杂化轨道理论课件 高二化学人教版（2019）选择性必修2

杂化轨道理论分子中心原子上价层电子对数分子的空间构形键角CH4

正四面体形4109º28′

价层电子排布式价层电子轨道表达式未成对电子数C

2s2p22s2p↑↓↑↑2个共价键的特征：方向性饱和性一个原子有几个未成对电子，可和几个自旋状态相反电子配对成键原子轨道沿着一定的方向实现最大程度的重叠（头碰头/肩并肩）。【思考】按照价键理论，甲烷的4个C－H单键都应该是σ键。为什么C与H结合形成CH4，而不是CH2

？一、杂化轨道理论简介为了解决这一矛盾，1931年由鲍林等人在价键理论的基础上提出杂化轨道理论，它实质上仍属于现代价键理论，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。

成键时，在外界条件影响下，中心原子能量相近(通常是同一能层)的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的原子轨道的过程。1.原子轨道的杂化2.杂化轨道原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫杂化轨道。莱纳斯·卡尔·鲍林（1901年2月28日－1994年8月19日）

美国著名化学家，两获诺贝尔奖杂化轨道理论1.杂化轨道形成及其特点价层电子空轨道杂化轨道吸收能量激发轨道重新组合成对电子中一个能量相近的空轨道能量相近类型不同xyzzxyz3.杂化轨道作用：形成δ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。4.杂化轨道的类型：发生轨道杂化的原子一定是中心原子。C基态C原子与其他原子形成共价键的杂化类型＊C激发杂化杂化轨道理论四要点：1.能量相近：①只有在形成化学键时才能杂化②在成键时，同一原子能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道同一能层，能量相近2.数目相同：杂化轨道数=参与杂化的原子轨道数=价层电子对数且杂化后的轨道的能量相同。杂化改变了原子轨道的成分、能量、形状、方向，使原子的成键能力增加。3.成键能力增强：杂化改变原有轨道形状和伸展方向，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。4.排斥力最小：杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同但形状完全相同。当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时——sp3杂化CH4分子中，碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，中心原子C的1个2s轨道和3个2p轨道先会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，却得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，即形成4个sp3杂化轨道，表示这4个轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。109°28′中心原子C的sp3杂化轨道特征：①1个ns轨道与3个np轨道进行的杂化,形成4个sp3杂化轨道。②每个sp3杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有1/4s

轨道和3/4p

轨道的成分。③每两个轨道间的夹角为109º28′，空间构型为正四面体形。xyzxyzzxyzxyz109°28′中心原子4个杂化轨道，彼此远离，斥力最小，能量最低，更稳定sp3sp3sp3sp3109°28′注意：杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，成键时根据最大重叠原理，重叠程度越大，形成的共价键越牢固。轨道重叠↑↓↑↓↑↓↑↓四个相同的C-Hσ键,呈正四面体形sp3—1s

成键sp3杂化态↑↑↑↑sp3sp3sp3sp3H↑1s1H↑1s1H↑1s1H↑1s1CH4分子中，碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，中心原子C的sp3杂化轨道4个氢原子σ键成键H1sH1sH1sH1sCsp3sp3109°28′xyzCH4原轨道杂化轨道C原子价层电子对数数目形状和方向是否相同成键能力变化4个4个形状和方向都改变了成键能力增强了xyzxyzzxyz109°28′4对1.sp3杂化轨道的总结中心原子的杂化类型与VSEPR模型的关系:杂化轨道数＝

价层电子对数＝

中心原子孤电子对数+中心原子σ键电子对数sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而得。sp3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间结构为正四面体形(如CH4、CF4、CCl4)甲烷中的化学键的分析σ键未参与杂化的p轨道可用于形成π键。

sp2sp2

杂化spppp第二种类型：sp2

杂化xyzzxyzxyzxyz120°②每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有____

s

轨道和____

p

轨道成分。①1个s轨道与2个p轨道进行的杂化,形成____个sp2杂化轨道。31/3

2/3③每两个杂化轨道间的夹角为_____，呈__________________。④

3个sp2杂化轨道用于形成_____键，未参与杂化的p轨道用于形成π键。120°平面三角形σpsp2sp2sp2xyzxyzzxyzxyz120°平面三角形sp2杂化轨道：1个s轨道和2个p轨道杂化而得到3个sp2杂化轨道（以BF3

