高中化学选修3第二章 第二节 第2课时

第2课时杂化轨道理论

[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析：通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化轨道类型对分子立体构型的影响。2.证据推理与模型认知：通过对杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子立体构型分析的思维模型。

一、杂化轨道理论简介

1．杂化轨道及其特点

2．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，形成四个能量相等的sp3杂化轨道。四个sp3杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子，所以四个C—H键是等同的。

碳原子的sp3杂化可表示如下：

3．杂化轨道类型

杂化类型sp sp2sp3参与杂化的原子轨道及数目

1个s轨道

1个p轨道

1个s轨道

2个p轨道

1个s轨道

3个p轨道杂化轨道的数目 2 3 4

杂化轨道理论的要点

(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是中心原子。

(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的。

(3)只有能量相近的轨道才能杂化(如2s、2p)。

(4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。

(5)杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理，使轨道在空间取得最大夹角分布。故杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变，但杂化轨道的形状完全相同。

(6)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。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。

例

1以下有关杂化轨道的说法中错误的是()

A．第ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道

B．杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键

C．孤电子对有可能参加杂化

D．s轨道和p轨道杂化不可能有sp4出现

【考点】杂化轨道理论

【题点】杂化轨道理论的理解

答案 B

解析第ⅠA族元素的价电子排布式为n s1，由于只有1个n s电子，因此不可能形成杂化轨道；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；H2O分子中的氧原子采取sp3杂化，其sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的，所以孤电子对有可能参加杂化；由于

n p能级只有3个原子轨道，所以s轨道和p轨道杂化只有sp3、sp2、sp 3种，不可能出现sp4杂化。

例

2下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是()

A．由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成

B．共有3个能量相同的杂化轨道

C．每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一

D．sp2杂化轨道最多可形成2个σ键

【考点】杂化轨道理论

【题点】杂化轨道理论的理解

答案 D

解析同一能层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大，相互杂化的轨道的能量差异也不能

过大，A项正确；同种类型的杂化轨道能量相同，B项正确；sp2杂化轨道是由一个s轨道与2个p轨道杂化而成的，C项正确；sp2杂化轨道最多可形成3个σ键，D项错误。

二、杂化轨道理论的应用

1．杂化轨道类型的判断

因为杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳孤电子对，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。例如：

2.分子的构型与杂化类型的关系

(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的立体构型与杂化轨道的立体构型相同。

(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的立体构型与杂化轨道的形状有所不同。

例

3有机物C

·H3CH==C

·

H—C

·

≡CH中标有

“·”的碳原子的杂化方式依次为()

A．sp、sp2、sp3B．sp3、sp2、sp

C．sp2、sp、sp3D．sp3、sp、sp2

【考点】杂化轨道理论的应用

【题点】中心原子杂化类型的判断

答案 B

解析根据价层电子对互斥理论可判断C原子的杂化方式，价层电子对数＝σ键电子对数＋

孤电子对数。若价层电子对数是4，则C原子采取sp3杂化；若价层电子对数是3，则C原子采取sp2杂化；若价层电子对数是2，则C原子采取sp杂化。甲基上C原子有4对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp3杂化；碳碳双键两端的2个C原子均有3对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp2杂化；碳碳三键两端的2个C原子均有2对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp杂化。

方法规律——中心原子杂化类型的判断方法

(1)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。

(2)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。

例

4(2018·深州中学期中)下列分子中中心原子的杂化方式和分子的立体构型均正确的是()

A．C2H2：sp2、直线形

B．SO2－4：sp3、三角锥形

C．H3O＋：sp3、V形

D．BF3：sp2、平面三角形

【考点】杂化轨道理论的应用

【题点】利用杂化轨道理论判断立体构型

答案 D

解析乙炔的结构式为H—C≡C—H，每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对，所以C原子采用sp杂化，为直线形结构；SO2－4中硫原子价层电子对数是4，孤电子对数为0，采取sp3杂化，为正四面体形；H3O＋中氧原子价层电子对数＝3＋1＝4，所以中心原子的杂化方式为sp3杂化，该离子中含有一对孤电子对，所以其立体构型为三角锥形；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，所以其立体构型为平面三角形。