师：同学们，今天我们一起来学习高二人教版化学选择性必修二第二章第二节分子的空间结构第三课时。本节课的学习目标如下：一、结合实例了解杂化轨道理论的要点和杂化轨道的类型；二、能将价层电子对数和杂化轨道类型相联系，并正确判断杂化轨道类型；三、能运用杂化轨道理论解释简单分子的空间结构，发展证据推理与模型认知能力。
我们先来回忆一下甲烷的结构特点。如图所示，甲烷是正四面体型的空间结构。根据实验测得，甲烷的四个碳氢键键长相同，且键角均为109度28分。那么，如何解释甲烷分子的空间结构是正四面体型呢？同学们可以暂停思考一下。
我们知道，甲烷分子的四个碳氢单键都应该是σ键。形成甲烷分子的碳原子价层电子排布为2S2、2P2，四个价层原子轨道是由三个相互垂直的2P轨道和一个球形的2S轨道组成的。氢原子的价层电子排布为1S1，它的价层原子轨道是球形的1s轨道。如果直接将碳原子的四个价层原子轨道与4个氢原子的1S原子轨道重叠，所形成的四个碳氢键分别为三个相互垂直的SP σ键和一个SS σ键，得到的空间结构就不可能是正四面体型，这与我们实际测得的甲烷分子结构为正四面体型相矛盾。
为了解决这一矛盾，美国化学家鲍林提出了杂化轨道理论。他认为，在甲烷分子的形成过程中，碳原子中原来能量相近的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，保持轨道总数不变，却得到4个新的能量相同但方向不同的原子轨道。由于这4个轨道是由一个s轨道和3个p轨道杂化形成，又称为SP3杂化轨道。
如图所示，这四个SP3杂化轨道各指向正四面体的四个顶角，夹角为109度28分。现在我们就可以正确地解释甲烷分子是如何形成正四面体结构了。在甲烷分子的形成过程中，碳原子的2S轨道中的一个电子会通过激发跃迁到2P的空轨道中，形成4个未成对电子。这四个未成对电子分别占据了能量相近的2P轨道和2S轨道。此时2P轨道和2S轨道会发生杂化，重新组合成新的四个能量相同但方向不同的SP3杂化轨道。这四个SP3杂化轨道各指向正四面体的四个顶角，夹角为109度28分。在碳原子和四个氢原子结合时，碳原子的4个SP3杂化轨道分别与四个氢原子的1s轨道重叠，形成了4个碳氢σ键。这样所形成的四个碳氢共价键是等同的，且键角为109度28分，因此甲烷分子具有正四面体型结构。
结合以上内容，对杂化轨道理论总结如下：在形成分子时，原子内部能量相近的原子轨道重新组合，形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。组合后形成的一组新的原子轨道叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。以甲烷分子中心原子碳原子形成SP3杂化轨道为例，能量相近的s轨道和p轨道杂化后形成新的杂化轨道。新的杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的空间取向，而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更牢固。
进一步对杂化轨道理论进行归纳，可得到以下理论要点：第一，要有成键的外界条件，中心原子才会发生杂化，没有外界条件的影响时，一般很难发生杂化。第二，要能量相近的原子轨道才能发生杂化。例如2S和2P轨道之间，或者3S和3P轨道之间可以发生杂化，但是2S和3d轨道之间就很难发生杂化。第三，杂化之后轨道数目不变。例如一个s轨道和3个p轨道发生杂化，会得到4个SP3杂化轨道，杂化之后的轨道数目仍然等于原来参与杂化的原子轨道数。第四，杂化之后会改变原有的参与杂化的原子轨道的形状和方向，形成新的轨道形状和方向。第五，杂化会使原子的成键能力增强，因为新的杂化轨道满足最小排斥、最大夹角分布，可以有利于轨道间的重叠。
除了我们刚刚学习的SP3杂化之外，杂化轨道还有哪些类型呢？请同学们仔细观察下图，尝试说出除SP3杂化之外的其他杂化类型，并解释这些杂化是如何发生的。
如图所示，一个s轨道和一个p轨道可以发生SP杂化，形成两个夹角为180度的SP杂化轨道，为直线型杂化轨道。剩余不发生杂化的两个p轨道保持不变。一个s轨道和两个p轨道可以发生SP2杂化，形成三个夹角为120度的SP2杂化轨道，为平面三角形杂化轨道。剩余的一个p轨道不发生杂化，因此保持不变。这两种杂化形式中均存在未参与杂化的p轨道，可以用于形成π键。
在学习价层电子对互斥模型时，我们知道氨分子、水分子和甲烷分子一样，价层电子对数为4，VESPR模型也是四面体型。因此在它们的分子形成过程中，中心原子也是采取SP3杂化。三者的中心原子杂化轨道成键时有何区别呢？我们一起来分析一下。
氨分子中氮原子的杂化过程和成键过程分析如下：氮原子的价层电子排布为2S22P3。在氨分子的形成过程中，由于2S轨道和2P轨道中均已存在电子，所以无需先进行电子跃迁，而是直接发生杂化，形成4个SP3杂化轨道呈四面体型。其中3个杂化轨道分别和氢原子的1s轨道进行重叠，形成3个氮氢σ键，剩余一个杂化轨道被一对孤电子对占据。
同理，水分子中的中心原子氧原子成键时发生SP3杂化，其中两个杂化轨道分别和氢原子的1S轨道进行重叠，形成两个氧氢σ键，剩余两个杂化轨道被两对孤电子对占据。
由此可知，杂化轨道可用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。
那我们如何确定中心原子的杂化轨道类型呢？在前面我们知道不同的杂化类型对应的杂化轨道数不同。杂化轨道一般用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。所以我们可以得到杂化轨道数等于中心原子孤电子对数加上中心原子σ键电子对数，也就等于价层电子对数。因此我们可以通过中心原子的价层电子对数来确定它的杂化轨道类型。
小结如下：当价层电子对数为4时，杂化轨道数也为4，杂化轨道类型即为SP3杂化；当价电子对数为3时，杂化轨道数也为3，杂化轨道类型为SP2杂化；当价电子对数为2时，杂化轨道数也为2，杂化轨道类型为SP杂化。也就是说，当我们遇到陌生的分子和离子时，我们可以先计算中心原子的价层电子对数，根据杂化轨道数等于价层电子对数，最后就可以很好地确定中心原子的杂化轨道类型了。