2.2.第2课时　杂化轨道理论

第2课时杂化轨道理论课程目标1．了解杂化轨道理论的基本内容。2．能根据杂化轨道理论判断简单分子或离子的空间构型。图说考点eq\x(空间构型判断)—eq\x(杂化轨道理论)——eq\x(杂化方式判断)基础知识[新知预习]杂化轨道理论简介1．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成在形成CH4分子时，碳原子的一个______轨道和三个______轨道发生混杂，形成四个能量相同、方向不同的______杂化轨道。四个______杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子，所以四个C—Hσ键是等同的。可表示为2．杂化轨道的类型与分子立体构型的关系杂化类型spsp2sp3参与杂化的原子轨道及数目ns________________________np________________________杂化轨道数目________________________杂化轨道间的夹角________________________杂化轨道示意图立体构型________________________实例BeCl2、CO2BCl3、BF3CF4、SiCl4[即时性自测]1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同，但能量不同。()(2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。()(3)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其立体构型都是正四面体形。()(4)凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键。()(5)根据中心原子的价层电子对数，一般可以确定其杂化方式以及VSEPR模型。()2．下列分子的键角为109°28′的是()A．CCl4B．NH3C．H2OD．P43．下列分子的立体构型，可以用sp杂化方式解释的是()A．HClB．BeCl2C．BCl3D．CCl44．下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是()A．sp杂化轨道的夹角最大B．sp2杂化轨道的夹角最大C．sp3杂化轨道的夹角最大D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等技能素养提升点杂化轨道理论及其应用[例]完成下表中的空白粒子中心原子价层电子对数中心原子杂化轨道类型VSEPR模型空间结构Neq\o\al(－,3)COSSF2AlF3NHeq\o\al(－,2)SOCl2IOeq\o\al(－,3)eq\x(状元随笔)价层电子对数与杂化轨道数相等[提升](多选)下列各组微粒中，中心原子杂化轨道类型相同的是()A．H2S与OF2B．NCl3与BCl3C．PCl3与H2O2D．COCl2与SOF2[关键能力]杂化轨道理论及其应用1．杂化轨道理论的要点(1)形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。但原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的。(2)原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。(3)一般说来，中心原子有几个轨道参与杂化，就会形成几个能量相同的杂化轨道，就能形成几个共价键，形成对应的分子构型。但如果分子中存在孤对电子，分子构型会发生变化，如H2O、NH3等。(4)sp1杂化和sp2杂化的两种形式中，原子还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只能用于形成σ键，或者用来容纳未参与成键的孤对电子。2．杂化轨道类型(1)sp3杂化：同一个原子中能量相近的一个ns轨道与三个np轨道进行混合重新组四个新的原子轨道，即sp3杂化轨道。如CH4分子中sp3杂化轨道形成示意图：(2)sp2杂化：同一个原子中能量相近的一个ns轨道与两个np轨道进行杂化组合成三个新的sp2杂化轨道。如C2H4分子中sp2杂化轨道形成示意图：(3)sp1杂化：同一个原子中能量相近的一个ns轨道与一个np轨道进行杂化组合成两个新的sp1杂化轨道。如C2H2分子中sp1杂化轨道形成示意图：3.