第二節(jié)　分子的空間結(jié)構(gòu)
第2課時　雜化軌道理論
1．通過對雜化軌道理論的學習，能從微觀角度理解中心原子的雜化軌道類型對分子空間結(jié)構(gòu)的影響。2．通過對雜化軌道理論的學習，掌握中心原子雜化軌道類型判斷的方法，建立分子空間結(jié)構(gòu)分析的思維模型。
1．雜化軌道的含義在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化。重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。2．用雜化軌道理論解釋甲烷分子的形成在形成CH4分子時，碳原子的2s軌道和3個2p軌道發(fā)生混雜，混雜時保持軌道總數(shù)不變，得到4個新的能量相同、方向不同的軌道，各指向正四面體的4個頂角，夾角109°28′，稱為sp3雜化軌道，碳原子以4個sp3雜化軌道分別與4個H原子的1s軌道重疊形成4個C—H σ鍵，呈現(xiàn)正四面體的空間結(jié)構(gòu)。
3．雜化軌道的形成及其特點
4．雜化軌道的類型(1)sp3雜化軌道——正四面體形
(2)sp2雜化軌道——平面三角形
(3)sp雜化——直線形
1．發(fā)生軌道雜化的原子一定是中心原子。( )2．原子軌道的雜化只有在形成分子的過程中才會發(fā)生，孤立的原子時不可能發(fā)生雜化。( )3．只有能量相近的軌道才能雜化。( )4．雜化軌道能量更集中，有利于牢固成鍵。( )5．雜化軌道只用于形成σ鍵或用來容納未參與成鍵的孤電子對，未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵。( )6．2s軌道和3p軌道能形成sp2雜化軌道。( )
1．常見的雜化軌道類型有哪些？什么是sp3雜化軌道？提示：常見的雜化軌道類型有sp、sp2、sp3。同一原子內(nèi)由1個s軌道和3個p軌道參與的雜化稱為sp3雜化。2．如何判斷雜化軌道類型？提示：判斷雜化軌道類型，首先判斷雜化軌道數(shù)，雜化軌道數(shù)＝中心原子孤電子對數(shù)＋中心原子結(jié)合的原子數(shù)，由雜化軌道數(shù)即可判斷雜化軌道類型。
1．下列關(guān)于雜化軌道的說法錯誤的是( )A．所有原子軌道都參與雜化形成雜化軌道B．同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化C．雜化軌道能量集中，有利于牢固成鍵D．雜化軌道可用于形成σ鍵
解析：同一原子中參與雜化的原子軌道，其能量不能相差太大，如1s軌道與2s、2p軌道能量相差太大，不能形成雜化軌道，即只有能量相近的原子軌道才能參與雜化，A項錯誤，B項正確；雜化軌道能量集中，形成牢固的化學鍵，C項正確；雜化軌道可用于形成σ鍵，D項正確。故選A。
2．下列有關(guān)雜化軌道的說法不正確的是( )A．四面體形、三角錐形、V形分子的結(jié)構(gòu)可以用sp3雜化軌道解釋B．sp3、sp2、sp雜化軌道的夾角分別為109°28′、120°、180°C．雜化軌道全部參加形成化學鍵D．雜化前后的軌道數(shù)不變，但軌道的形狀發(fā)生了改變
解析：中心原子采取sp3雜化的分子，VSEPR模型是四面體，但其立體構(gòu)形不一定是正四面體，如：水和氨氣分子中中心原子采取sp3雜化，但H2O是V形，NH3是三角錐形，故四面體形、三角錐形、V形分子的結(jié)構(gòu)可以用sp3雜化軌道解釋，故A正確；sp3、sp2、sp雜化軌道其空間構(gòu)型分別是正四面體、平面三角形、直線形，所以其夾角分別為109°28′、120°、180°，故B正確；雜化軌道可以部分參加形成化學鍵，例如NH3中N發(fā)生了sp3雜化，形成了4個sp3雜化軌道，但是只有3個參與形成化學鍵，故C錯誤；雜化前后的軌道數(shù)不變，雜化后，各個軌道盡可能分散，對稱分布，導致軌道的形狀發(fā)生了改變，故D正確。故選C。
3．下列關(guān)于雜化軌道的敘述中，不正確的是( )A．苯分子中所有碳原子均采取sp2雜化成鍵B．雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對C．SO2和C2H4分子中的中心原子S和C是通過sp2雜化軌道成鍵D．中心原子通過sp3雜化軌道成鍵時，該分子一定為四面體結(jié)構(gòu)
