1、高中化學(xué)7：雜化軌道1、概念理解原子在形成分子時(shí)，原子軌道不可能只重疊而本身不變，實(shí)際上個(gè)原子的價(jià)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必然改變，而使成鍵能力盡可能增加，體系能量盡可能降低。能量相近的不同原子軌道重新合成相同數(shù)目的新原子軌道。通常有sp型、dsp型、spd型等。雜化并非一個(gè)實(shí)際過程，而是一個(gè)數(shù)學(xué)概念。為了得到波動(dòng)方程有關(guān)價(jià)層電子的解，及波函數(shù)而采取的一個(gè)步驟。和原有的s、p軌道相比，雜化軌道分布圖具有一個(gè)肥大的正瓣，這一區(qū)域大大有利于成鍵軌道之間的重疊。而且雜化軌道空間分布合理，降低了成鍵電子的排斥。2個(gè)方面都有利于體系能量的下降。2、價(jià)層電子對(duì)互斥理論（VSEPR理論）對(duì)軌道形狀的推測(cè)2.1、價(jià)層電子

2、對(duì)互斥理論（VSEPR理論）：對(duì)于一個(gè)ABm型分子（或離子），圍繞中心A原子的價(jià)層對(duì)子對(duì)（包括成鍵電子對(duì)和未成鍵的孤電子對(duì)）的空間分布是受靜電相互作用所支配。電子對(duì)之間盡可能互相遠(yuǎn)離，這樣斥力小，體系趨于穩(wěn)定。2.2、A原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)的確定：A原子價(jià)層電子數(shù)+ B原子提供的用于形成共價(jià)單鍵的電子數(shù)（雙劍、三鍵均按生成一個(gè)單鍵考慮）/2若是陰離子，電子數(shù)要加陰離子電荷數(shù)，陽離子則要減去。B是H或鹵素元素，每個(gè)原子提供一個(gè)共用電子。B若是是氧族元素，規(guī)定不提供共用電子。四氯化碲TeCl4分子：Te有6個(gè)價(jià)層電子，加上4個(gè)Cl提供的共用電子，中心Te原子價(jià)層電子數(shù)等于10，對(duì)數(shù)為5。SO42-離子

3、：S有6個(gè)價(jià)層電子，規(guī)定O原子不提供共用電子，加上離子電荷數(shù)2，中心S原子價(jià)層電子數(shù)等于8，對(duì)數(shù)為4。2.3、VSEPR理論推測(cè)分子形狀：判斷非過渡元素化合物的分子（或離子）的幾何構(gòu)型是相當(dāng)成功的。價(jià)層電子對(duì)數(shù)在4以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)例外；價(jià)層電子對(duì)數(shù)為5、6時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別例外；價(jià)層電子對(duì)數(shù)為7以上時(shí)，中心不單一，出入較大；步驟：1、確定中心原子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)2、確定價(jià)層電子對(duì)對(duì)應(yīng)的最佳分布構(gòu)型：2直線、3平面三角、4正四面體、5三角雙錐體、6正八面體。3、依據(jù)價(jià)層電子對(duì)相互作用斥力大小選出最穩(wěn)定布局。依此布局將配位原子排列在中心原子周圍。電子對(duì)之間斥力大小：孤-孤孤-成成-成按照力學(xué)分析，很好理解。2

4、個(gè)同等力作用1個(gè)點(diǎn)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是直線，夾角180度。3個(gè)同等力作用1個(gè)點(diǎn)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是平面，夾角120度。4個(gè)同等力作用1個(gè)點(diǎn)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是（正四面體、平面正方體等），正四面體夾角109.5度。5個(gè)同等力作用1個(gè)點(diǎn)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是三角雙錐體6個(gè)同等力作用1個(gè)點(diǎn)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是正八面體3、常見的sp雜化軌道3.1、sp1雜化軌道：同層2個(gè)sp原子軌道（部分sp軌道）重新整合成2個(gè)等價(jià)軌道（2個(gè)軌道最合理的結(jié)構(gòu)是組成一個(gè)平面，夾角180度，只能是直線型）。同層2個(gè)電子，進(jìn)行化合時(shí)，2個(gè)電子重新分布，典型化合物氯化鈹BeCl23.2、sp2雜化軌道：同層3個(gè)sp原子軌道（部分sp軌道）重新整合成3個(gè)等價(jià)軌道（3個(gè)