用杂化轨道理论解释典型分子的空间构型(1)NH3分子的空间构型在形成NH3分子时，氮原子的2s和2p原子轨道发生了sp3杂化，形成四个sp3杂化轨道，但NH3分子中只有三个轨道中的未成对电子分别与H原子的1s电子形成σ键，另一个轨道中有一对孤对电子，不能再与H原子形成σ键，但孤对电子对成键电子对有较强的排斥作用，使三个N—H键键角变小(键角为107.3°)，所以氨分子的空间构型为三角锥形。(2)BF3分子的空间构型B原子的电子排布为1s22s22p1，在形成BF3分子时，B原子的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中，使B原子的电子排布变为1s22s12peq\o\al(1,x)2peq\o\al(1,y)。B原子的2s和两个2p轨道发生了sp2杂化，组合成三个sp2杂化轨道，B原子的三个sp2杂化轨道分别与F原子的一个2p轨道重叠形成三个sp2­pσ键。由于三个sp2杂化轨道在同一平面上，而且夹角是120°，所以BF3分子具有平面三角形结构。(3)BeCl2分子的空间构型Be原子的电子排布为1s22s2，在形成BeCl2分子时，Be原子的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中，经过杂化形成两个sp1杂化轨道，与Cl原子中的3p轨道重叠形成两个sp1­pσ键。由于杂化轨道的夹角是180°，所以形成的BeCl2分子的空间构型是直线形。eq\x(状元随笔)s－p杂化轨道和简单分子几何构型的关系形成性自评1.下列关于杂化轨道的说法错误的是()A.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化B.轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等C.杂化轨道能量集中，有利于牢固成键D.CH4分子中两个sp3杂化轨道的夹角为109°28′2.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是()A.C2H2与C2H4B．CO2与SO2C.CH4与NH3D．BeCl2与BF33.下列对乙烯分子中化学键的分析正确的是()A.sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键B.sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键C.C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键D.C、C之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、H之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键4.在BrCH=CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是()A.sp－pB．sp2－sC.sp2－pD．sp3－p5.下列说法正确的是()A.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其几何构型都是四面体形B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合而形成的C.乙炔分子中，两个碳原子均采用sp2杂化D.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的1个s轨道和3个p轨道混合起来形成的一组能量相等的新轨道6.下列分子或离子中，其中心原子的杂化方式和分子或离子的空间构型均正确的是()A.C2H2：sp2、直线形B．SOeq\o\al(2－,4)：sp3、三角锥形C.H3O＋：sp3、V形D．BF3：sp2、平面三角形7.在SO2分子中，分子的立体构型为V形，S原子采用sp2杂化，那么SO2的键角()A.等于120°B．大于120°C.小于120°D．等于180°8.利用杂化轨道理论填写下表。分子或离子中心原子杂化类型立体构型COeq\o\al(2－,3)SiF4BHeq\o\al(－,4)CHeq\o\al(＋,3)AsBr3H2F＋BeF2SCl2eq\x(温馨提示：请完成课时作业7)第2课时杂化轨道理论基础知识新知预习一、1.2s2psp3sp32．111123234180°120°109°28′直线形平面三角形正四面体形即时性自测1．(1)√(2)√(3)×(4)×(5)√2．解析：A、B、C三项中心原子均以sp3杂化，但B、C两项中含有孤电子对(NH3：1对；H2O：2对)，故A项键角为109°28′。D项无杂化轨道，P—P键之间的键角为60°。