高中化學(xué)同步講義（選擇性必修二）第09講 2.5雜化軌道理論 等電子體原理（學(xué)生版）

第9課雜化軌道理論等電子體原理1．了解雜化軌道理論的基本內(nèi)容。2．能根據(jù)雜化軌道理論解釋簡單分子的空間結(jié)構(gòu)。3．結(jié)合雜化軌道理論認識常見共價分子的空間結(jié)構(gòu)。一、雜化軌道理論簡介1.雜化軌道的含義雜化軌道理論是一種價鍵理論，是鮑林為了解釋分子的空間結(jié)構(gòu)提出的。(1)軌道的雜化：在外界條件影響下，原子內(nèi)部的原子軌道發(fā)生，重新成一組新的軌道的過程。(2)雜化軌道：原子軌道后形成的一組新的，叫做原子軌道，簡稱。(3)雜化軌道的特點①雜化軌道數(shù)參與雜化的原子軌道數(shù)；②雜化改變了原子軌道的和；③雜化使原子的成鍵能力；④雜化軌道用于構(gòu)建分子的軌道和軌道。2.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，的原子不可能發(fā)生雜化。(3)只有的原子軌道才能雜化(如2s、2p)。(4)雜化前后原子軌道數(shù)目(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。(5)為使相互間的排斥力最小，雜化軌道在空間取夾角分布。雜化后軌道的、發(fā)生改變，但相同雜化形式的雜化軌道形狀完全。雜化使原子的成鍵能力。形成的共價鍵更。(6)雜化軌道用于形成或者用來容納未參與成鍵的。未參與雜化的p軌道可用于形成鍵。分子的空間結(jié)構(gòu)主要取決于原子軌道的雜化。(7)雜化軌道成鍵時仍具有共價鍵的特征——性和性(8)雜化軌道數(shù)=中心原子上的數(shù)+與中心原子結(jié)合的數(shù)。3.雜化軌道類型類型形成過程夾角空間結(jié)構(gòu)sp3雜化軌道sp3雜化軌道是由個s軌道和個p軌道雜化形成的形sp2雜化軌道sp2雜化軌道是由個s軌道和個p軌道雜化而成的形sp雜化軌道sp雜化軌道是由個s軌道和個p軌道雜化而成的形【特別說明】原子軌道發(fā)生sp雜化時，還有2個np軌道未發(fā)生雜化，若np軌道上有未成對電子，形成分子時2個np軌道上的電子會形成π鍵。1）sp3雜化與CH4分子的空間構(gòu)型(1)雜化軌道的形成碳原子2s軌道上的1個電子進入2p空軌道，個2s軌道和個2p軌道“混合”，形成相等、相同的個sp3雜化軌道?；鶓B(tài)原子軌道激發(fā)態(tài)原子軌道雜化軌道sp3雜化軌道的空間構(gòu)型4個sp3雜化軌道在空間呈，軌道之間的夾角為，每個軌道上都有一個未成對電子。(2)共價鍵的形成碳原子的4個軌道分別與4個氫原子的軌道重疊，形成4個相同的鍵。(3)CH4分子的空間構(gòu)型CH4分子為空間結(jié)構(gòu)，分子中C—H鍵之間的夾角都是。(4)正四面體結(jié)構(gòu)的分子或離子的中心原子，一般采用sp3雜化軌道形成共價鍵，如CCl4、NH4+等。金剛石中的碳原子、晶體硅和石英（SiO2）晶體中的硅原子也是采用sp3雜化軌道形成共價鍵的。2）sp2雜化與BF3分子的空間構(gòu)型(1)sp2雜化軌道的形成硼原子2s軌道上的1個電子進入2p軌道。個2s軌道和個2p軌道發(fā)生雜化，形成相等、相同的個sp2雜化軌道。硼原子的3個sp2雜化軌道呈，3個sp2雜化軌道間的夾角為。(2)共價鍵的形成硼原子的3個軌道分別與3個氟原子的1個軌道重疊，形成3個相同的鍵。(3)BF3分子的空間構(gòu)型BF3分子的空間構(gòu)型為，鍵角為。3）sp雜化與BeCl2分子的空間構(gòu)型(1)雜化軌道的形成Be原子2s軌道上的1個電子進入2p軌道，個2s軌道和個2p軌道發(fā)生雜化，形成相等、相同的個sp雜化軌道。Be原子的sp雜化軌道呈，其夾角為。(2)共價鍵的形成Be原子的2個軌道分別與2個Cl原子的1個軌道重疊形成2個相同的鍵。(3)BeCl2分子的空間構(gòu)型BeCl2分子為空間構(gòu)型為，分子中Be—Cl鍵之間的夾角為。4.