5、軌道最合理的結(jié)構(gòu)是組成一個(gè)平面，夾角120度）。同層2個(gè)電子，進(jìn)行化合時(shí)，2個(gè)電子重新分布，典型化合物氯化鈹BeCl23.3、sp3雜化軌道：同層4個(gè)sp原子軌道（全部sp軌道）重新整合成4個(gè)等價(jià)軌道（立體上，4個(gè)軌道最合理的結(jié)構(gòu)是組成正四面體，夾角109.5度，當(dāng)有孤對(duì)電子時(shí)，由于作用力改變，夾角有稍小）。同層4個(gè)電子，C元素，等性雜化。典型化合物甲烷CH4，進(jìn)行化合時(shí)，4個(gè)電子重新分布。同層5個(gè)電子，N元素，不等性雜化。典型化合物甲烷NH3，進(jìn)行化合時(shí)，5個(gè)電子重新分布。其中2個(gè)電子已經(jīng)占有1個(gè)軌道，能量稍低，稱孤對(duì)電子。另外3個(gè)軌道形成3個(gè)N-H鍵。孤對(duì)電子對(duì)其他3個(gè)軌道斥力較強(qiáng)，使3個(gè)

6、鍵的夾角為107.3度。同層6個(gè)電子，O元素，不等性雜化。典型化合物甲烷H2O，進(jìn)行化合時(shí)，6個(gè)電子重新分布。其中4個(gè)電子已經(jīng)占有2個(gè)軌道，能量稍低，稱孤對(duì)電子。另外2個(gè)軌道形成2個(gè)O-H鍵。孤對(duì)電子對(duì)其他2個(gè)軌道斥力較強(qiáng)，使2個(gè)鍵的夾角為105度左右。雜化軌道判斷公式如下：（括號(hào)內(nèi)為舉例，以下均以CO2為例）k=m+n當(dāng)k=2 sp雜化k=3 sp2雜化k=4 sp3雜化其中n值為ABn中的n，與中心原子結(jié)合的原子數(shù)（此時(shí)n是CO2中的2）(中心原子：按字面意思理解，就是分子形成是被當(dāng)做中心的原子，CO2的中心原子為C)m=(e-nd)/2m：孤電子對(duì)數(shù)(指未成鍵電子）e：中心原子價(jià)電子數(shù)（

7、價(jià)電子數(shù)就是最外層電子數(shù)，C碳的e=4）n：和上面的n是同一個(gè)值d：與中心原子結(jié)合的原子最多能接收的電子數(shù)（與中心原子結(jié)合的原子指O氧原子，最外層差2 個(gè)電子排滿，此處d=2）于是，CO2的k=2+(4-2*2)/2=2故CO2是sp雜化必須是ABx型才弄用此判斷方法，金剛石Sp3 正四面體 石墨sp2 平面六邊形 需要記住SO32-，中心原子S提供6個(gè)電子，氧不提供，兩個(gè)負(fù)電荷等于兩個(gè)電子，所以電子數(shù)為8，即為4對(duì)，sp3雜化硫酸根，分析步驟同上，也是sp3碳酸根，C提供4個(gè)，氧不提供，加兩個(gè)負(fù)電荷，6電子，3對(duì)，sp2雜化硝酸根，N提供5個(gè)，氧不提供，加一個(gè)負(fù)電荷，6電子，3對(duì)，sp2雜化