答案：A3．解析：HCl为双原子分子，双原子分子中不存在杂化过程；CCl4分子的立体构型呈正四面体形，碳原子以4个sp3杂化轨道分别与4个氯原子的各1个3p轨道重叠形成4个σ键；BeCl2是直线形分子，铍原子以2个sp杂化轨道分别与2个氯原子的各1个3p轨道重叠形成2个σ键；BCl3为平面三角形结构，硼原子以3个sp2杂化轨道分别与3个氯原子的各1个3p轨道重叠形成3个σ键。答案：B4．解析：sp杂化轨道的夹角为180°，sp2杂化轨道的夹角为120°，sp3杂化轨道的夹角为109°28′。答案：A技能素养例答案：粒子中心原子价层电子对数中心原子杂化轨道类型VSEPR模型空间构型Neq\o\al(－,3)2sp直线形直线形COS2sp直线形直线形SF24sp3四面体V形AlF33sp2平面三角形平面三角形NHeq\o\al(－,2)4sp3四面体V形SOCl23sp2平面三角形平面三角形IOeq\o\al(－,3)4sp3四面体三角锥形提升解析：H2S与OF2中中心原子价层电子对数均为4，发生sp3杂化，A正确；NCl3与BCl3分子中中心原子杂化方式分别为sp3、sp2杂化，B错误；PCl3与H2O2中中心原子杂化方式均为sp3杂化，C正确；COCl2与SOF2的中心原子杂化方式分别为sp2、sp3杂化，D错误。答案：AC形成性自评1．解析：参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s轨道与2s、2p轨道能量相差太大，不能形成杂化轨道，即同一原子中只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A正确；轨道数目杂化前后一定相等，故B错误；杂化轨道的电子云一头大一头小，成键时利用大的一头，可使电子云重叠程度更大，形成牢固的化学键，故C正确；CH4分子中每两个sp3杂化轨道的夹角都为109°28′，故D正确。答案：B2．解析：C2H2分子中的C采用sp1杂化，C2H4分子中的C采用sp2杂化，故A不正确；CO2分子中的C采用sp1杂化，SO2分子中的S采用sp2杂化，故B不正确；CH4分子中的C采用sp3杂化，NH3分子中的N也采用sp3杂化，故C正确；BeCl2分子中的Be采用sp1杂化，BF3分子中的B采用sp2杂化，故D不正确。答案：C3．解析：乙烯分子中存在4个C—H键和1个C=C键，C原子上无孤电子对，σ键电子对数为3，则C原子采取sp2杂化，C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间有一个是sp2杂化轨道形成的σ键，另一个是未参加杂化的2p轨道形成的π键。答案：A4．解析：BrCH=CHBr分子中的两个碳原子都是采取sp2杂化，溴原子的价电子排布式为4s24p5,4p轨道上有一个单电子，与碳原子的一个sp2杂化轨道成键，故C—Br键采用的成键轨道是sp2－p，C项正确。答案：C5．解析：中心原子采取sp3杂化的分子，VSEPR模型是四面体形，但其立体构型不一定是四面体形，如水和氨气分子中的中心原子均采取sp3杂化，但H2O是V形分子，NH3是三角锥形分子，A项错误；甲烷分子中碳原子形成4个σ键且不含孤电子对，碳原子采取sp3杂化，这4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C—Hσ键，B项错误；乙炔分子中每个C原子形成2个σ键和2个π键，价层电子对数是2，且不含孤电子对，故C原子均为sp杂化，C项错误；同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化可形成一组能量相等的新轨道，D项正确。答案：D6．解析：乙炔的结构式为H—C≡C—H，每个碳原子的价层电子对数是2，且不含孤电子对，所以C原子均采取sp杂化，C2H2为直线形结构，A项错误；SOeq\o\al(2－,4)的中心原子的价层电子对数＝4＋eq\f(1,2)×(6＋2－4×2)＝4，所含孤电子对数为0，杂化轨道数为4，S原子采取sp3杂化，分子的空间构型为正四面体形，B项错误；H3O＋的中心原子的价层电子对数＝3＋eq\f(1,2)×(6－1－3×1)＝4，所以中心原子采取sp3杂化，因该离子中含有一对孤电子对，所以其空间构型为三角锥形，C项错误；BF3的中心原子的价层电子对数＝3＋0＝3，杂化轨道数为3，所以B原子采取sp2杂化，所含孤电子对数为0，所以其空间构型为平面三角形，D项正确。答案：D7．解析：SO2分子的VSEPR模型为平面三角形，从理论上看其键角应为120°，但由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对，对其他的两个化学键存在排斥作用，因此SO2分子中的键角应小于120°。