雜化軌道類型與分子的空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系(1)雜化軌道用于形成或用來容納未參與成鍵的。當(dāng)沒有孤電子對時，能量相同的雜化軌道彼此遠離，形成的分子為結(jié)構(gòu)；當(dāng)有孤電子對時，孤電子對占據(jù)一定空間且對成鍵電子對產(chǎn)生排斥，形成的分子的空間結(jié)構(gòu)也發(fā)生。(2)雜化軌道與分子的空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系①當(dāng)雜化軌道全部用于形成σ鍵時雜化類型spsp2sp3軌道組成個ns和個np個ns和個np個ns和個np軌道夾角雜化軌道示意圖實例BeCl2BF3CH4分子結(jié)構(gòu)示意圖分子空間結(jié)構(gòu)形形形②當(dāng)雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對時由于孤電子對參與互相排斥，會使分子的構(gòu)型與雜化軌道的形狀有所區(qū)別。如水分子中氧原子的sp3雜化軌道有個雜化軌道由占據(jù)，其分子不呈形，而呈V形；氨分子中氮原子的sp3雜化軌道有個雜化軌道由占據(jù)，氨分子不呈形，而呈形。5.VSEPR模型與中心原子的雜化軌道類型的關(guān)系雜化軌道理論了價層電子對互斥模型所推測的分子空間結(jié)構(gòu)，但分析具體分子中的中心原子的雜化軌道類型時，應(yīng)先確定分子或離子的，再確定中心原子的。VSEPR模型及其中心原子對應(yīng)的雜化軌道類型如表所示：【思考與討論p49】參考答案：(1)BF3的σ鍵電子對數(shù)為3，孤電子對數(shù)為0，價層電子對數(shù)為3，故雜化軌道類型為雜化。(1)H30+的σ健電子對數(shù)為3，孤電子對數(shù)為1，價層電子對數(shù)為4，故雜化軌道美型為雜化。6.雜化軌道類型的判斷方法(1)根據(jù)價層電子對互斥模型判斷中心原子的雜化類型、空間結(jié)構(gòu)在確定了分子或離子的中心原子上的成鍵電子對數(shù)和孤電子對數(shù)后，可以依據(jù)下面的方法確定其中心原子的雜化軌道類型：σ鍵電子對數(shù)(成鍵電子對數(shù))+孤電子對數(shù)=價電子對數(shù)=雜化軌道數(shù)根據(jù)雜化類型及孤電子對數(shù)即可判斷分子或離子的空間結(jié)構(gòu)，列表如下：價層電子對數(shù)雜化軌道類型成鍵電子對數(shù)孤電子對數(shù)雜化軌道數(shù)分子空間結(jié)構(gòu)實例2sp202形BeCl2、CO2、HCN3sp2303形BF3、SO3、CO32—21形SnBr2、SO2、NO2—4sp3404形CHCl3、SiCl4、PO43—31形NH3、PCl3、SO32—22形OF2、H2O、NH2—(2)根據(jù)雜化軌道間的夾角判斷雜化軌道間的夾角雜化軌道類型sp3sp2sp(3)根據(jù)分子或離子的空間結(jié)構(gòu)判斷分子或離子的空間結(jié)構(gòu)雜化軌道類型形sp3形sp2形sp(4)根據(jù)共價鍵類型判斷由雜化軌道理論可知，原子之間成鍵時，未參與雜化的軌道用于形成π鍵，雜化軌道用于形成或用來容納未參與成鍵的。對于能明確結(jié)構(gòu)式的分子、離子，其中心原子的雜化軌道數(shù)n=中心原子形成的數(shù)+中心原子上的數(shù)，即可將結(jié)構(gòu)式和電子式相結(jié)合，從而判斷中心原子形成的數(shù)和中心原子上的數(shù)，進而判斷數(shù)。例如：①在SiF4分子中，基態(tài)硅原子有4個價電子，與4個氟原子形成4個σ鍵，沒有孤電子對，n=4,則SiF4分子中硅原子采用化。②在HCHO分子中，基態(tài)碳原子有4個價電子，與2個氫原子形成2個σ鍵，與氧原子形成C=O,C=O中有1個σ鍵、1個π鍵，沒有孤電子對，n=3,則HCHO分子中碳原子采用雜化。