杂化轨道理论
杂化轨道理论
一：教学目标
1：掌握碳原子的轨道杂化，了解其他原子的轨道杂化
2：了解杂化轨道与VSEPR模型的关系，从而掌握分子中的键角、分子的构型
二：教学过程
复习回顾：价层电子对互斥模型(VSEPR模型)
分子中心原子ó键电子对数价层电子对数VSEPR模型立体构型中心原子价
电子排布式CH4
BF3
BeCl2
[展示甲烷的分子模型]
甲烷的分子模型表明是空间正四面体，键角是109°28′。
然而碳原子的价电子排布式为：，价电子排布图为：，由共价键的饱和性----碳原子仅需要二个氢原子构成CH2，与甲烷的分子构型为什么有这这么大的差别呢？-----为了解释这个构型Pauling（鲍林）提出了杂化轨道理论。
1：杂化的概念：在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量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：基态激发态杂化轨道重叠
-------下面以碳原子的杂化为例学习杂化轨道理论---课本 P40
⑴ SP3杂化：sp3杂化轨道表示由一个s轨道与三个p轨道杂化形成的
基态价电子排布图激发态杂化轨道
形成的四条sp3杂化轨道，不同于s轨道，也不同于p轨道，为了使轨道间的空间能最小，轨道间的夹角就为109°28′。
四个H原子分别以1s轨道与C原子上的四个sp3杂化轨道相互重叠后，就构成了四个性质、能量和键角都完全的σ键，形成一个正四面体构型的分子。
归纳：中心原子采用sp3杂化轨道的有：CH4、CCl4、NH3、H2O、PCl3等
思考：水分子中的氧原子、氨分子中的氮原子如何进行SP3杂化的呢？与碳原子的sp3杂化有何异同？-----VSEPR模型为非正四面体
练习1：下列微粒中心元素以sp3杂化的是（）
A．ICl4- B．ClO4- C．BrF4+ D．SF4
⑵ sp2杂化： sp2杂化轨道表示由一个s轨道与两个p轨道杂化形成的
如乙烯分子：每个C原子的2个sp2杂化轨道分别与2个H原子的1s轨道形成2个相同的键，各自剩余的1个sp2杂化轨道相互形成一个键，各自没有杂化的l个2p 轨道则垂直于杂化轨道所在的平面，彼此肩并肩重叠形成键。
所以，在乙烯分子中有个δ键、个∏键，构成、键角。
----中心原子采用sp2杂化轨道的有：石墨、乙烯、苯、甲醛、BF3、SO2、SO3、CO32-、NO3-等
思考：BF3分子中硼原子的杂化过
⑶ sp杂化：sp杂化轨道表示由一个s轨道与一个p轨道杂化形成的。
SP杂化轨道 P轨道
如乙炔分子：两个碳原子以sp杂化轨道与氢原子的1s轨道结合形成σ键。
各自剩余的1个sp杂化轨道相互形成1个σ键，两个碳原子
的未杂化2p轨道分别在Y轴和Z轴方向重叠形成键。
所以乙炔分子中有个δ键、个∏键，构
成、键角。
----中心原子采用sp 杂化轨道的有：HC≡CH、BeCl2、CO2、Ag(NH3)2+等。
思考：BeCl2分子中硼原子的杂化过程
思考:杂化轨道理论中中心原子为什么要进行“激发”“杂化”?
