第一单元第一课时杂化轨道

1、专题四专题四 分子空间结构与物质性质分子空间结构与物质性质第一单元第一单元 分子构型与分子构型与 物质的性质物质的性质学习目标：1、能用杂化轨道理论解释简单分子的空间构型2、应用杂化轨道理论和价层电子对互斥理论理解并掌握常见分子的空间构型形形色色的分子形形色色的分子H2OCO2O2NH3CH4C6H6C8H8C60 C C原子与原子与H H原子结合形成的分子为什么是原子结合形成的分子为什么是CHCH4 4，而不是，而不是CHCH2 2或或CHCH3 3？CHCH4 4分子为什么具有分子为什么具有正四面体的空间构型（键长、键能相同，正四面体的空间构型（键长、键能相同，键角相同为键角相同为1091

2、092828）？）？2s 2px 2py 2pzC共价键共价键covalent bond 活泼的金属与非金属之间或形成离子键，活泼的金属与非金属之间或形成离子键，但非活泼的金属与非金属之间、非金属但非活泼的金属与非金属之间、非金属与非金属之间又是如何成键而形成分子与非金属之间又是如何成键而形成分子的呢？这要用共价键的理论来解释。的呢？这要用共价键的理论来解释。共价键理论分为价键理论和分子轨道理共价键理论分为价键理论和分子轨道理论，我们重点讲前一种。论，我们重点讲前一种。 价键理论价键理论经 典 价 键 理 论杂 化 轨 道 理 论价 层 电 子 对 互 斥 理 论价 键 理 论经典价键理论经典

3、价键理论 classical valence-bond classical valence-bond 1 要点：要点： 1. 具有成单电子的两原子轨道相互重叠，具有成单电子的两原子轨道相互重叠，可以形成共价键。可以形成共价键。重叠越大，键越稳定重叠越大，键越稳定2. 共价键具有方向性和饱和性共价键具有方向性和饱和性。（原因）。（原因）3. 根据重叠方式不同，可分为根据重叠方式不同，可分为键和键和键。键。头碰头式与肩并肩式。头碰头式与肩并肩式。 键键能较键键能较键小。（如键小。（如N2）2 2 原子轨道的重叠原子轨道的重叠overlap of atomic orbitalsoverlap of

4、atomic orbitals S-S重叠S-Px 重叠Px-Px 重叠XxS-Py 重叠XPy-Py 重叠XS-Px非最大重叠3.3.经典价键理论的应用与局经典价键理论的应用与局限限1) 应用：应用：H2 、Cl2和和HCl的分子的生成的分子的生成 2) 不足：不能解释大量有机分子如四氯不足：不能解释大量有机分子如四氯 化碳等分子的生成和键角化碳等分子的生成和键角 (C为为1s22s22p2)。经典价键理论的补充和发展：杂化轨道经典价键理论的补充和发展：杂化轨道理论。理论。 sp34个个sp3杂化轨道杂化轨道 19541954年获诺贝尔化学奖，年获诺贝尔化学奖，19621962年获诺贝尔和平

5、奖年获诺贝尔和平奖中心原子中心原子能量相近能量相近相同数量相同数量能量与形状都相能量与形状都相同同(1)sp3 杂化杂化CClCCl4 4的空间构型的空间构型(2)sp2 杂化杂化spsp2 2杂化：杂化： 三个夹角为三个夹角为120120的的平面三平面三角形角形杂化轨道杂化轨道。(2)sp2 杂化杂化2s2pB的基态的基态2p2s激发态激发态正三角形正三角形sp2 杂化态杂化态BFFF激发激发120BFBF3 3 分子的形成过程分子的形成过程C2H4(sp2杂化）杂化）Sp2杂化轨道杂化轨道大 键 C6H6 (sp2杂化)(3)sp 杂化杂化spsp杂化：杂化： 夹角为夹角为180180的的

6、直线形直线形杂化轨道。杂化轨道。BeCl2分子形成分子形成激发激发2s2pBe基态基态2s2p激发态激发态杂化杂化直线形直线形sp杂化态杂化态键合键合直线形直线形化合态化合态Cl Be Cl180 (3)sp 杂化杂化Sp杂化轨道杂化轨道杂化类型杂化类型spspspsp2 2spsp3 3参与杂化的参与杂化的原子轨道原子轨道1s+ 1p1s+ 1p1s + 2p1s + 2p1s + 3p1s + 3p杂杂 化化 轨轨 道道 数数2 23 34 4杂化轨道杂化轨道间夹角间夹角180180 ? 120120 ? 109109 ? 28 28空空 间间 构构 型型直直 线线平面三角形平面三角形正四

