并肩π3.乙炔分子的空间结构乙炔分子中碳原子的杂化过程如图:乙炔分子中碳原子的杂化轨道中各含一个未成对电子,两个碳原子各用一个sp杂化轨道形成一个　　键,再用另外一个sp杂化轨道分别与氢原子的1s轨道形成一个　　键,剩下的两个未参与杂化的2p轨道以“　　　　　”的方式重叠,形成　　　个　　　键。 σσ肩并肩两π4.NH3分子的空间结构(1)NH3分子为三角锥形,分子中N—H键的键角为107.3°,分子空间结构如图:(2)NH3分子中N原子的杂化类型及成键情况:氮原子的2s和2p轨道发生杂化,形成4个sp3杂化轨道,夹角应为　　　　　。其中3个sp3杂化轨道与H原子的1s轨道形成3个sp3-s σ键,剩余一个杂化轨道,存在一对未成键电子,称为孤电子对。它对成键电子对的排斥作用较强,使3个N—H键的键角减小,空间结构发生变化。 109°28'二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系1.当杂化轨道全部用于形成σ键时111123直线形平面三角形四面体形2.当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对的排斥作用,会使分子的空间结构发生变化,如H2O和NH3,O与N原子的杂化类型都为　　　　　杂化,孤电子对数分别为　　　、　　　,分子空间结构分别为　　　　、　　　　　　。 名师点拨CH4中的氢原子可以被其他原子或者原子团取代,生成如CH3Cl、CH2ClF、CH3CH3等有机化合物,在这些有机物中,碳原子仍然采用sp3杂化,且碳原子与它连接的4个原子形成四面体形(注意不是正四面体形)。拓展应用乙烯分子的空间结构可以应用到其他有机化合物中,如HCHO中含有1个碳氧双键(C═O),2个碳氢键(C—H),则HCHO中碳原子也采用sp2杂化,且碳原子与它直接相连的3个原子组成平面三角形。sp321角形三角锥形深度思考(1)NH3、CH4两分子中,N、C两原子都采用sp3杂化,为什么NH3分子空间结构是三角锥形,CH4分子的空间结构是正四面体形?提示 形成的4个sp3杂化轨道中,NH3分子中只有三个轨道中的未成对电子与氢原子的1s电子成键。另1个轨道中有一对未成键的孤电子对,未成键的孤电子对对成键电子对有较强的排斥作用,使三个N—H键之间的键角变小,成为三角锥形。而CH4分子中4个杂化轨道分别与氢原子形成共价键,这些共价键之间的键角都为109°28',因此形成正四面体形分子。(2)BeCl2分子中中心原子采用什么杂化方式? 提示 铍原子杂化后形成的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sp-p σ键,构成直线形的BeCl2分子,键角为180°。(3)BF3中的B原子采用什么杂化方式?请用杂化轨道理论解释。 提示 B原子的杂化过程如图所示硼原子杂化后形成的3个sp2杂化轨道分别与氟原子的3p轨道发生重叠,形成3个sp2- p σ键,构成平面正三角形的BF3分子,键角为120°。正误判断(1)ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道。(　　)(2)孤电子对有可能参与杂化。(　　)(3)杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对,未参与杂化的p轨道可用于形成π键。(　　)(4)PH3与AlCl3一样都是平面正三角形结构。(　　)提示 PH3与NH3一样都是三角锥形,AlCl3与BF3一样都是平面正三角形。√√√×探究角度1 典型分子的空间结构例1 下列关于NH3和CO2的说法正确的是(　　)A.都是直线形结构B.中心原子都采取sp杂化C.NH3为三角锥形结构,CO2为直线形结构D.N原子和C原子上都没有孤电子对C解析 NH3和CO2分子的中心原子分别采取sp3杂化、sp杂化,但NH3分子的N原子上有1对孤电子对未参与成键,根据杂化轨道理论,NH3的空间结构应为三角锥形,CO2的空间结构为直线形。思路剖析　在CO2分子中,碳原子形成的2个sp 杂化轨道分别与两个氧原子的p轨道形成2个sp-p σ键。碳原子上两个未参与杂化的p轨道从侧面与氧原子的未成键的p轨道分别肩并肩发生重叠,形成属于3个原子的多电子的大π键。[对点训练1]下列分子的空间结构是正四面体形的是(　　)①CH4　②NH3　③CCl4　④SiF4　⑤C2H4A.①②③ B.①③④C.②④⑤ D.①③⑤B解析 CH4、CCl4、SiF4分子中中心原子都采用sp3杂化,与其所连接的4个原子形成键长、键角均相同的正四面体形分子。探究角度2 杂化轨道类型与分子空间结构的关系例2 甲醛分子的结构式为 ,下列描述正确的是(　　)A.甲醛分子中有4个σ键B.甲醛分子中的碳原子为sp3杂化C.甲醛分子中的氧原子为sp杂化D.甲醛分子为平面三角形,有一个π键垂直于三角形平面D解析 甲醛分子为平面三角形,所以中心原子碳应为sp2杂化,形成三个杂化轨道,分别与氧原子和两个氢原子形成σ键,还有一个未参与杂化的p轨道与氧原子形成π键,该π键垂直于杂化轨道的平面。归纳总结　由中心原子杂化类型可以判断分子的空间结构,同样由分子的空间结构也可以判断中心原子的杂化类型。分子结构为直线形,中心原子采用sp杂化;分子结构为平面形,中心原子采用sp2杂化;分子结构为四面体形,中心原子采用sp3杂化;分子结构为角形,中心原子有1对孤电子对时,中心原子采用sp2杂化;分子结构为角形,中心原子有2对孤电子对时,中心原子采用sp3杂化;分子结构为三角锥形,中心原子有1对孤电子对时,中心原子采用sp3杂化。