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高中化学竞赛之杂化轨道理论


共价键与分子的空间构型

杂化轨道
基本要点:在形成分子时,由于原子的相 互影响,若干不同类型能量相近的原子轨 道混合起来,重新组合成一组新轨道。这 种轨道重新组合的过程叫做杂化,所形成 的新轨道就称为杂化轨道。
杂化前后轨道数目不变。
杂化后轨道伸展方向,形状发生改变。

方使 向轨 分道为 别间了 指的

四 向排个 正斥杂 四最化 面小轨 体,道 的 4 在 四个空 个杂间 顶化尽 点轨可 。道能 的远 伸离 展,

由1个s轨道和3个p轨道混杂并重新组合成4 个能量与形状完全相同的轨道。 由于每个轨道中都含有1/4的s轨道成分和 3/4的p轨道成分,因此我们把这种轨道称之为 sp3杂化轨道。

四个H原子分别以4个s轨道与C原子上的四 个sp3杂化轨道相互重叠后,就形成了四个性 质、能量和键角都完全相同的S-SP3σ键,形成 一个正四面体构型的分子。

sp型的三种杂化
杂化类型 参与杂化 的原子轨 道 杂化轨道 数 sp 1个s + 1个p 2个sp杂化轨 道 180o 直线 sp2 1个s + 2个p sp3 1个s + 3个p

3个sp2杂化轨 4个sp3杂化轨 道 道 120o 正三角形 BF3, BCl3 109.5o 正四面体

杂化轨道 间夹角 空间构型 实例

BeCl2,C2H2

CH4,CCl4

sp2 杂 化 轨 道

乙烯中的C在轨道杂化时,有一个P轨 道未参与杂化,只是C的2s与两个2p轨 道发生杂化,形成三个相同的sp2杂化轨道, 三个sp2杂化轨道分别指向平面三角形的三 个顶点。未杂化p轨道垂直于sp2杂化轨道所 在平面。杂化轨道间夹角为120°。

sp 杂 化 轨 道
两个碳原子的sp杂化轨道沿各自对称轴形成sp-sp ? 键,另两个sp 杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个sp-s?键,两个py轨 道和两个pz轨道分别从侧面相互重叠,形成两个相互垂直的P-P?键, 形成乙炔分子。

NH3
2p
2s

N
H H H

sp3杂化

H 2O

O
H H3
sp 杂化

2p 2s

sp

3

O H

H

提示:
非中心原子:Cl、F、Br、I=H 中心原子:同主族的可以互换 (如N=P、S=O等) 通常双原子分子中没有发生杂化

2、杂化轨道的类型
杂 化 类 型 参与杂化的 原子轨道 杂 化 轨 道 数 杂化轨道 间夹角 空 间 构 型 实 例 sp sp2 sp3

1s + 1p
2个sp 杂化轨道 180?

1s + 2p
3个sp2 杂化轨道 120?

1s + 3p
4个sp3 杂化轨道 109? 28’

直 线

正三角形

正四面体
CH4 , CCl4

BeCl2 , C2H2 BF3 , C2H4

小结:杂化轨道的类型与分子的空间构型
杂化轨道类型SP
杂化轨道数

SP2

SP3

不等性 SP3

参加杂化的轨道 s+p s+(2)p s+(3)p

' ' 180 ? 120 ? 109 ? 28 90 ? ? ? ? 109?28 成键轨道夹角

2

3

4

s+(3)p 4

分子空间构型
直线形 三角形 四面体 三角锥 V型

NH BF H O CH BeCl 3 3 2 4 2 实例 HgCl 2 BCl 3 SiCl 4 PH3 H 2S Be(ⅡA) B(ⅢA) C,Si N,P O,S 中心原子 Hg(ⅡB) (ⅣA) (ⅤA) (ⅥA)