7、面体正四面体实实 例例BeCl2 BF3 CCl4 , CH4特点：特点：（1 1）能量相近能量相近的原子轨道才能参与杂化的原子轨道才能参与杂化 杂化杂化轨道的电子云形状一头大，一头小。杂化轨轨道的电子云形状一头大，一头小。杂化轨道增强了成键能力。道增强了成键能力。（2 2）杂化后轨道）杂化后轨道能量相同能量相同，轨道，轨道形状相形状相 同同（棒锤形）（棒锤形）（3 3）杂化）杂化轨道的总数轨道的总数等于参与杂化的原子轨等于参与杂化的原子轨道数目之和，如道数目之和，如spspn n：杂化轨道数为（：杂化轨道数为（1+n1+n）（4 4）杂化轨道）杂化轨道只只用于用于形成形成键键或者用来或者用来

8、 容纳容纳孤对电子，孤对电子，剩余剩余的的p p轨道可以轨道可以形成形成非杂化轨非杂化轨道道键，键，所以杂化轨道数就等于中心原子的所以杂化轨道数就等于中心原子的键数孤电子对数。键数孤电子对数。ABABm m型分子型分子(A(A为中心原子，为中心原子，B B为配位原子为配位原子) )：中心原子价电子对数（中心原子价电子对数（杂化轨道数杂化轨道数）n=n=( (中心原子价电子数中心原子价电子数+ +每个配位原子提供的价电子数每个配位原子提供的价电子数m)m) 2 2(1)AB(1)ABm m型分子中心原子型分子中心原子价电子对数（价电子对数（n n）的计算的计算 如何简易判断如何简易判断CClCC

9、l4 4、 NHNH3 3、H H2 2O O中的中心原中的中心原子子C C、N N、O O是何种类型的杂化轨道？是何种类型的杂化轨道？中心原子价电子数中心原子价电子数+ +每个配位原子提供的价电子每个配位原子提供的价电子数数mm价态数价态数中心原子价电子数中心原子价电子数+ +每个配位原子提供的价电子每个配位原子提供的价电子数数m + m + 价态数价态数H H2 2O ONHNH3 3SOSO2 2CHCH4 4BFBF3 3COCO2 2价电子对价电子对空间构型空间构型杂化轨杂化轨道类型道类型价电子价电子对数对数(n(n）代表代表物物分子分子空间构型空间构型1 1、先计算、先计算ABmA

10、Bm型分子中价电子对数型分子中价电子对数（杂化轨道数）为（杂化轨道数）为n n2 2、比较、比较m m、n n 的大小的大小（1 1）若）若n=mn=m ，杂化轨道的空间构型和，杂化轨道的空间构型和分子空间构型相同。如分子空间构型相同。如CClCCl4 4（2 2）若）若n nm=xm=x，则杂化轨道中含，则杂化轨道中含x x对对孤对电子，杂化轨道空间构型和分子孤对电子，杂化轨道空间构型和分子空间构型不同，如空间构型不同，如NHNH3 3杂化轨道中不含孤对杂化轨道中不含孤对电子，所有杂化轨道电子，所有杂化轨道都参加成键。都参加成键。杂化轨道中含孤对电杂化轨道中含孤对电子，且含孤对电子的子，且含

11、孤对电子的杂化轨道不参加成键。杂化轨道不参加成键。二、二、 确定确定分子分子空间构型的简易方法：空间构型的简易方法：NHNH3 3 n= n= (5+3)/2=4(5+3)/2=4 ，N N原子为原子为 spsp3 3 杂化，轨道空杂化，轨道空间构型为间构型为正四面体正四面体。n nm=m= 1 1 ，含，含 一一 对孤对电子，是对孤对电子，是 三角锥三角锥 形形H H2 2O O n= n= (6+2)/2=4(6+2)/2=4 ，O O原子为原子为 spsp3 3 杂化，轨道空杂化，轨道空间构型为间构型为正四面体正四面体。n nm=m= 2 2 ，含，含 二二 对孤对电子，是对孤对电子，是

12、 V V 形形课堂练习课堂练习分子分子COCO2 2BeClBeCl2 2BFBF3 3CClCCl4 4PCl3H2S价电子价电子对数对数价电子价电子对排布对排布有无孤有无孤对电子对电子分子空分子空间结构间结构2 22 23 34 44 44 4直线形直线形直线形直线形 平面平面三角形三角形平面三平面三角形角形正四面体正四面体无无有有正四正四面体面体三角三角锥形锥形V形形推断离子空间构型的方法：推断离子空间构型的方法：在算中心原子价电子对数在算中心原子价电子对数(n)(n)时，时，正离子正离子应应减去减去电荷数电荷数, ,负离子负离子应应加上加上电荷数。电荷数。中心原子价电子对数中心原子价电

