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1、浅谈浅谈杂化轨道理论杂化轨道理论的教学的教学人教版普通高中课程标准实验教科书化学选修 3物质的结构与性质一书中,分子立体结构章节引入了杂化轨道理论,由于是理论简介,本节给出的内容甚少,学生学起来非常茫然,对教师的教学带来相当的难度,对于中学生来说尽管要求可能很低,但对于教者如何就这些内容和有限的课时使学生能比较清晰地了解甚至于基本掌握这部分内容?笔者结合自己的课堂教学实践和学生们可能存在的疑问,对杂化轨道理论教学中需要对学生们解释的问题作一浅析,权当教后感,以求同仁指正!1.杂化轨道理论提出的重大意义科学家在研究分子或离子的立体结构时发现若组成均为 ABn 或 BnA 型(n=1、2、3、4)
2、分子或离子它们的空间构型不尽相同,若有相似结构其键角等参数又有差别,为了科学合理地解释分子空间结构这一现象。美国科学家,两次诺贝尔奖获得者鲍林天才地提出了杂化轨道理论。杂化轨道理论为人们研究分子结构提供了极大的便利,推动了分子空间立体结构研究的进展,奠定了分子结构研究的理论基础。2.何谓杂化轨道“杂化”一词就是有机混杂进而重新组合。杂化轨道就是某分子的中心原子的价电子层所处的原子轨道进行混杂,混杂过程中各自失去原有的原子轨道形状,保持参与原子轨道的总数不变,重新得到的新轨道形状完全相同。例如甲烷分子其中心原子为 C,C 的价电子层各处的原子轨道分别为 1 个球形 2s 轨道和 3 个两两相互垂
3、直的纺锤形 2p 轨道,它们混杂后重新得到 4 个形状完全相同的 sp3 杂化轨道,构成正四面体的空间结构,这样每个 sp3 杂化轨道各自和每个 H 的 s 球形轨道通过电子云重叠就构成了甲烷的分子空间结构。3.杂化轨道的类型有哪些?发生这类杂化后新的轨道构型和整个分子的空间结构又怎样?就基本的杂化轨道理论而言,中学阶段涉及到的有三种杂化方式,即 sp3、sp2 和 sp 杂化,我们可用简单的图式来表示如下:S 轨道和 p 轨道的三种杂化类型 sp3、sp2和 spsp3 杂化为 1 个 ns 球状轨道和 3 个两两相互垂直的 np 纺锤状轨道进行杂化,得到 4 个完全相同的 sp3杂化轨道,
4、则空间构型为正四面体。sp2 杂化为 1 个 ns 球状轨道和 2 个两两相互垂直的 np 纺锤状轨道进行杂化,得到 3 个完全相同的 sp2杂化轨道,则空间构型为平面正三角形,尚有一个未参与杂化的 p 轨道垂直嵌在这个平面正三角形之中心。同理 sp 杂化后得到 2 个新的 sp 杂化轨道,其构型为直线型,尚有 2 个未参与杂化的 p 轨道则两两相互垂直嵌于这个直线构型中心。值得注意的是:杂化轨道在构建分子时只能形成 键,而未参与杂化的 p 轨道只能形成 键。以后我们在学习有机物如乙烯、乙炔和苯中将会了解到什么是 键及其性质。4.若中心原子同样是 sp3 杂化,为什么分子空间结构又相差甚大?均
5、是 sp3 杂化轨道,分子空间结构存在差异,由下列几种情况决定:一是由与中心原子成键的其它原子决定的。例如:像 CH4、CCl4、NH4+等,与中心原子 C或 N 成键的原子时完全相同的,4 个 sp3 杂化轨道与其构成的 键完全一样,分子呈高度对称的正四面体,像这类杂化称之等性杂化。像 CH3Cl、CHCl3 等,这类分子中中心原子与其成键原子构成的 4 个 键,CH、CCl 键的键长不一样,4个 键发生差异,因而分子就不是正四面体,这类杂化为不等性杂化。二是中心原子杂化后得到的 4 个 sp3 杂化轨道分别用于 键的形成和孤对电子占据,例如:NH3 和 H2O显然用于成键的 sp3 杂化轨
6、道和被孤对电子占据的 sp3 杂化轨道完全不一样,这样就形成分子结构差异,又根据价层电子对互斥理论,孤对电子对占据的轨道空间忽略不计,这样就得到 NH3 为三角锥形,H2O 为 V 形,这类杂化同样称为不等性杂化。5.中学化学常见物质中心原子的杂化类型归纳sp3 杂化:等性杂化 AB4 型正四面体 CH4NH+4CCl4SiF4不等性杂化构型各异 CHCl3CH3ClNH3H2OSO2Cl2H2Ssp2 杂化:AB3 型 H2C=CH2HCHOBH3SO2sp 杂化:AB2 型 CHCHBeCl2HCNCO26.如何解释 H2O 和 H2S 的键角差异?H2O 和 H2S 这两种分子,它们的中心原子 O、S的杂化一样,均是 sp3 杂化,sp3 杂化轨道的成键方式也一样,均是 2 个 sp3s 键和 2 对孤对电子对占据的 sp3 杂化轨道,其实键角的差异是由键的极性电荷分布决定的,形如下图根据电荷差异性相斥原理,两键之间必产生斥力(即张角)2 根 HO 键的张角比 HS 的张角大,这样就形成了H2O 键角为,而 H2S 仅为 92,其实这是一个与杂化无关的问题。总之,杂化轨道理论的学习须同价层电子互斥模型联系起来,比较它们的优缺点,异同点,在分子结构空间构型的研究中实行互斥性,中学阶段只是基本了解就行,若我们同学进入高等学校化学专业将会系统学习和研究这方面的内容。
