高中化学物质结构杂化轨道理论

第2课时 杂化轨道理论[学习目标定位] 知道杂化轨道理论的基本内容，能根据杂化轨道理论确定简单分子的立体构型。

一 杂化轨道理论1.杂化轨道及其理论要点(1)阅读教材内容，并讨论甲烷分子中四个C—H 键的键能、键长，为什么都完全相同？ 答案 在形成CH 4分子时，碳原子的一个2s 轨道和三个2p 轨道发生混杂，形成四个能量相等的sp 3杂化轨道。

四个sp 3杂化轨道分别与四个H 原子的1s 轨道重叠成键形成CH 4分子，所以四个C—H 是等同的。

可表示为(2)由以上分析可知①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，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。

②轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。

(3)杂化轨道理论要点①原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。

②参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数。

③杂化改变了原子轨道的形状、方向。

杂化使原子的成键能力增加。

2.杂化轨道类型和立体构型 (1)sp 杂化——BeCl 2分子的形成 ①BeCl 2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BeCl 2分子。

②sp 杂化：sp 杂化轨道是由一个n s 轨道和一个n p 轨道杂化而得，每个sp 杂化轨道含有12s和12p 轨道的成分。

sp 杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形(如BeCl 2)。

③sp 杂化后，未参与杂化的两个n p 轨道可以用于形成π键，如乙炔分子中的C ≡C 键的形成。

(2)sp 2杂化——BF 3分子的形成 ①BF 3分子的形成②sp 2杂化：sp 2杂化轨道是由一个n s 轨道和两个n p 轨道杂化而得，每个sp 2杂化轨道含有13s 和23p 的成分。

sp 2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形(如BF 3)。

③sp 2杂化后，未参与杂化的一个n p 轨道可以用于形成π键，如乙烯分子中的C===C 键的形成。

(3)sp 3杂化——CH 4分子的形成 ①CH 4分子的立体构型②sp 3杂化：sp 3杂化轨道是由一个n s 轨道和三个n p 轨道杂化而得，每个sp 3杂化轨道含有14s 和34p 的成分。

sp 3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间正四面体形(如CH 4、CF 4、CCl 4)。

[归纳总结]杂化类型与分子间的空间构型[1.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°28′、120°、180°C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释D.杂化轨道全部参与形成化学键答案D解析杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对。

2.下列分子的立体构型可用sp2杂化轨道来解释的是()①BF3②CH2===CH2③④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A.①②③B.①⑤⑥C.②③④D.③⑤⑥答案A解析sp2杂化轨道形成夹角为120°的平面三角形，①BF3为平面三角形且B—F键夹角为120°；②C2H4中碳原子以sp2杂化，且未杂化的2p轨道形成π键；③同②相似；④乙炔中的碳原子为sp 杂化；⑤NH 3中的氮原子为sp 3杂化；⑥CH 4中的碳原子为sp 3杂化。

二 杂化类型及分子构型的判断1.杂化类型的判断方法杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键，故有下列关系：杂化轨道数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数，再由杂化轨道数判断杂化类型。

2.杂化轨道的立体构型与微粒的立体构型VSEPR 模型和杂化轨道的立体构型是一致的，略去VSEPR 模型中的孤电子对，就是分子(或离子)的立体构型。

杂化类型的判断方法(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――→判断杂化轨道数――→判断杂化类型――→判断杂化轨道构型。

(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sp 3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp 2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sp 3杂化，连接双键的碳原子采取sp 2杂化，连接三键的碳原子采取sp 杂化。

[活学活用]3.计算下列各微粒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。

(1)C ．S 2 、 、 。

(2)N．H＋4、、。

(3)H2O．、、。

(4)P．Cl3、、。

(5)B．Cl3、、。

答案(1)2sp直线形(2)4sp3正四面体形(3)4sp3四面体形(4)4sp3四面体形(5)3sp2平面三角形4.碳原子有4个价电子，在有机化合物中价电子均参与成键，但杂化方式不一定相同。

在乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲醛分子中，碳原子采取sp杂化的分子是(写结构简式，下同) ，采取sp2杂化的分子是，采取sp3杂化的分子是。