为例）B:2s22p12s2p↑↓↑2s2p↑↑↑跃迁sp2

杂化sp2↑↑↑未杂化轨道-空轨道FFFB2s2p↑↓↑↓↑↓↑F:2s22p5用杂化轨道理论解释CH2=CH2的空间结构乙烯C2H4中心原子C原子的杂化：

sp21个s轨道和2个p轨道杂化而得到3个sp2杂化轨道,还有1个有单电子的2p轨道4个C—H单键1个C=C

左右两边的C原子各形成2个C—Hσ键，C=C原子之间形成1个σ键和1个π键（p-p轨道的电子肩并肩，即乙烯分子中的C原子的未参与杂化的2P轨道相互重叠形成π键）1个p-pC-Cπ键5个σ键1个π键乙烯C2H4中心原子C原子的3个sp2杂化的成键过程

2px↑↑↑2s↑C原子激发态2py2pzsp2杂化↑↑↑sp2sp2sp2H↑1s1H↑1s1轨道重叠↑↓↑↓sp2—1s成键碳原子的2个sp2杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-sp2σ键1个C原子各形成2个C-Hσ键↑↑↑sp2sp2sp2H↑1s1H↑1s1即形成双键中的C-Cσ键轨道重叠碳原子的1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道，两个轨道相互重叠形成sp2-sp2σ键四个s-sp2C-Hσ键1个sp2-sp2

C-Cσ键头碰头σ键肩并肩肩并肩σ键π键HHHHsp2杂化解释CH2=CH2的空间结构----平面三角形CH2=CH2分子中碳原子的3个sp2杂化轨道有2个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-sp2σ键，

有一个相互重叠形成sp2-sp2σ键，

另外，碳原子的未杂化的2P轨道相互重叠形成π键。注意：有机物中形成双键的碳原子均为sp2杂化在乙烯(CH2＝CH2)分子中有5个σ键、一个π键，它们分别是（）A．sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键B．sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键C．C—H之间是sp2形成的σ键，C—C之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键D．C—C之间是sp2形成的σ键，C—H之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键Bσ键π键HHHH中心原子C的sp2杂化：1个C=C与2个单键形成注意：有机物中形成双键的碳原子均为sp2杂化杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，不能用于形成π键；未参与杂化的p轨道可用于形成π键。1个s轨道和1个p轨道杂化而得到2个sp杂化轨道3.sp杂化轨道：

sp杂化spspppp②每个sp杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有1/2s

轨道和1/2p轨道的成分。①1个s轨道与1个p轨道进行的杂化,形成2个sp杂化轨道。xyzxyzzxyzxyz180°直线形③两个杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形。④

2个sp杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的2个p轨道（若有电子）用于形成2个π键。ppspsp尝试用杂化轨道理论来解释BeCl2的空间结构2s2p↑↓

2s2p↑↑

跃迁sp杂化sp↑↑Be原子的1个sp2杂化轨道与氯原子3p轨道重叠形成两个p-spσ键Cl原子3s23p5↑↓sppp↑↓↑↓↑180°直线形直线形ClClsppxpx用sp杂化轨道理论解释CH≡CH的空间结构---sp杂化C—H≡C—H1个s轨道和1个p轨道杂化而得到2个sp2杂化轨道,还有2个有单电子的2p轨道2个C—H单键1个C三C

3个σ键

2个π键两个碳原子的1个sp杂化轨道相互重叠形成sp-spσ键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-spσ键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。注意：有机物中形成三键的碳原子均为sp杂化头碰头σ键肩并肩肩并肩σ键HH乙炔中sp杂化C原子成键过程π键π键CHCHCH≡CH分子中碳原子的2个sp杂化轨道有一个相互重叠形成sp-spσ键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-spσ键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。22

由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有s/3和2p/3的成分，sp2杂化轨道间的

，呈

。②sp2杂化:

由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有s/2和p/2的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，③sp杂化:①