[对点训练2]下列说法正确的是(　　)A.CHCl3是正四面体形结构,中心原子为sp3杂化B.H2O分子中氧原子为sp2杂化,其分子空间结构为角形C.CS2中碳原子为sp杂化,为直线形分子结构D.PH3中P原子为sp3杂化,是四面体形分子结构C解析 CHCl3中心原子为sp3杂化,C—H键与其他3条C—Cl键键长不相同,是四面体形结构,并非正四面体形结构,A错误;H2O分子中氧原子为sp3杂化,其分子空间结构为角形,B错误;CS2与CO2结构相似,碳原子为sp杂化,为直线形分子结构;PH3结构与NH3相似,P原子为sp3杂化,是三角锥形分子结构, D错误。名师点拨　同主族元素与同种原子构成结构相似的分子时,中心原子的杂化方式相同,空间结构相同。学以致用·随堂检测全达标1234567题组1 杂化轨道理论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.中心原子形成的杂化轨道中不一定只有1个电子A1234567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;轨道杂化有利于增大电子云重叠程度,有利于形成牢固的化学键,故C项正确;并不是所有的杂化轨道中都会有1个电子,也可以有1对孤电子对(如NH3的形成),故D项正确。12345672.下列关于杂化轨道的叙述正确的是(　　)A.杂化轨道可以用于形成σ键和π键B.杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对C.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由氮原子的三个p轨道与氢原子的s轨道杂化而成的D.在乙烯分子中1个碳原子的三个sp2杂化轨道与三个氢原子的s轨道重叠形成三个C—H σ键B1234567解析 杂化轨道不能用于形成π键,A不正确;杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对,故B正确;NH3中氮原子的sp3杂化轨道是由氮原子的一个s轨道和三个p轨道杂化而成的,C不正确;在乙烯分子中,一个碳原子的三个sp2杂化轨道中的两个sp2杂化轨道与两个氢原子的s轨道重叠形成两个C—H σ键,剩下的一个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成一个C—C σ键,D不正确。12345673.能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为(　　) D解析 碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个相同的杂化轨道,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。12345674.已知三聚氰胺的结构简式如图所示。三聚氰胺是氰胺(H2N—C≡N)的三聚体,请回答下列问题:(1)写出基态碳原子的价电子排布式:　　　　　。 (2)HCN分子、三聚氰胺分子和C2H6分子中的碳原子,这三种碳原子的杂化轨道类型分别是　　　　　、　　　　　、　　　　　　。 (3)1 mol三聚氰胺分子中有　　　　个σ键。 2s22p2spsp2sp315NA1234567解析 (2)HCN结构式为H—C≡N,直线形分子,碳原子采取sp杂化,三聚氰胺分子为平面分子,碳原子采取sp2杂化,C2H6中的碳原子为饱和碳原子,碳原子采取sp3杂化。(3)一个三聚氰胺分子除每个双键中有一个π键外,其余均为σ键,共15个,则1 mol三聚氰胺分子,含有15NA个σ键。1234567题组2 杂化轨道类型与分子空间结构的关系5.有关甲醛分子的说法正确的是(　　)①碳原子采取sp杂化　 ②甲醛分子为三角锥形结构　③碳原子采取sp2杂化　 ④甲醛分子为三角形结构A.①② B.②③C.③④ D.①④C解析 甲醛分子(CH2O)中的碳原子采取的是sp2杂化,三个杂化轨道呈三角形,其中两个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的s轨道形成C—H σ键,另一个sp2杂化轨道与氧原子的p轨道形成一个σ键,碳原子中未用于杂化的一个p轨道与氧原子的p轨道形成一个π键。12345676.下列化合物中,中心原子的杂化类型和空间结构皆相同的是(　　)A.CO2和SO2 B.CH4和SO3C.BF3和NH3 D.H2S和H2SeD解析 CO2中心原子是sp杂化,直线形分子,SO2中心原子为sp2杂化,角形分子,A错误;CH4中心原子为sp3杂化,是正四面体形分子,SO3中心原子是sp2杂化,是平面三角形,B错误;BF3中心原子是sp2杂化,是平面三角形分子,NH3中心原子为sp3杂化,是三角锥形分子,C错误;H2S和H2Se中心原子都是sp3杂化,是角形分子,D正确。12345677.已知次氯酸分子的结构式为H—O—Cl,下列有关说法正确的是(　　)A.O原子发生sp杂化B.O原子与H、Cl都形成σ键C.该分子为直线形分子D.该分子电子式是B解析 HClO分子的结构式为H—O—Cl,O原子应为sp3杂化,形成4个杂化轨道,其中有2个是孤电子对,另2个杂化轨道分别与H原子和Cl原子各形成1个σ键。因为O原子是sp3杂化,所以分子空间结构为角形,其电子式为 ,故B项正确。