练习2：下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的（）
A．CO2与SO2 B．CH4与NH3 C．BeCl2与BF3 D．C2H2与C2H4
小结：（1）碳原子的杂化方式
（2）：杂化轨道的轨道形状：SP杂化轨道夹角为180°的直线型，--------- 轨道数：2
SP2杂化轨道夹角为120°的平面三角型，-----轨道数：3
SP3杂化轨道夹角为109°28′的正四面体构型。
轨道数：4 （3）：杂化轨道理论的要点
(1) 发生轨道杂化的原子一定是，只有原子时才发生杂化。
(2) 参加杂化的各原子轨道能量要（同一能级组或相近能级组的轨道）。
(3) 杂化轨道的完全相同，在空间构型上都具有一定的（以减小化学键之间的排斥力），形成的杂化轨道在成键时更有利于轨道间的。
(4) 杂化前后原子轨道数目不变：参加杂化的轨道数目形成的杂化轨道数目；
(5) 分子的构型主要取决于原子轨道的杂化类型。
(6)杂化轨道只能用于形成或者用来容纳未参与成键的，不能用于形成∏键。
3：杂化轨道数中心原子价层电子对数
中心原子孤对电子对数中心原子结合的原子数（或σ键电子对数）
代表物中心原子孤对
电子对数中心原子价层
电子对数
杂化轨道数杂化轨道立体构型
BeCl2 2
NO3- 3
SO2 3
SO3 3
PCl3 4
------应用轨道杂化理论，探究分子的立体结构。
课本---P41------思考与交流
练习（填空）： 3：在HCN中C原子以杂化、含有个σ键和个π键；
CH2O中C原子以杂化、含有个σ键和个π键。
4：
化学式中心原
子含有
孤对电
子对数中心原
子结合
的原子
数
杂化轨
道数
杂化轨
道类型
VSEPR
模型
VSEPR模型
名称
立体构
型名称
键角
CH4正四面体109028，BF3 3 1200 CO2SP 1800 NH31070 H2O V形1050 HCHO 0（？）1200 CO32- 3 1200 5：其他几种粒子的中心原子杂化轨道类型
粒子中心原子或离子配体或结合的原子杂化轨道类型立体构型名称[Ag(NH3)2]+Ag+SP
[Cu(NH3)4]2+dsp2平面四边形[Fe(CN)6]3+d2sp3正八面体形PCl5sp3d 三角双锥
练习5：根据杂化轨道理论，请预测下列分子或离子的几何构型：
O3， ClO3-
CNO- ， PH3
1 B ；
2 B ；
3 sp 2 2 ; sp2 3 2 ；
4 略
5、sp2杂化，V形； sp3杂化，三角锥形； sp杂化直线形；sp3杂化，三角锥形
课本 P43—你能指出N的杂化轨道类型吗？。
选修3杂化轨道理论
NH3
试写出实验中发生的两个反应的离 子方程式？
Cu 2+ +2NH3 .H2O
Cu（OH）2 +2 NH4 +
C蓝u色（沉OH淀）2 + 4NH3 . H2O
[Cu(NH3) 4]2+ +2OH—+4H2O 深蓝色溶 液
实验2-3
Fe 3+ +SCN— 硫氰酸根
[Fe (SCN) ]2+ 由于该离子的颜
2s
2p
激发 2s
2p
杂化 正四面体形
C的基态
H
C
H
H
H
激发态
109°28’
sp3 杂化态
1 sp3 杂化
一个s轨道与三个p轨道杂化后，得四个sp3杂化轨道， 每个杂化轨道的s成分为1/4，p成分为3/4，它们的空间 取向是四面体结构，相互的键角θ=109º28′
CH4,CCl4
NH3中N也是采取sp3杂化
血红 色
色极似血液，常
被用于电影特技
和魔术表演。
练习书写： 向硝酸银溶液中逐渐滴加氨水的离子方程式
SP
直线形
SP2
平面三角形
SP3
正四面体形
SP2
V形
SP3
三角锥形
SP3
V形
四 配合物理论简介： 实验2-1
CuSO4 CuCl2.2H2O CuBr2 NaCl
固体颜色 白色 绿色
深褐色 白色
K2SO4 白色
KBr 白色
溶液颜色 天蓝色 天蓝色 天蓝色 无色 无色 无色
思考：前三种溶液呈天蓝色大概与什么物质有关？依据是什么？