由

ns轨道和

np轨道杂化而成的，每个sp3杂化轨道含有s/4和3p/4的成分，sp2杂化轨道间的夹角都是109°28，

。sp3杂化:①1个3个呈四面体形夹角都是120°平面三角形呈直线形。杂化轨道类型总结氮原子的3个sp3杂化轨道与

3个氢原子的1s原子轨道重叠形成

3个N-Hσ键，另外

1个sp3杂化轨道中占有孤电子对2s2p↑↓↑↑↑sp3↑↓↑↑↑氧原子的2个sp3杂化轨道与2个氢原子的1s原子轨道重叠形成

2个O-Hσ键，另外

2个sp3杂化轨道中占有孤电子对2s2p↑↓↑↓↑↑sp3↑↓↑↓↑↑思考：NH3与H2O的价层电子对数为4，VSEPR模型跟CH4一样也是四面体形，它的中心原子采取的杂化方式CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都是sp3，键角为何依次减小？CH4、NH3、H2O中心原子上的孤电子对数依次为0、1、2。价层电子对斥力大小：孤电子对＞成键电子对；孤电子对越多，键角越小。从杂化轨道理论的角度，如何比较键角大小？杂化类型不同时，键角：

sp＞sp2＞sp3杂化类型相同时，孤电子对数越多，键角越小→杂化理论和VSEPR模型预测粒子空间结构结果基本一致价层电子对互斥模型杂化轨道理论计算价层电子对数价层电子对数=σ键电子对数+中心原子孤电子对数234直线形平面三角形四面体形sp杂化，直线形sp2杂化，平面三角形sp3杂化，四面体形预测分子结构略去孤电子对解释分子空间结构杂化轨道类型与分子空间结构的关系1：当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子/离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同杂化类型spsp2sp3杂化轨道数参与杂化轨道轨道夹角180°120°109°28′杂化轨道示意图

实例BeCl2BF3CH4分子结构示意图分子空间结构直线形平面三角形正四面体形1个s,3个p1个s,2个p4个sp33个sp21个s,1个p2个sp杂化轨道类型与分子空间结构的关系情况二：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，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同ABn型分子中心原子杂化类型中心原子孤电子对数空间结构实例AB2sp21SO2AB3sp31NH3、PCl3、NF3、H3O＋AB2或(B2A)2H2O、H2S、NH2-V形三角锥形V形判断中心原子杂化轨道类型的方法方法一：算中心原子的杂化轨道数=价层电子对数目＝σ键数（中心原子结合的电子数）＋中心原子的孤电子对数目条件：单中心分子价层电子对数234杂化类型spsp2sp3杂化轨道只用于形成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键分子σ键电子对孤电子对价层电子对VSEPR模型空间结构杂化类型CH4404NH3314H2O224BF3303BeCl2202四面体形四面体形四面体形平面三角形直线形四面体形三角锥形V形平面三角形直线形sp3sp3sp3sp2sp方法二：通过看中心原子有没有形成双键或三键来判断判断中心原子杂化轨道类型的方法若有1个三键或2个双键，则其中有2个π键，用去2个p轨道，是____杂化；若有1个双键则其中必有1个π键，用去1个p轨道，是____杂化；若全部是单键，则形成____杂化。spsp2sp3杂化类型sp3sp2spC的成键方式4个单键1个双键和2个单键1个C≡C和1个单键N的成键方式3个单键1个双键和1个单键1个三键______________________________________spsp2sp2sp3sp3饱和碳原子均采取sp3杂化；双键或苯环碳原子均采取sp2杂化；三键碳原子均采取sp杂化。—C≡C—CH=C—C≡NH3C—O—【思考】指出下列原子的杂化方式：下列有机物分子中的碳原子既有sp3杂化又有sp杂化的是(

)A.CH3CH2CH3B.CH3−C≡CHC.CH3CHOD.CH≡CHBsp方法三：根据杂化轨道之间的夹角判断杂化轨道之间的夹角180°120°109°28′spsp2sp3判断中心原子杂化轨道类型的方法空间结构正四面体形、三角锥形平面三角形4直线形杂化类型sp3sp2sp注意：空间结构为V形的杂化类型sp3或sp2方法四：根据分子的空间结构判断利用VSEPR模型和杂化轨道理论推测粒子结构孤电子对数化学式价层电子对数σ键电子对数VSEPR模型中心原子杂化类型粒子的真实空间结构SO2H2SSO3NCl3HCNHClO224四面体形sp3杂化V形123平面三角形sp2杂化V形033平面三角形sp2杂化平面三角形134四面体形sp3杂化三角锥形022直线形sp杂化直线形224四面体形sp3杂化V形利用VSEPR模型和杂化轨道理论推测粒子结构孤电子对数化学式价层电子对数σ键电子对数VSEPR模型中心原子杂化类型粒子的真实空间结构SO42-NO3-PO43-ClO3-