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引入谈到分子的空间构型


【引入】谈到分子的空间构型,我们先来看几个大家非常熟悉的例子。同为三原子分子的 CO2 和 H2O 分子,CO2 是直线型,3 个原子在同一直线上;H2O 分子我们称之为折线型,其 中 O-H 键的夹角是 104.5 度。再看两个例子,同为 4 原子分子的甲醛和氨分子,甲醛分子为 平面三角形,而氨分子为三角锥型。还有的分子是三角双锥型、正八面体型等,形形色色。 那么,同学们有没有思考过,为什么分子会有不同的空间构型,分子的空间构型与分子中共 价键的形成过程有着怎样的联系呢?今天的学习,将会为大家初步揭开谜底。 【过渡】探讨分子的空间构型,我们先用一个典型的例子——CH4 分子作为研究对象。 首先请结合 CH4 分子的模型,谈谈你对 CH4 分子构型的认识。 【思考】1.C 原子与 H 原子结合,形成的分子为什么是 CH4,而不是 CH2 或者 CH3? 【启发】请问,C 原子能够和几个 H 原子形成共价键取决于什么因素? 【板书】写出 C 原子的电子排布式和轨道表示式,我们发现,C 原子的 2p 轨道上有 2 个未成对电子。若 C 原子与 H 原子结合,则应形成 CH2。 【思考】2.CH4 分子为什么具有正四面体的空间构型? 【引导】CH4 分子中存在 4 个 C-H 键,C 原子应该能够提供 4 个未成对的电子。有人 认为, 形成 CH4 分子的过程中, 原子的一个 2s 电子受外界影响跃迁到 2p 空轨道上 C (板书) , 使得 C 原子具有 4 个未成对的电子;你认为这样的解释对吗,为什么?(学生回答:有合 理的地方,因为跃迁后形成了 4 个未成对的电子,这就为 C 原子能与 4 个 H 原子形成甲烷 铺平了道路。 ) 但是,仅仅发生了电子的跃迁吗? ⑴未成对电子在 s 轨道和 p 轨道上,s 轨道和 p 轨道的能量不同,它们与 H 的 s 轨道重 叠形成的共价键的键能、键长会一样吗?! ⑵未成对电子在 s 轨道和 p 轨道上,s 轨道呈球形,3 个 p 轨道互相垂直,它们与 H 的 s 轨道重叠形成的共价键的键角会是一样的 109.5 度吗?! 分子的正四面体构型是怎样形成的呢? 那么, 那么,CH4 分子的正四面体构型是怎样形成的呢?这个问题也一直困扰着科学家,直 到美国化学家鲍林提出杂化轨道理论之后,才得到很好的解释。 【教师讲解】 原子 sp3 杂化轨道形成过程以及 CH4 分子的空间构型 C (用三维立体动画) 3 【板书】CH4——sp 杂化 C 原子的轨道表示式:

激发:在形成 CH4 分子的过程中,C 原子的 2s 轨道中的 1 个电子吸收能量,跃迁到 2p 空轨道上。请注意,这样的解释就为 C 原子能与 4 个 H 原子形成甲烷铺平了道路。 杂化【板书】 :能量相近的 1 个 2s 轨道和 3 个 2p 轨道将重新组合,形成 4 个新的、能 3 量相同的 sp 杂化轨道(每个杂化轨道上各有 1 个未成对电子) 。 【演示动画】杂化的过程我们通过多媒体课件形象的认识一下:“课件甲烷 4-4”,鲍林 精确计算出每两个 sp3 杂化轨道之间的夹角为 109.5 度。 重组后的杂化轨道改变了形状(有 4 个杂化轨道,轨道形状一头大、一头小) ,杂化轨 道的空间分布是正四面体型;这就为解释 CH4 分子具有正四面体构型铺平了道路。 杂化以后的原子轨道更有利于形成共价键时的轨道间重叠, 从而形成能量更低和更稳定 的共价键。 “课件‘σ 键的特点’(复习共价键的方向性)和‘甲烷分子的形成’”,这样,C 原子的 4

个 sp3 杂化轨道分别与 4 个 H 原子的 1s 轨道形成 4 个相同的 σ 键,从而形成正四面体构型 的 CH4 分子。

【交流与讨论】 轨道和 p 轨道参加的杂化, s 其杂化类型除了 sp3 杂化外, 还有 sp2 杂化、 sp 杂化等,杂化轨道的空间分布见课本图 4-4。 分子模型的动画,请思考下列问题: 结合 BF3 和 BeCl2 分子模型的动画,请思考下列问题: ⑴为了满足生成 BF3 和 BeCl2 的要求,B、Be 原子的价电子排布应如何改变?用轨道表 示式表示 B、Be 原子的价电子结构的改变。 ⑵B、Be 原子各用哪几个原子轨道参与杂化?形成了几个什么类型的杂化轨道? ⑶试分析 BF3 和 BeCl2 分子中共价键的成键情况以及分子的空间构型。 【演示动画,教师讲解】 (略) 【教师启发,学生回答】 (略) 【过渡】下面,我们尝试用杂化轨道理论解释两个老朋友乙烯和乙炔的分子构型。通过 之前的学习我们知道: C2H4 为平面型结构,六个原子均处在同一平面上;根据实验测定,乙烯分子的键角都 约为 120 度;每个 C 原子形成 4 个共价键,C-H 间为 σ 键,C-C 间为一个 σ 键和一个 π 键。 C2H2 为直线型结构,四个原子均处在同一直线上;根据实验测定,乙炔分子的键角为 180 度;每个 C 原子形成 4 个共价键,C-H 间为 σ 键,C-C 间为一个 σ 键和两个 π 键。 【科学探究】用杂化轨道理论分析乙烯和乙炔分子的成键情况。 (提示:杂化轨道只用 于形成 σ 键或用来容纳未参与成键的孤对电子) ,分析时注意以下问题: ⑴C 原子的价电子排布应如何改变?请用轨道表示式表示 C 原子的价电子结构的改变。 ⑵C 原子各用哪几个原子轨道参与杂化?形成了几个什么类型的杂化轨道? ⑶试分析 C2H4 和 C2H2 分子中共价键的成键情况,以及分子的空间构型。请注意分析 π 键(两个原子 p 轨道和 p 轨道的重叠)的形成。 【结合动画、学生汇报探究结果、教师启发引导】 (略) 【总结】 ⑴本堂课学习了 sp3 、sp2 、sp 三种主要的原子轨道杂化类型,通过杂化轨道理论很好 的解释了甲烷、BF3、BeCl2 和乙烯等常见分子的空间构型。 ⑵课本第 60 页:分子的结构是可以通过实验手段进行测定,也可以根据相关的理论进 行解释和预测,那么,杂化轨道理论就是这些“相关的理论”之一。应该说,杂化轨道理论, 为我们认识、理解分子的空间构型打开了一扇窗户。



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