8、中心原子雜化軌道類型一、根據(jù)分子的空間構(gòu)型判斷根據(jù)雜化軌道理論，中心原子軌道采取一定的雜化方式后，其空間構(gòu)型和鍵角如下：雜化軌道類型 雜化軌道空間構(gòu)型 鍵角sp 直線形 180sp2 平面三角形 120sp3 正四面體 1095由此，可以根據(jù)分子的空間構(gòu)型或鍵角來判斷中心原子軌道的雜化方式。例如一些常見的簡(jiǎn)單分子的結(jié)構(gòu)都是熟悉的，C2H2、CO2為直線型分子，鍵角為180，推斷其C 原子的雜化軌道類型為sp；C2H4 、C6H6為平面型分子，鍵角為120， 推斷其C 原子的雜化軌道類型為sp2；CH4、CCl4為正四面體，鍵角1095，推斷其C 原子的雜化軌道類型為sp3。還可以擴(kuò)展到以共價(jià)鍵

9、形成的晶體，如：已知金剛石中的碳原子、晶體硅和石英中的硅原子，都是以正四面體結(jié)構(gòu)形成共價(jià)鍵的，所以也都是采用sp3 雜化；已知石墨的二維結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，每個(gè)碳原子與其它三個(gè)碳原子結(jié)合，形成六元環(huán)層，鍵角為120，由此判斷石墨的碳原子采用sp2 雜化。二、根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷教材（蘇教版）的“拓展視野”中介紹了價(jià)層電子對(duì)互斥理論，根據(jù)該理論能夠比較容易而準(zhǔn)確地判斷ABm型共價(jià)分子或離子的空間構(gòu)型和中心原子雜化軌道類型。中心原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)與價(jià)電子對(duì)的幾何分布、中心原子雜化軌道類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表（價(jià)電子對(duì)數(shù)4 的，高中階段不作要求）。中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù) 價(jià)電子對(duì)幾何分布 中心原子雜化類型2 直

10、線形 sp3 平面三角形 sp24 正四面體 sp3運(yùn)用該理論的關(guān)鍵是能準(zhǔn)確計(jì)算出中心原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)，其計(jì)算方法是：1價(jià)電子對(duì)數(shù)n 中心原子（A）的價(jià)電子數(shù)配位原子（B）提供的價(jià)電子數(shù)m2。2對(duì)于主族元素，中心原子（A）的價(jià)電子數(shù)最外層電子數(shù)；配位原子中鹵族原子、氫原子提供1 個(gè)價(jià)電子，氧族元素的原子按不提供電子計(jì)算； 離子在計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)時(shí)，還應(yīng)加上負(fù)離子的電荷數(shù)或減去正離子的電荷數(shù)。3中心原子孤電子對(duì)數(shù)n（價(jià)電子對(duì)數(shù)）m（配位原子B 數(shù)）。4 雜化軌道由形成 鍵的電子對(duì)和孤電子對(duì)占據(jù)，因此分子或離子的空間構(gòu)型為雜化軌道構(gòu)型去掉孤電子對(duì)后剩余的形狀。例：指出下列分子或離子的中心原子的雜化軌

11、道類型，并預(yù)測(cè)它們的空間構(gòu)型：BeCl2、H2OSO3、NH3NH4、PO43解析：第組都是AB2型分子BeCl2的價(jià)電子對(duì)數(shù)n（212）22，Be 采用sp 雜化，nm220，無孤對(duì)電子， 故分子呈直線型；H2O 的價(jià)電子對(duì)數(shù)n（612）24，O 采用sp3 雜化，nm422，有2 對(duì)孤電子對(duì)，故分子呈折線型。第組都是AB3型分子SO3的價(jià)電子對(duì)數(shù)n（603）23，S 采用sp2 雜化，nm330， 無孤對(duì)電子，故分子呈平面三角形；NH3的價(jià)電子對(duì)數(shù)n（513）24，N 采用sp3 雜化，nm431，有1 對(duì)孤對(duì)電子，故分子呈三角錐型。第組都是AB4型離子NH4的價(jià)電子對(duì)數(shù)n（5141）24