答案：C8．答案：分子或离子中心原子杂化类型立体构型COeq\o\al(2－,3)sp2杂化平面三角形SiF4sp3杂化正四面体BHeq\o\al(－,4)sp3杂化正四面体CHeq\o\al(＋,3)sp2杂化平面三角形AsBr3sp3杂化三角锥形H2F＋sp3杂化V形BeF2sp杂化直线形SCl2sp3杂化V形阶段重点突破练一、选择题：每小题只有一个选项符合题意。1．下列有关杂化轨道的说法不正确的是()A．杂化轨道全部参加形成化学键B．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°C．四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释D．杂化前后的轨道数不变，但轨道的形状发生了改变答案A解析杂化轨道可以部分参加形成化学键，例如NH3中N发生了sp3杂化，形成了4个sp3杂化轨道，但是只有3个参与形成化学键，故A错误；sp3、sp2、sp杂化轨道其空间结构分别是正四面体形、平面三角形、直线形，所以其夹角分别为109°28′、120°、180°，故B正确；四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释，如甲烷、氨气分子、水分子等分子的中心原子均属于sp3杂化，故C正确；杂化前后的轨道数不变，杂化后，各个轨道尽可能分散、对称分布，导致轨道的形状发生了改变，故D正确。2．下列关于氨气和甲烷的说法不正确的是()A．两种分子的VSEPR模型相同B．NH3分子中N原子形成四个不等性杂化轨道，CH4分子中C原子形成4个等性杂化轨道C．NH3分子中有一对未成键的孤电子对，而甲烷分子中没有孤电子对，两分子的空间结构不同D．NH3分子可以与H＋结合生成NHeq\o\al(＋,4)，这个过程N原子的杂化类型发生改变答案D解析氨气分子中氮原子杂化轨道数为1＋3＝4，属于sp3杂化；甲烷分子中的碳原子杂化轨道数为0＋4＝4，属于sp3杂化，类型相同，A正确；NH3分子中N原子有孤电子对，所以氮原子杂化轨道数为1＋3＝4，形成四个不等性杂化轨道；甲烷分子中的碳原子无孤电子对，杂化轨道数为0＋4＝4，形成4个等性杂化轨道，B正确；NH3中N原子形成3个σ键，有一对未成键的孤电子对，杂化轨道数为4，采取sp3杂化，孤电子对对成键电子的排斥作用较强，N—H之间的键角小于109°28′，所以氨气分子空间结构是三角锥形；CH4分子中C原子采取sp3杂化，杂化轨道全部用于成键，碳原子连接4个相同的原子，C—H之间的键角相等为109°28′，故CH4为正四面体形，C正确；NH3分子可以与H＋结合生成NHeq\o\al(＋,4)，这个过程N原子的杂化类型并未发生改变，仍是sp3杂化，正确选项D。3．徐光宪在《分子共和国》一书中介绍了许多明星分子，如H2O2、CO2、BF3、CH3COOH等。下列说法正确的是()A．H2O2分子中的O为sp2杂化B．CO2分子中C原子为sp杂化C．BF3分子中的B原子sp3杂化D．CH3COOH分子中C原子均为sp2杂化答案B解析H2O2分子中氧原子形成2个σ键，含有2对孤电子对，采取sp3杂化，故A错误；CO2分子中C原子形成2个σ键，没有孤电子对，采取sp杂化，故B正确；BF3分子中的B原子的最外层电子数3，形成3个σ键，没有孤电子对，采取sp2杂化，故C错误；CH3COOH分子中有2个碳原子，其中甲基上的碳原子形成4个σ键，没有孤对电子，采取sp3杂化，故D错误。4．下列物质中，化学键类型和分子空间构型皆相同的是()A．CO2和SO3 B．CH4和SiH4C．BF3和PH3 D．HCl和NH4Cl答案B解析CO2和SO3都含有共价键，但CO2为直线形分子，SO3为平面三角形，故A错误；CH4和SiH4都含有共价键，且都是正四面体形，故B正确；BF3和PH3都含有共价键，BF3为平面三角形，PH3为三角锥形，故C错误；HCl只含共价键，NH4Cl含有离子键和共价键，故D错误。5．用价层电子对互斥理论判断SO3的空间构型为()A．正四面体形 B．V形C．三角锥形 D．平面三角形答案D解析SO3的中心原子硫原子的价电子数为6，与中心原子结合的原子数为3，氧原子最多能接受的电子数为2，则中心原子的孤电子对数＝eq\f(1,2)×(6－3×2)＝0，故价层电子对数＝σ键电子对数＝3，SO3的空间构型与其价层电子对互斥模型一致，为平面三角形。6．下列描述中正确的是()A．CO2分子的空间结构为V形B．ClOeq\o\al(－,3)的空间结构为平面三角形C．SF6中每个原子均满足最外层8电子稳定结构D．