解析：苯分子中的每個碳原子與相鄰兩個碳原子及與之相連的一個氫原子形成3個σ鍵，同時每個碳原子還有一個未參加雜化的2p軌道，它們均有一個未成對電子，這些2p軌道相互平行，以“肩并肩”方式相互重疊，形成一個大π鍵，而雜化軌道用于形成σ鍵或者容納孤電子對，因此苯分子中所有碳原子均采取sp2雜化成鍵，故A項正確；雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對，如NH3中N是sp3雜化，所以形成4個雜化軌道，其中3個用于形成N—H σ鍵，還有1個用于容納未參與成鍵的孤電子對，故B項正確；根據(jù)雜化軌道理論，SO2中S的雜
(1)雜化軌道理論的要點①原子形成分子時，通常存在激發(fā)、雜化和軌道重疊等過程。發(fā)生軌道雜化的原子一定是中心原子。②原子軌道的雜化只有在形成分子的過程中才會發(fā)生，孤立的原子是不可能發(fā)生雜化的。③只有能量相近的軌道才能雜化(如2s、2p)。④雜化前后原子軌道數(shù)目不變(參加雜化的軌道數(shù)目等于形成的雜化軌道數(shù)目)，且雜化軌道的能量相同。
⑤雜化軌道成鍵時要滿足化學鍵間最小排斥原理，使軌道在空間取得最大夾角分布，故雜化后軌道的伸展方向、形狀發(fā)生改變，但雜化軌道的形狀完全相同。⑥雜化軌道只用于形成σ鍵或用來容納未參與成鍵的孤電子對，未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵。(2)以碳原子為中心原子的分子中碳原子的雜化軌道類型①沒有形成π鍵，采取sp3雜化，如CH4、CCl4等；②形成一個π鍵，采取sp2雜化，如CH2===CH2等；③形成兩個π鍵，采取sp雜化，如CH≡CH、CO2等。
1．當雜化軌道全部用于形成σ鍵時，分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)相同。
二、雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系
2．當雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對時，孤電子對對成鍵電子對的排斥作用，會使分子或離子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道的形狀有所不同。
3．中心原子軌道雜化類型的判斷(1)利用價層電子對互斥理論、雜化軌道理論判斷分子構(gòu)型的思路(2)根據(jù)VSEPR模型判斷價層電子對數(shù)　　4　　　 　3　　 　　2VSEPR模型　四面體形　　三角形　　直線形雜化類型　　　　sp3　　　　　sp2　　　sp(3)有機物中碳原子雜化類型的判斷：飽和碳原子采取sp3雜化，連接雙鍵的碳原子采取sp2雜化，連接三鍵的碳原子采取sp雜化。
4．等電子原理：原子總數(shù)相同、價電子總數(shù)相同的分子，具有相似的化學鍵特征，它們的許多性質(zhì)是相近的。滿足等電子原理的分子稱為等電子體。例如CO和N2具有相同的原子總數(shù)和相同的價電子總數(shù)，屬于等電子體。
1．雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)與分子的空間結(jié)構(gòu)不一定一致。( )2．雜化軌道間的夾角與分子內(nèi)的鍵角一定相同。( )3．NH3分子的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形，則氮原子的雜化方式為sp3。( )4．C2H4分子中的鍵角都約是120°，則碳原子的雜化方式是sp2。( )
CH4、NH3、H2O中心原子的雜化軌道類型都是sp3，鍵角為什么依次減?。繌碾s化軌道理論的角度比較鍵角大小。提示：CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3雜化，中心原子上的孤電子對數(shù)依次為0、1、2。由于孤電子對對共用電子對的排斥作用使鍵角變小，孤電子對數(shù)越多排斥作用越大，鍵角越小。比較鍵角時，先看中心原子雜化軌道類型，雜化軌道類型不同時，鍵角一般按sp、sp2、sp3順序依次減??；雜化軌道類型相同時，中心原子孤電子對數(shù)越多，鍵角越小。
1．下列粒子的中心原子的雜化軌道類型和粒子的空間結(jié)構(gòu)不正確的是( )A．PCl3中P原子為sp3雜化，分子空間結(jié)構(gòu)為三角錐形B．OF2中O原子為sp雜化，分子空間結(jié)構(gòu)為直線形
2．從微粒結(jié)構(gòu)角度分析，下列說法錯誤的是( )
中心原子雜化軌道類型的判斷方法(1)根據(jù)雜化軌道之間的夾角判斷：若雜化軌道之間的夾角為109°28′，則中心原子采取sp3雜化；若雜化軌道之間的夾角為120°，則中心原子采取sp2雜化；若雜化軌道之間的夾角為180°，則中心原子采取sp雜化。(2)根據(jù)價層電子對數(shù)判斷：若價層電子對數(shù)為4，則中心原子采取sp3雜化；若價層電子對數(shù)為3，則中心原子采取sp2雜化；若價層電子對數(shù)為2，則中心原子采取sp雜化。