BF3分子形成
2.2杂化轨道理论
1 AB4 2 AB3
变形四面 体Leabharlann SF4T形ClF3
2
3 AB2
直线形
I
3
价层 价层电 成键 孤对 分子 电子对的排 分子构型 实 例
电子 子对排 电子 电子 类型 布方式
对数 布
对数 对数
6
0 AB6
正八面体 SF6
6 八面体 5
1 AB5
四方锥形 IF5
4
2 AB4
平面正方 形
ICl4
碳的sp杂化轨道
CH ≡ CH的结构
4.不等性 杂化
4.不等性 杂化
4.判断 杂化中心原子杂化类型的方法
sp3
饱和碳
sp2
双键碳
sp
叁键碳
一般方法
①看中心原子有没有形成双键或叁键，如果有1个叁键，则 其中有2个π键，用去了2个p轨道，形成的是sp杂化；如果 有1个双键则其中有1个π键，形成的是sp2杂化；如果全部 是单键，则形成的是sp3杂化。
SO2 X2Y 型
H2O
结构
键极性 极性键
分子极性 形状
非极性分 子
直线型
极性键 极性分子 角型
极性键 极性分子 角型
H2S
极性键 极性分子 角型
常见分子的构型及其分子的极性（四）
类型 实例
BF3 XY3 型
NH3
结构
键极性 分子极性 形状
极性键
非极性分 直平面
子
三角型
极性键
极性分子
三角锥 型
常见分子的构型及其分子的极性（五）
几种常见的杂化轨道类型
杂化类型
sp
sp2
sp3
杂化轨道排布 直线形 三角形
杂化轨道理论
杂化轨道理论杂化轨道理论基本介绍核外电子在一般状态下总是处于一种较为稳定的状态，即基态。
而在某些外加作用下，电子也是可以吸收能量变为一个较活跃的状态，即激发态。
在形成分子的过程中，由于原子间的相互影响，单个原子中，具有能量相近的两个电子亚层中，具有能量较低的电子亚层的一个或多个电子会激发而变为激发态，进入能量较高的电子亚层中去，即所谓的跃迁现象，从而新形成了一个或多个能量较高的电子亚层。
此时，这一个与多个原来处于较低能量的电子亚层的电子所具有的能量增加到与原来能量较高的电子亚层中的电子相同。
这样，这些电子的轨道便混杂在一起，这便是杂化，而这些电子的状态也就是所谓的杂化态。
概述1931年,Linus Carl Pauling提出轨道杂化理论。
实验事实基础是许多分子的键角不等于原子轨道间夹角。
如氧原子与氢原子组成的水分子H－O－H的键角是104.5o，不等于氧的2py与2pz轨道间的夹角90o。
类似的，NH3分子中H－N－H的键角也不等于90o，实际测得107.3o。
实验测得甲烷分子CH4是四面体结构，H－C－H键角为109.5o。
要点⑴ 在形成分子（主要是化合物）时，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道 (一般为同一能级组的原子轨道)可以进行线性组合(杂化)，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新的一组原子轨道。
⑵杂化轨道成键能力大于原来的原子轨道。
因为杂化轨道的形状变成一头大一头小了,用大的一头与其他原子的轨道重叠,重叠部分显然会增大。
⑶ 形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理（化学键间排斥力越小，体系越稳定），为满足最小排斥原理，杂化轨道之间的夹角应达到最大。
⑷ 分子的空间构型主要取决于分子中σ键形成的骨架，杂化轨道形成的键均为σ键，所以，杂化轨道的类型与分子的空间构型相关。
相关概念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线性组合成新的原子轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。
第一节 杂化轨道理论
1931年，Pauli和Slater提出了杂化轨道的概念。
杂化轨道概念开始仅属于VB理论的范畴，后经MO法的运用，使杂化 轨道理论逐步发展成现代化学键理论的重要内容。 我国著名理论化学家唐敖 庆院士和刘若庄院士等对杂化