3、中心原子杂化方式的判断
★杂化轨道数=中心原子总价电子数÷2 (不包括π键)
a )中心原子价层电子总数等于中心A的价电子数加上 配体 B 在成键过程中提供的电子数 。 如 CCl 4 4 + 1 ? 4 = 8 b)氧族元素的原子做中心时,价电子数为 6 。如 H2O 或 H2S 。做配体时,提供电子数为 0 。如 CO2

c)处理离子时,要加减与离子价数相当的电子,如 PO4 3- :5+0 ? 4+3=8 , NH4+ : 5+1 ? 4 -1= 8 。

代表物 杂化轨道数 CO2
(4+0)÷2=2

杂化轨道 类型
SP SP2 SP3 SP2

分子结构
直线形 平面三角形 正四面体形 V形 三角锥形

CH2O (4+2+0)÷2=3
CH4
(4+4)÷2=4 (6+0)÷2=3

SO2

NH3 (5+3)÷2=4 H2O
(6+2)÷2=4

SP3
SP3

V形

★杂化轨道数

中心原子孤对电子对数+中心原子结合的原子数

代表物 杂化轨道数 CO2 CH2O
0+2=2
0+3=3 0+4=4 1+2=3 1+3=4 2+2=4

杂化轨道 类型
SP
SP2 SP3 SP2 SP3 SP3

分子结构
直线形
平面三角形 正四面体形 V形 三角锥形 V形

CH4
SO2 NH3

H2O

练习: 用杂化轨道理论分析下列物质的杂化 类型、成键情况和分子的空间构型。 (1)CO2 (2)H2O (3)HCHO (4)HCN (5)SO3

课堂练习
写出下列分子的的杂化轨道类型及空间构型 NH3、BeCl2、PCl3、BF3、CS2 H2O、Cl2O 、SiCl4、CH3F、NI3

2.苯分子的空间结构

碳原子的p轨道

杂化轨道理论解释苯分子的结构:
C为SP2杂化 C-C (sp2-sp2 ) ; C-H (sp2-s )

所有原子(12个)处于同一平面
分子中6个碳原子未杂化的2P轨道 上的未成对电子重叠结果形成了

一个闭合的、环状的大π键
形成的π电子云像两个连续的面包圈,一个位于平面上面, 一个位于平面下面,经能量计算,这是一个很稳定的体系。

石墨、苯中碳原子也是 2 以sp 杂化的:

根据杂化轨道理论,形成苯分子是每个碳原 子的原子轨道发生 SP2 杂化,由此形成的 三个SP2杂化轨道 在同一平面内。每个碳原子三 个 SP2杂化轨道 电子分别与相邻两个碳原子、一 个氢原子形成σ键。这样六个碳原子组成一 个正六边行的碳环。同时每个碳原子还有一 个未参加杂化的 2P轨道,他们均有一个未成 对电子,这些6个2P轨道 轨道垂直于 碳环平面相互 平行,以 肩并肩 方式相互重叠,形成一个多电子 的大π 键。在苯分子中,六个碳原子和六个 氢原子在同一平面内,整个分子呈平面正六 边行,六个碳碳键完全相同,键角均1200

练习3.下列分子的中心原子形成sp2杂化轨道的是 ( C ) A.H2O B.NH3 C.C2H4 D.CH4 练习4.氨气分子空间构型是三角锥形,而甲烷是 正四面体形,这是因为 (C) A .两种分子的中心原子的杂化轨道类型不同, NH3为sp2型杂化,而CH4是sp3型杂化。 B . NH3 分子中 N 原子形成三个杂化轨道, CH4 分 子中C原子形成4个杂化轨道。 C.NH3分子中有一对未成键的孤对电子,它对成 键电子的排斥作用较强。

SP杂化轨道类型
分子 电子式 结构式
中心原子孤 对电子数

BeCl2

CO2

CS2 S=C=S

HCN

H:C┇┇N :

Cl-Be-Cl

O=C=O

H-C≡N

0
2 2 直线型 180°

0
2 2 直线型 180°

0
2 2 直线型 180°

0
2 2 直线型 180°

中心原子结 合原子数 杂化轨道数

空间构型 键角

SP2杂化轨道类型
分子 电子式 结构式
中心原子孤 对电子数 中心原子结 合原子数 杂化轨道数 0 3 1 2 0 3 0 3 BCl3(BF3) SO2 HCHO C2H4(C6H6)

3
平面正三角 形 120°

3 V形

3
平面三角 形

3
平面

空间构型 键角

120°

SP3杂化轨道类型
分子 电子式 结构式
中心原子孤 对电子数 中心原子结 合原子数 杂化轨道数 1 3 4 2 2 4 V形 1 3 4 0 4 4 0 4 4

NH3

H2O

H3O+

NH4+

CH4

空间构型 三角锥形
键角
107°3′

三角锥型 正四面体 正四面体 109 °5′ 109 °5 ′

104.5 ° 107°3′


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