(5)以碳原子為中心原子的分子中碳原子的雜化類型①沒有形成π鍵，為雜化：CH4、CCl4、②形成一個π鍵，為雜化：CH2=CH2、苯(大π鍵)、、③形成兩個π鍵，為雜化：CH≡CH、O=C=O(CO2)、S=C=S(CS2)【研究與實踐——制作分子的空間結(jié)構(gòu)模型p49】思考與討論參考答案：把四個充滿氣的氣球用皮筋扎在一起，這四個氣球形成一個正四面體形；然后把這4個氣球在黑板上壓在一個平面中，形成的是平面正方形；再將四個氣球拋向空中，形狀又恢復(fù)正四面體形，說明這種正四面體的形式是它自然的狀態(tài)。把這四個氣球看成四對共用電子對，它們的公共結(jié)點看成是碳原子，那么這種結(jié)構(gòu)取向就是它的自然取向，這正像甲烷分子的正四面體形結(jié)構(gòu)。二、等電子體原理1.含義：相同、相同的互為等電子體?！咎貏e提醒】核外電子總數(shù)不一定相同；等電子體可以拓展到離子。2.特點：等電子體具有相似的特征(立體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵類型)及的性質(zhì)，例如CO和N2的熔沸點、溶解性等都非常相近。3.等電子原理的應(yīng)用利用等電子原理可以判斷一些簡單分子或離子的構(gòu)型。如SO2和O3的原子數(shù)目和價電子總數(shù)都相等，二者互為等電子體，中心原子都是雜化，都是形結(jié)構(gòu)。4.確定等電子體的方法同主族或同周期元素替換，交換過程中注意變化。變換過程中注意電荷變化，并伴有元素種類的改變序號方法示例1豎換：把同族元素(同族原子價電子數(shù)相同)交換，即可得到相應(yīng)的等電子體CO2與CS2、O3與SO22橫換：換主族元素，這時候價電子發(fā)生變化，再通過得失電子使價電子總數(shù)相等N2與CO3可以將分子變換為，也可以將離子變換為O3與NOeq\o\al(－,2)、CH4與NHeq\o\al(＋,4)CO與CN－5.常見的等電子體匯總微粒通式價電子總數(shù)立體構(gòu)型CO2、CNS－、NOeq\o\al(＋,2)、Neq\o\al(－,3)AX216e－形COeq\o\al(2－,3)、NOeq\o\al(－,3)、SO3AX324e－形SO2、O3、NOeq\o\al(－,2)AX218e－形SOeq\o\al(2－,4)、POeq\o\al(3－,4)AX432e－形POeq\o\al(3－,3)、SOeq\o\al(2－,3)、ClOeq\o\al(－,3)AX326e－形CO、N2AX10e－形CH4、NHeq\o\al(＋,4)AX48e－形?問題一雜化軌道理論與分子的結(jié)構(gòu)【典例1】下列分子或離子的立體構(gòu)型和中心原子的雜化方式均正確的是A．AsH3平面三角形sp3雜化 B．H3O+平面三角形sp2雜化C．H2SeV形sp3雜化 D．CO三角錐形

sp3雜化【變式1-1】有機物CH3CH=CH—C≡CH中標(biāo)有“·”的碳原子的雜化方式依次為()A．sp、sp2、sp3 B．sp3、sp2、spC．sp2、sp、sp3 D．sp3、sp、sp2【變式1-2】下列說法中正確的是()A．中心原子采取sp3雜化的分子，其幾何構(gòu)型都是四面體型B．sp3雜化軌道是由任意的1個s軌道和3個p軌道混合形成的4個sp3雜化軌道C．苯分子的碳原子是sp2雜化，分子的空間構(gòu)型為平面結(jié)構(gòu)D．AB3型的分子空間構(gòu)型必為平面三角形?問題二等電子體原理與分子結(jié)構(gòu)【典例2】通常把原子總數(shù)和價電子總數(shù)相同的分子或離子稱為等電子體。人們發(fā)現(xiàn)等電子體的空間結(jié)構(gòu)相同，則下列有關(guān)說法中正確的是()A．CH4和NHeq\o\al(＋,4)是等電子體，鍵角均為60°B．NOeq\o\al(－,3)和COeq\o\al(2－,3)是等電子體，均為平面三角形結(jié)構(gòu)C．H3O＋和PCl3是等電子體，均為三角錐形結(jié)構(gòu)D．