轨道理论进行了深入研究，提
出了计算一般键函数的矩阵变 换法，并将杂化轨道中的群论
【理由2】 由 LCAO-MO的基本原则告诉我们：对称性相匹配、能量相近的原子
轨道可从最大重叠方向进行线性组合。
【理由3】 原子轨道通过“杂化”（线性组合）后，有利于增强原子轨道的成
键能力。
由前面对原子轨道的讨论得知，原子轨道可以写成径向部分和角度
部分的乘积。即：
Φk = Ri(r)·Yi(θ,φ)
决于杂化轨道之间的夹角。
由于杂化轨道种类很多，例如： sp1杂化 sp2杂化 sp3杂化 θkl = 180º ——直线形 θkl = 120º ——平面正三角形 θkl = 109°28’——正四面体
sp2d1杂化 ——平面正方形 sp3d1杂化 ——三角双锥 sp3d2杂化 ——正八面体 „„ 在此，我们仅以s-p杂化轨道为例进行讨论。
φsp2
因为：Biblioteka 1 = φs+ 3
2 φ = p 3
1 （φs + 3
2 φ p）
λ2
1 2 = / = 2 3 3
y
即，在 sp2 等性杂化轨道中，s 轨道与 p 轨道的贡献为（1:2）。 于是： 1 + 2cosθkl = 0 θkl = arc cos(- 0.5) = 120° θkl
+
s px
后形成的新轨道称为杂化轨道(hybrid orbital)。
杂化轨道理论(图解)
杂化轨道理论(图解）一、原子轨道角度分布图S Px Py Pz dz2dx2-y2dxy dxz dyz二、共价键理论和分子结构㈠、共价键理论简介１、经典的化学键电子理论：1916年德国化学家柯塞尔(Kossel)和1919年美国化学家路易斯(Lewis)等提出了化学键的电子理论。
他们根据稀有气体原子的电子层结构特别稳定这一事实，提出各元素原子总是力图（通过得失电子或共用电子对）使其最外层具有８电子的稳定结构。
柯塞尔用电子的得失解释正负离子的结合。
路易斯提出，原子通过共用电子对而形成的化学键称为共价键(covalent [kǝu`veilent]bond[bכnd])。
用黑点代表价电子（即最外层s，p轨道上的电子），可以表示原子形成分子时共用一对或若干对电子以满足稀有气体原子的电子结构。
为了方便，常用短线代替黑点，用“－”表示共用１对电子形成的共价单键，用“＝”表示２对电子形成的共价双键，“≡”表示３对电子形成的共价叁键。
原子单独拥有的未成键的电子对叫做孤对电子(lone[lǝun]pair[pεǝ]electron[i`lektrכn])。
Lewis结构式的书写规则又称八隅规则（即８电子结构）。
评价贡献：Lewis共价概念初步解释了一些简单非金属原子间形成共价分子的过程及其与离子键的区别。
局限性：①、未能阐明共价键的本质和特性；②、八隅规则的例外很多。
PCl5SF6BeCl2BF3NO，NO2…中心原子周围价电子数10 12 4 6 含奇数价电子的分子…③、不能解释某些分子的性质。
含有未成对电子的分子通常是顺磁性的（即它们在磁场中表现出磁性）例如O2。
２、1927年德国的海特勒Heitler和美籍德国人的伦敦London两位化学家建立了现代价键理论，简称VB理论（电子配对法）。
1931年，鲍林在电子配对的基础上提出了杂化轨道理论的概念，获1954年诺贝尔化学奖。
３、1928年－1932年，德国的洪特(F.Hund)和美国的马利肯(R.S.Mulliken)两位化学家提出分子轨道理论，简称MO 理论。
轨道杂化理论
2024/1/29
23
轨道杂化理论在化学领域应用
2024/1/29
解释分子形状和键角
01
轨道杂化理论可以解释许多分子的形状和键角，如甲烷的正四
面体结构、乙烯的平面结构等。
预测分子性质和反应活性
02
通过轨道杂化理论，可以预测分子的极性、键能、反应活性等
性质，有助于理解化学反应的机理和过程。
指导新材料设计
sp3d2杂化可以解释某些分子的八面体几何构型，例如SF6等分子。