答案CH≡CH CH2==CH2、、HCHO CH3CH3解析采取sp杂化的分子呈直线形，采取sp2杂化的呈平面形，采取sp3杂化的呈四面体形。

杂化轨道类型VSEPR模型典型分子立体构型当堂检测1.关于原子轨道的说法正确的是()A.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其几何构型都是正四面体B.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C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相近的新轨道D.凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键答案C解析中心原子采取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，分子的空间结构不是正四面体。

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。

AB3型的共价化合物，A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。

2.原子轨道的杂化不但出现在分子中，原子团中同样存在原子轨道的杂化。

在SO2－4中S原子的杂化方式为()A.spB.sp2C.sp3D.无法判断答案C解析在SO2－4中S原子的孤电子对数为0，与其相连的原子数为4，所以根据杂化轨道理论可推知中心原子S的杂化方式为sp3杂化，立体构型为正四面体形，类似于CH4。

3.在SO2分子中，分子的立体构型为V形，S原子采用sp2杂化，那么SO2的键角()A.等于120°B.大于120°C.小于120°D.等于180°答案C解析由于SO2分子的VSEPR模型为平面三角形，从理论上讲其键角应为120°，但是由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对，对其他的两个化学键存在排斥作用，因此分子中的键角要小于120°。

4.在分子中，羰基碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为()A.sp2杂化；sp2杂化B.sp3杂化；sp3杂化C.sp2杂化；sp3杂化D.sp杂化；sp3杂化答案C解析羰基上的碳原子共形成3个σ键，为sp2杂化，两侧甲基中的碳原子共形成4个σ键，为sp3杂化。

5.ClO－、ClO－2、ClO－3、ClO－4中，中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键，则ClO－的立体构型是；ClO－2的立体构型是；ClO－3的立体构型是；ClO－4的立体构型是。

答案直线形V形三角锥形正四面体形解析ClO－的组成决定其立体构型为直线形。

其他3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化，那么从离子的组成上看其立体构型依次类似于H2O、NH3、CH4(或NH＋4)。

40分钟课时作业[基础过关]一、原子轨道杂化与杂化轨道1.下列关于价层电子对互斥理论及杂化轨道理论的叙述不正确的是()A.价层电子对互斥理论将分子分成两类：中心原子有孤电子对的和无孤电子对的B.价层电子对互斥理论既适用于单质分子，也适用于化合物分子C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化形成的一组能量相近的新轨道D.AB2型共价化合物的中心原子A采取的杂化方式可能不同答案B解析在VSEPR理论中，将分子分成了含孤电子对与不含孤电子对两种情况，显然分子的VSEPR模型与立体构型可能相同(不含孤电子对的情况下)，也可能不同(含孤电子对的情况下)，A项正确；VSEPR模型的研究对象仅限于化合物分子，不适用单质分子，B项错误；C项明显正确；AB2型共价化合物由于其中心原子具有的孤电子对数和σ键电子对数可能不同，则其采取的杂化方式也可能不同，D项正确。

2.下列关于杂化轨道的叙述正确的是()A.杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成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N原子的3个p轨道与H原子的s轨道杂化而成的D.在乙烯分子中1个碳原子的3个sp2杂化轨道与3个氢原子的s轨道重叠形成3个C—H σ键答案B解析杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，不能用来形成π键，故B正确，A不正确；NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的1个s轨道和3个p轨道杂化而成的，C不正确；在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道与2个氢原子的s轨道重叠形成2个C—H σ键，剩下的1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成1个C—C σ键，D不正确。

二、杂化轨道类型及其判断3.BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成BF－4，则BF3和BF－4中B的原子的杂化轨道类型分别是()A.sp2、sp2B.sp3、sp3C.sp2、sp3D.sp、sp2答案C解析BF3中B原子的价层电子对数为3，所以为sp2杂化，BF－4中B原子的价层电子对数为4，所以为sp3杂化。

4.在BrCH===CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是()A.sp­pB.sp2­sC.sp2­pD.sp3­p答案C解析分子中的两个碳原子都是采用sp2杂化，溴原子的价电子排布式为4s24p5,4p轨道上有一个单电子，与碳原子的一个sp2杂化轨道成键。

5.下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是()答案A解析乙醛中甲基的碳原子采取sp3杂化，醛基中碳原子采取sp2杂化；丙烯腈中碳碳双键的两个碳原子采取sp2杂化，另一个碳原子采取sp杂化；甲醛中碳原子采取sp2杂化；丙炔中甲基碳原子采取sp3杂化，碳碳三键中两个碳原子采取sp杂化。