B3N3H6和苯是等電子體，B3N3H6分子中不存在“肩并肩”式重疊的軌道【變式2-1】由短周期元素原子構(gòu)成的粒子，只要其原子數(shù)相同，各原子最外層電子數(shù)之和相同，可互稱為等電子體。等電子體的結(jié)構(gòu)相似、物理性質(zhì)相近。根據(jù)上述原理，下列各對粒子中，立體結(jié)構(gòu)相似的是()A．SO2與O3B．CO2與NO2C．CS2與NO2D．PCl3與BF3【變式2-2】根據(jù)等電子原理：由短周期元素原子構(gòu)成的微粒，只要其原子數(shù)相同，各原子最外層電子數(shù)之和相同，可互稱為等電子體，它們具有相似的結(jié)構(gòu)特征。以下各組微粒結(jié)構(gòu)不相似的是()A.CO和N2 B.O3和NO2-C.CO2和N2O D.N2H4和C21．下列分子的立體構(gòu)型可用sp2雜化軌道來解釋的是()①COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))②CH2=CH2③苯④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A．①②③B．①⑤⑥C．②③④D．③⑤⑥2.下列各組微粒中，互為等電子體的一組是()A.CO、C2H2、N2B.SiF4、SiO44?、SO42?、PO43?C.CO32?、NO3．形成下列分子時，一個原子用sp3雜化軌道和另一個原子的p軌道成鍵的是（）①PF3②CCl4③NH3④H2OA．①② B．②③ C．③④ D．①④4．根據(jù)等電子原理，下列分子或離子與其他選項不屬于同一類的是()A．PF4+B．SiO42-C．SO42-D．SiH45.判斷下列中心原子的雜化軌道類型(點“·”的原子為中心原子)。微粒①H3O＋②CH2CH2③CCl4④NCl3⑤PH3雜化軌道數(shù)目雜化軌道類型6.科學(xué)家常用“等電子體”來預(yù)測不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu),例如CH4與NH4+有相同的電子數(shù)和立體構(gòu)型。依此原理在下表空格中填出相應(yīng)的化學(xué)式:①；②；③CH4①CO③NHN2H②N21.下列說法：①是三角錐型；②是V形，其A可能為雜化；③二硫化碳中碳原子為sp雜化；④是平面四邊形結(jié)構(gòu)；⑤、、分子中的O、N、C分別形成2個、3個、4個鍵，故O、N、C原子分別采取sp、、雜化；⑥分子是三角錐型，這是因為P原子是以雜化的結(jié)果；⑦雜化軌道是由任意的1個s軌道和3個p軌道混合形成的四個雜化軌道；⑧凡中心原子采取雜化的分子，其VSEPR幾何構(gòu)型都是四面體形；⑨和雜化軌道類型均為雜化，立體構(gòu)型分別為V形、平面三角形；⑩氣體單質(zhì)中，一定有σ鍵，可能有π鍵。正確的選項有A．2個 B．3個 C．4個 D．5個2.根據(jù)雜化軌道理論和價層電子對互斥模型，判斷下列分子或者離子的空間構(gòu)型正確的是選項分子式中心原子雜化方式VSEPR模型名稱空間結(jié)構(gòu)AspV形V形Bsp2平面三角形三角錐形Csp2四面體形平面三角形Dsp3正四面體形正四面體形3.下列離子的VSEPR模型與其空間結(jié)構(gòu)一致的是A． B． C． D．4.下列各組微粒的空間構(gòu)型相同的是①和②和③和④和⑤和⑥和⑦和A．全部 B．除④⑥⑦以外C．③④⑤⑥ D．②④⑤⑥5.等電子體之間往往具有相似的結(jié)構(gòu)，N2O與CO2分子具有相似的結(jié)構(gòu)(包括電子式)；已知N2O分子中氧原子只與一個氮原子相連，下列說法合理的是A．N2O為三角形分子B．N2O與CO2均不含非極性鍵C．N2O的電子式可表示D．N2O與SiO2為等電子體、具有相似的結(jié)構(gòu)和相似性質(zhì)6．下面兩表分別列出了CO和N2的某些性質(zhì)及相關(guān)鍵能，有關(guān)說法不正確的是表一分子熔點/℃沸點/℃常溫時在水中溶解度CO-205.05-191.492.3mLN2-210.00-195