在sp3d2杂化中，s、p和d轨道混合形成六个等价的sp3d2杂化轨道，这些杂化轨道指向八 面体的六个顶点，可以容纳六个配体或基团。同时，由于八面体结构的对称性较高，因此 sp3d2杂化分子通常具有较高的稳定性和反应性。
2024/1/29
14
04
轨道杂化对物质性质影响
2024/1/29
15
空间构型与键角变化
杂化轨道的空间构型
杂化后的轨道空间构型发生变化，如sp3杂化形成四面体构型，sp2杂化形成平 面三角形构型。
键角变化
由于杂化轨道的空间构型改变，导致分子中的键角也发生变化。例如，甲烷分子 中C-H键的键角为109.5°，而乙烯分子中C=C键的键角为120°。
sd杂化可以解释某些分子的几何构型和化学键性质，例如 过渡金属配合物的形成和稳定性。
在sd杂化中，s轨道和d轨道混合形成新的杂化轨道，这些 杂化轨道具有不同的能量和形状，可以容纳更多的电子， 从而增加了分子的稳定性和反应性。
2024/1/29
12
sp3d杂化
sp3d杂化是指s、p和d轨道之间的杂 化，通常发生在中心原子具有一个空 的d轨道和三个或四个s和p电子的情 况下。
杂化轨道理论
基态
激发态
✓ 杂化轨道理论认为：在形成甲烷分子时，C原子 上的一个2s电子可被激发到2p空轨道上，形成 四个单键，这时虽然解决了4个共价键的问题， 但是如果这4个轨道，即1个s轨道和3个p轨道， 分别与4个氢原子结合，形成4个键能量是不同的， 这与事实不符。
杂化
激发态
杂化态
✓ 杂化轨道还认为：在成键过程中，这4个不同的轨 道重新组合成4个能量相等的新轨道，由于是由1个 s与3个p轨道组合而成，因而新轨道称作sp3杂化轨 道。每一个sp3杂化轨道含1/4s成分和3/4p成分.
杂化态
✓ 这4个sp3杂化轨道分别与4个氢1s轨道重叠成键， 形成CH4分子。所以四个C-H键是等同的。
H
H C
H
H
✓ 问题：
在CH4分子形成过程中，C原子的轨 道为什么要激发，杂化？激发过程所 需的能量从哪里来？
尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量 但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形 成两个C-H键放出的能量要大得多，这些能量足 以补偿电子激发所 需的能量而有余，因此，C与 H形成化合物时生成CH4而不是CH2
(4) 各种杂化轨道的“形状”均为葫芦形，由分 布在原子核两侧的大小叶瓣组成，轨道的伸 展方向是指大叶瓣的伸展方向，为简明起见 往往不给出小叶瓣。
(5) 杂化轨道的数目等于参与杂化的轨道的总数
(6) 杂化轨道可分为等性杂化轨道与不等性杂化 轨道两种。
(7) 杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原 理，键角越大，排斥力越小。杂化轨道类型不 同，成键时键角不同，分子的空间结构也不同。
轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键。因 为杂化后电子云分布更为集中，可使成键的原子 轨道间的重叠部分增大，成键能力增强，因此C 与H原子能结合成稳定的CH4
分子的立体结构(杂化轨道理论)
01
02
03
04
sp杂化
一个s轨道和一个p轨道杂化 ，形成两个sp杂化轨道，形
状为直线型。
sp2杂化
一个s轨道和两个p轨道杂化 ，形成三个sp2杂化轨道，形
状为平面三角形。
sp3杂化
一个s轨道和三个p轨道杂化 ，形成四个sp3杂化轨道，形
状为正四面体型。
其他杂化类型
如dsp2、d2sp3等，涉及d轨 道的参与，形成更复杂的分子
指导新材料的设计和合成
通过研究杂化轨道理论，可以深入了解 分子中原子间的相互作用和电子排布规 律，从而揭示分子立体结构的本质。
通过调控分子的立体结构，可以设计 和合成具有特定功能的新材料，如催 化剂、药物、光电材料等。
预测和解释分子的性质