12、，N 采用sp3 雜化，nm440，無孤對(duì)電子，故分子呈正四面體；PO43的價(jià)電子對(duì)數(shù) n（5043）24，P 采用sp3 雜化，nm440，無孤對(duì)電子，分子呈正四面體結(jié)構(gòu)。三、根據(jù) 鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)逆向判斷根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論，中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù) 鍵數(shù)孤電子對(duì)數(shù)，如果已知 鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)，就可以逆向判斷出中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù)，從而判斷出雜化方式。例： 指出乙酸分子中原子的雜化軌道類型以及它們周圍原子的空間分布情況。解析： 高能熟練書寫有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)式，根據(jù)結(jié)構(gòu)式就很容易得知 鍵數(shù)和孤對(duì)電子數(shù)，從而判斷出雜化方式。1號(hào)C形成4個(gè) 鍵，無孤對(duì)電子，所以有4個(gè)價(jià)電子對(duì)，C原子為sp3雜化，其周圍

13、3個(gè)H和1個(gè)C呈正四面體分布；2號(hào)C形成3個(gè)鍵，無孤對(duì)電子，所以有3個(gè)價(jià)電子對(duì)，C原子為sp2雜化，其周圍的C、O、O呈正三角形分布；3號(hào)O形成2個(gè)鍵，2個(gè)孤對(duì)電子，所以有4個(gè)價(jià)電子對(duì)，C原子為sp3雜化，其周圍的C和H呈折線形分布。拿COOH來看，C和一個(gè)O形成雙鍵，因而C是sp2雜化，因此可只是平面三角形。脫去一個(gè)氫離子后形成一個(gè)三中心三電子的離域體系。孤電子對(duì)：CH2O 中心原子是C原子，和2個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子一共生成了4根鍵，所以已經(jīng)把8個(gè)電子都形成共價(jià)鍵了，所以沒有孤對(duì)電子了。 SO2 1個(gè)孤電子對(duì)，當(dāng)然看分子中的 在VSEPR模型價(jià)電子對(duì)計(jì)算理論可得SO2中心S原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)=

14、6/2=3，而S結(jié)合原子數(shù)為2，所以有一個(gè)孤電子對(duì)孤電子數(shù)=1/2*(a-xb) a為中心原子的價(jià)電子數(shù) x為與中心原子結(jié)合的原子數(shù) b為中心原子結(jié)合的原子最多能接受的電子數(shù)四、根據(jù)等電子原理判斷教材的“資料卡”中介紹了等電子原理，即具有相同價(jià)電子數(shù)和相同原子數(shù)的分子或離子具有相同的結(jié)構(gòu)特征，這里的結(jié)構(gòu)特征包括中心原子的雜化軌道類型、分子的空間結(jié)構(gòu)等。因此，我們可以根據(jù)一些熟悉的分子的雜化軌道類型來判斷與它互為等電子體的不熟悉的分子的雜化軌道類型。例：指出N2O分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型。解析：教材中介紹的價(jià)層電子對(duì)互斥理論是比較淺顯的，并沒有介紹N作為配位原子應(yīng)該如何計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)，在解決這樣的題目時(shí)，可采用等電子原理巧解。由于 N2O與CO2互為等電子體，大家對(duì)于CO2的結(jié)構(gòu)非常熟悉，直接根據(jù)直型，判斷出sp雜化，當(dāng)然也可以計(jì)算出CO2中的C原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)n（402）22，判斷為sp雜化，直線型，故N2O也應(yīng)為sp雜化，直線型。同樣， 如果要判斷CNS的空間構(gòu)型和雜化軌道類型，不必深究哪個(gè)原子是中心原子，哪個(gè)是配位原子， 如何計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)， 直接根據(jù)CNS與CO2等電子體，來判斷CNS為直線型，sp雜化。五、根據(jù)結(jié)構(gòu)代換判斷有機(jī)化學(xué)中的取代反應(yīng)是指有機(jī)物分子里某些原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng)，根據(jù)取代反應(yīng)機(jī)理，發(fā)生取代后，其中心原子的結(jié)