1．關(guān)于原子軌道的說法正確的是( )A．sp3雜化軌道是由同一個原子中能量相近的s軌道和p軌道雜化形成的一組能量相同的新軌道B．CH4分子中的sp3雜化軌道是由4個H原子的1s軌道和C原子的2p軌道雜化而形成的C．凡是中心原子采取sp3雜化軌道成鍵的分子其立體構(gòu)型都是正四面體D．凡AB2型的共價化合物，其中心原子A均采用sp雜化軌道成鍵
解析：sp3雜化軌道是由同一個原子中能量相近的1個s軌道和3個p軌道雜化形成的一組能量相同、數(shù)量與原理相同的新軌道，A正確；CH4分子中的sp3雜化軌道是由C原子的2s軌道和2p軌道雜化而形成的，B錯誤；由于孤電子對也會占據(jù)雜化軌道，所以中心原子采取sp3雜化軌道成鍵的分子的立體構(gòu)型不一定是正面體形，如水分子為V形，氨氣分子為三角錐形，C錯誤；AB2型的共價化合物，中心原子A也可以是sp2雜化、sp3雜化，如H2O中O為sp3雜化，SO2中S為sp2雜化，D錯誤。故選A。
2．s軌道與s軌道重疊形成的共價鍵可用符號表示為σ s－s，p軌道與p軌道以“頭碰頭”方式重疊形成的共價鍵可用符號表示為σ p－p，請你指出下列分子中含有σ s－sp2鍵的是( )A．N2 B．C2H4 C．C2H2 D．HCl解析：N2存在σ p－p和π鍵，A項錯誤；C2H4中，C原子為sp2雜化，存在σ s－sp2鍵，B項正確；C2H2中，中心C原子發(fā)生sp雜化，形成σ s－sp鍵，C項錯誤；HCl中只存在σ s－p鍵，D項錯誤。故選B。
3．下表中各粒子對應的立體結(jié)構(gòu)及雜化方式均正確的是( )
解析：SO3分子中價層電子對個數(shù)＝σ鍵個數(shù)＋孤電子對個數(shù)＝3＋(6－3×2)/2＝3，所以硫原子采用sp2雜化，為平面三角形結(jié)構(gòu)，故A錯誤；SO2的價層電子對個數(shù)＝2＋(6－2×2)/2＝3，硫原子采取sp2雜化，該分子為V形結(jié)構(gòu)，故B錯誤；碳酸根離子中價層電子對個數(shù)＝σ鍵個數(shù)＋孤電子對個數(shù)＝3＋(4＋2－3×2)/2＝3，所以原子雜化方式是sp2，為平面三角形結(jié)構(gòu)，故C錯誤；乙炔(CH≡CH)分子中每個C原子含有2個σ鍵和2個π鍵，價層電子對個數(shù)是2，為sp雜化，為直線形，故D正確。故選D。
4．P原子在形成PCl5分子時，3s、3p軌道和1個3d軌道參與形成sp3d雜化，PCl5的空間構(gòu)型為三角雙錐形(如下圖所示)。下列關(guān)于PCl5分子的說法不正確的是( )A．PCl5分子中價電子對數(shù)為5B．PCl5分子中沒有形成π鍵C．PCl5分子中所有的Cl—P—Cl鍵角都相等D．SF4分子中S原子也采用sp3d雜化
5．如圖是甲烷分子中C原子sp3雜化軌道電子云圖：(1)甲烷分子中C—H鍵的鍵角為________________。(2)乙烯和乙炔的電子式分別為_________________、_____________，請你比較乙烯和乙炔分子中“C===C”和“C≡C”的鍵長大?。篲_______________________。乙炔和乙烯一樣都能和溴水發(fā)生加成反應并使溴水褪色，請你預測在同濃度同體積的溴水中分別通入乙烯和乙炔時，________(選填“乙烯”或“乙炔”)使溴水褪色的時間短；同溫同壓下，使等體積等濃度的溴水正好褪色，消耗的________(選填“乙烯”或“乙炔”)少。
r(C===C)>r(C≡C)
(3)苯分子中C原子以sp2雜化軌道成鍵，6個C原子中每個C原子的2s軌道和其中2個2p軌道形成3個sp2雜化軌道，其中1個sp2雜化軌道與1個H原子形成1個σ鍵、另外2個sp2雜化軌道分別與另外2個C原子的sp2雜化軌道形成2個σ鍵而形成1個六元環(huán)，而每個C原子未參與雜化的另1個sp2軌道均垂直于這個六元環(huán)所處的平面且相互之間“肩并肩”重疊形成1個“大π鍵”，如圖：
請你猜想：①苯分子中每個碳碳鍵的鍵長是否相等？________；②苯分子中碳碳鍵的鍵長與C—C鍵、C===C鍵、C≡C鍵的鍵長相比，處于__________________________的鍵長之間。解析：(1)甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，C—H鍵的鍵角為109°28′。
C—C鍵和C===C鍵

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