基于杂化轨道理论，可以预测和解释 分子的几何构型、键长、键角以及分 子的物理和化学性质。
预测反应活性
通过了解分子的电子云分布和键能，可以预测分子在化学反应中的 活性和选择性。
指导新材料设计
杂化轨道理论为设计具有特定功能和性质的新材料提供了理论指导。
研究成果与不足
成果
杂化轨道理论在解释和预测分子 的立体结构方面取得了显著成果 ，成功应用于多种有机和无机化 合物的结构和性质研究。
不足
对于某些复杂体系，如过渡金属 化合物和生物大分子，杂化轨道 理论的解释力有限，需要进一步 完善和发展。
分子的立体结构杂化轨道理论
contents
目录
• 引言 • 杂化轨道理论基础 • 分子的立体构型与杂化轨道 • 杂化轨道理论与化学键性质 • 杂化轨道理论与化学反应性 • 总结与展望
01 引言
分子的立体结构概述
分子立体结构的定义
轨道杂化理论
轨道杂化理论
杂化轨道理论是一种科学理论。
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，产生的新轨道叫做杂化轨道。
1、某原子在成键时，在键合原子的作用下,同一原子中不同类型能量相近的原子轨道可能改变原有的状态,混杂起来并重新组合成一组有利于成键的新轨道（即杂化轨道）。
这一过程称为原子轨道的杂化，简称杂化。
2 、同一原子中能量相近的n 个原子轨道，组合后只能得到n 个杂化轨道。
例如，同一原子的一个ns 轨道和一个npx轨道，只能杂化成两个sp杂化轨道。
这两个sp杂化轨道的形状一样，但其角度分布最大值在x轴上的取向相反。
3 、杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力强，形成的化学键键能大，使生成的分子更稳定。
由于成键原子轨道杂化后，轨道角度分布图的形状发生了变化，形成的杂化轨道一头大一头小。
大的一头与别的原子成键时电子云可以得到更大程度的重叠，所以形成的化学键比较牢固。
杂化轨道理论
6-3-2 杂化轨道理论1. 杂化轨道理论的简要内容⑴在形成分子（主要是化合物）时，同一原子中若干能量相近的原子轨道(一般为同一能级组的原子轨道) 相互叠加（杂化）形成一组同样数目的新的原子轨道。
有关概念：杂化── 轨道的相互叠加过程叫原子轨道的杂化。
杂化轨道──原子轨道叠加后产生的新的原子轨道叫杂化轨道。
⑵杂化轨道比原来的轨道成键能力强，形成的化学键键能大，使生成的分子更稳定。
由于成键原子轨道杂化后，轨道角度分布图的形状发生了变化（形状是一头大，一头小），杂化轨道在某些方向上的角度分布，比未杂化的p轨道和s轨道的角度分布大得多，它的大头在成键时与原来的轨道相比能够形成更大的重叠，因此杂化轨道比原有的原子轨道成键能力更强。
⑶形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理（化学键间排斥力越小，体系越稳定），为满足最小排斥原理, 杂化轨道之间的夹角应达到最大。
sp, sp2, sp3杂化轨道的形状如图所示。
⑷ 分子的空间构型主要取决于分子中σ键形成的骨架，杂化轨道形成的键为σ键，所以，杂化轨道的类型与分子的空间构型相关。
2．杂化类型与分子几何类型（1）sp杂化同一原子内由一个ns轨道和一个np轨道发生的杂化，称为sp杂化。
杂化后组成的轨道称为sp杂化轨道。
sp杂化可以而且只能得到两个sp杂化轨道。
实验测知，气态BeCl2是一个直线型的共价分子。
Be原子位于两个Cl原子的中间，键角180°，两个Be－Cl键的键长和键能都相等：Cl－Be－Cl基态Be原子的价层电子构型为2s2，表面看来似乎是不能形成共价键的。
但杂化理论认为，成键时Be原子中的一个2s电子可以被激发到2p空轨道上去，使基态Be原子转变为激发态Be原子（2s12p1）：与此同时，Be原子的2s轨道和一个刚跃进的电子的2p轨道发生sp杂化，形成两个能量等同的sp杂化轨道：其中每一个sp杂化轨道都含有轨道和轨道的成分。
如图6-11所示，每个sp轨道的形状都是一头大，一头小。