13、子对数(n)(n)=(=(中心原子价电子数中心原子价电子数 + + 每个配位原子提供的每个配位原子提供的价电子数价电子数m m 电荷数电荷数) ) 2 2 利用价层电子对互斥理论判断下列离子的几何构型。利用价层电子对互斥理论判断下列离子的几何构型。 NHNH4 4+ + H H3 3O O+ + NO NO3 3- - SO SO4 42-2- 正四面体、三角锥形、平面三角形、正四面体正四面体、三角锥形、平面三角形、正四面体3.3.等性杂化与不等性杂化等性杂化与不等性杂化全部由成单电子的轨道参与的杂化叫等全部由成单电子的轨道参与的杂化叫等性杂化。有孤对电子的轨道参与的杂化性杂化。有孤对电子的轨

14、道参与的杂化叫不等性杂化。叫不等性杂化。NH3 分子的形成，有一个孤对电子参与分子的形成，有一个孤对电子参与杂化，键角变小。分子构型：三角锥。杂化，键角变小。分子构型：三角锥。2s2psp3杂 化sp3杂 化轨 道HH2 2O O 分子的形成，有两个孤对电子参与杂化，分子的形成，有两个孤对电子参与杂化，键角变得更小。分子构型：键角变得更小。分子构型：V V型。型。4 4 其它杂化轨道其它杂化轨道1) SP3d 杂化杂化： PCl5 的形成。的形成。三角双三角双锥。锥。3s3psp3d杂化sp3d杂化轨道激发3s3p3dPClPCl5 5的分子构型的分子构型2) 2) SPSP3 3d d2 2

15、 杂化杂化SF6 的形成。的形成。正八成体正八成体3s3psp3d2杂 化sp3d2杂 化 轨 道激 发3s3p3d习题习题画出下列物质形成时的杂化轨道类型画出下列物质形成时的杂化轨道类型（是否等性），推断分子的空间构型：（是否等性），推断分子的空间构型：CH2Cl2、COCl2、PH31. sp3 等性杂化，四面体等性杂化，四面体2. sp2等性杂化，平面三角形等性杂化，平面三角形3. sp3不等性杂化，三角锥形不等性杂化，三角锥形三三. .价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论这种理论常能更方便地推断出分子的空间构型这种理论常能更方便地推断出分子的空间构型。1理论要点：理论要点：1) 先确定

16、价层电子对数先确定价层电子对数。在此公式中，。在此公式中，O和和S原子作为配体时，接受其它原子的配位原子作为配体时，接受其它原子的配位2) 根据价层电子对数确定其空间构型。根据价层电子对数确定其空间构型。3) 价层电子对数中心原子的配位数时，价层价层电子对数中心原子的配位数时，价层电子对的构型与分子的构型相同。否则不同。电子对的构型与分子的构型相同。否则不同。4)根据孤对电子数来推断分子的空间构型根据孤对电子数来推断分子的空间构型。2 2 实例分析实例分析要点：电子对间斥力大小的次序：要点：电子对间斥力大小的次序：孤对孤对孤对孤对孤对键对孤对键对键对键对。键对键对。分子取其斥力最小的空间构型。

17、孤对电分子取其斥力最小的空间构型。孤对电子总处于斥力最小的位置。子总处于斥力最小的位置。IF2 离子。离子。NH3H2O杂化3sp2ps2杂化3sp2ps2 如果分子中存在孤电子对如果分子中存在孤电子对,由于孤电子对比成键电子由于孤电子对比成键电子对更靠近原子核对更靠近原子核,它对相邻成键电子对的排斥作用较大它对相邻成键电子对的排斥作用较大,因因而使相应的角度变小。因此而使相应的角度变小。因此NH3分子中分子中H-N-H的键角为的键角为107.3, H2O分子中分子中H-O-H的键角为的键角为104.5, CH4分子中分子中H-C-H的键角为的键角为109.5HNH107.3= 104.5HO

18、H = NH3H2O早年的科学家主要靠对物质的早年的科学家主要靠对物质的宏观性质宏观性质进行系统总结得进行系统总结得出规律后进行推测，如今，科学家已经创造了许许多多测出规律后进行推测，如今，科学家已经创造了许许多多测定分子结构的现代仪器，定分子结构的现代仪器，红外光谱红外光谱就是其中的一种。就是其中的一种。分子中的原子分子中的原子不是不是固定不动的，而是不断地固定不动的，而是不断地振动振动着的。着的。所谓分子立体结构其实只是分子中的原子处于所谓分子立体结构其实只是分子中的原子处于平衡位置平衡位置时时的模型。当一束红外线透过分子时，分子会吸收跟它的某的模型。当一束红外线透过分子时，分子会吸收跟它

19、的某些化学键的振动频率相同的红外线，再记录到图谱上呈现些化学键的振动频率相同的红外线，再记录到图谱上呈现吸收峰。通过计算机模拟，可以得知各吸收峰是由哪一个吸收峰。通过计算机模拟，可以得知各吸收峰是由哪一个化学键、哪种振动方式引起的，综合这些信息，可分析出化学键、哪种振动方式引起的，综合这些信息，可分析出分子的立体结构。分子的立体结构。科学视野科学视野分子的立体结构是怎样测定的分子的立体结构是怎样测定的？（指导阅读（指导阅读P39P39）测分子体结构：红外光谱仪测分子体结构：红外光谱仪吸收峰吸收峰分析。分析。 同为四原子分子，同为四原子分子，CH2O与与 NH3 分子的的空分子的的空间结构也不同

20、，什么原因？间结构也不同，什么原因？思考:三角锥形三角锥形平面三角形平面三角形分子分子CO2CH2OCH4电子式电子式结构式结构式中心原子中心原子有无有无孤对电子孤对电子空间结构空间结构O C O: : :H C H:HHO=C=OH-C-H=OH-C-H-HH无无无无无无直线形直线形 平面平面三角形三角形 正正四面体四面体: H C H:O:原因：原因： 中心原子上的孤对电子也要中心原子上的孤对电子也要占据中心原子周占据中心原子周围的空间围的空间，并参与互相排斥。例如，并参与互相排斥。例如，H2O和和NH3的中心原子分别有的中心原子分别有2对和对和l对孤对电子，跟对孤对电子，跟中心原子周围的

21、中心原子周围的键加起来都是键加起来都是4，它们相互排，它们相互排斥，形成四面体，因而斥，形成四面体，因而H2O分子呈分子呈V形，形，NH3分分子呈三角锥形。子呈三角锥形。中心原子中心原子代表物代表物中心原子中心原子结合的原子数结合的原子数分子分子类型类型空间构型空间构型无孤对电子无孤对电子CO22AB2CH2O3AB3CH44AB4有孤对电子有孤对电子H2O2AB2NH33AB3直线形直线形平面三角形平面三角形正四面体正四面体V 形形三角锥形三角锥形小结小结:价层电子对互斥模型价层电子对互斥模型应用反馈应用反馈:化学式化学式 中心原子中心原子 孤对电子数孤对电子数中心原子结中心原子结合的原子数

22、合的原子数空间构型空间构型HCNSO2NH2BF3H3O+SiCl4CHCl3NH4+0120100022233444直线形直线形 V 形形V形形平面三角形平面三角形三角锥形三角锥形四面体四面体正四面体正四面体正四面体正四面体课堂练习课堂练习1.下列物质中，分子的立体结构与水分子下列物质中，分子的立体结构与水分子相似的是相似的是 （ ）A.CO2 B.H2S C.PCl3 D.SiCl42.下列分子的立体结构，其中属于直线型下列分子的立体结构，其中属于直线型分子的是分子的是 （ ）A.H2O B.CO2 C.C2H2 D.P4BBC3.若若ABn型分子的中心原子型分子的中心原子A上没有未用于形

23、上没有未用于形成共价键的孤对电子，运用价层电子对互斥模成共价键的孤对电子，运用价层电子对互斥模型，下列说法正确的（型，下列说法正确的（ ）A.若若n=2，则分子的立体构型为，则分子的立体构型为V形形 B.若若n=3，则分子的立体构型为三角锥形，则分子的立体构型为三角锥形 C.若若n=4，则分子的立体构型为正四面体形，则分子的立体构型为正四面体形 D.以上说法都不正确以上说法都不正确课堂练习课堂练习C美国著名化学家鲍林（美国著名化学家鲍林（L.Pauling, 19011994）教授具有独特的化学想象力：只要）教授具有独特的化学想象力：只要给他物质的分子式，他就能通过给他物质的分子式，他就能通过“毛估毛估”法，大体上想