SiF4和SOeq\o\al(2－,3)的中心原子均为sp3杂化答案D解析CO2分子中C原子形成2个σ键，孤电子对数为0，为直线形分子；ClOeq\o\al(－,3)中Cl原子形成3个σ键，孤电子对数为eq\f(7＋1－3×2,2)＝1，为三角锥形离子；SF6中S原子最外层电子数为6×2＝12；SiF4分子中Si原子形成4个σ键，孤电子对数为0，为sp3杂化，SOeq\o\al(2－,3)中S原子形成3个σ键，孤电子对数为eq\f(6＋2－3×2,2)＝1，为sp3杂化，D正确。二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。7．下列中心原子的杂化轨道类型和分子空间结构不正确的是()A．PCl3中P原子sp3杂化，为正四面体形B．BCl3中B原子sp2杂化，为平面三角形C．H2S中S原子为sp杂化，为直线形D．CS2中C原子sp杂化，为直线形答案AC解析PCl3中P原子形成3个σ键，孤电子对数为eq\f(5－3×1,2)＝1，则为sp3杂化，为三角锥形，故A错误；BCl3中B原子形成3个σ键，孤电子对数为eq\f(3－3×1,2)＝0，则为sp2杂化，为平面三角形，故B正确；H2S分子中S原子形成2个σ键，孤电子对数为eq\f(6－2×1,2)＝2，则为sp3杂化，为V形，故C错误；CS2中C原子形成2个σ键，孤电子对数为eq\f(4－2×2,2)＝0，则为sp杂化，为直线形，故D正确。8．下表中各粒子对应的空间结构及杂化方式均正确的是()选项粒子空间结构杂化方式ASO3平面三角形S原子采取sp杂化BSO2V形S原子采取sp3杂化CCOeq\o\al(2－,3)三角锥形C原子采取sp2杂化DC2H2直线形C原子采取sp杂化答案D9．下列中心原子的杂化轨道类型和分子空间结构不正确的是()A．NOeq\o\al(－,2)中N原子sp2杂化，为V形B．NHeq\o\al(＋,4)中N原子sp3杂化，为正四面体形C．NF3中N原子sp2杂化，为平面三角形D．SO2中S原子sp2杂化，为V形答案C解析NF3分子中，N原子形成3个σ键，孤电子对数为eq\f(5－3×1,2)＝1，则为sp3杂化，为三角锥形，C错误。三、非选择题10．指出下列粒子的空间结构(1)OF2________；(2)BeF2________；(3)PF3________；(4)BrOeq\o\al(－,3)________。答案(1)V形(2)直线形(3)三角锥形(4)三角锥形解析(1)OF2中中心原子为O，价层电子对数＝2＋eq\f(6－1×2,2)＝4，成键电子对数为2，孤电子对数为2，孤电子对越多，排斥力越大，所以OF2分子的空间结构为V形。(2)BeF2中中心原子为Be，价层电子对数＝2＋eq\f(2－1×2,2)＝2，成键电子对数为2，孤电子对数为0，由于无孤电子对的排斥，所以BeF2为直线形。(3)PF3中中心原子为P，价层电子对数＝3＋eq\f(5－1×3,2)＝4，成键电子对数为3，孤电子对数为1，由于有一对孤电子对对成键电子对的排斥，所以PF3分子结构为三角锥形。(4)BrOeq\o\al(－,3)中中心原子为Br，价层电子对数＝3＋eq\f(7＋1－2×3,2)＝4，成键电子对数为3，孤电子对数为1，由于孤电子对对成键电子对的排斥，所以BrOeq\o\al(－,3)的空间结构为三角锥形。11．(河北衡水中学高二月考)(1)在BF3分子中，F—B—F的键角是________，硼原子的杂化轨道类型为________，BF3和过量NaF作用可生成NaBF4，BFeq\o\al(－,4)的空间构型为________。(2)肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。NH3分子的空间构型是________；N2H4分子中氮原子轨道的杂化类型是________。(3)H＋可与H2O形成H3O＋，H3O＋中氧原子采用________杂化。H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大，原因为_________________________________________。(4)SOeq\o\al(2－,4)的空间构型是________，其中硫原子的杂化轨道类型是________。答案(1)120°sp2正四面体形(2)三角锥形sp3(3)sp3H2O中氧原子有2对孤电子对，H3O＋中氧原子只有1对孤电子对，排斥力较小(4)正四面体形sp3解析(1)因为BF3的空间构型为平面三角形，所以F—B—F的键角为120°。(4)SOeq\o\al(2－,4)的中心原子S的成键电子对数为4，无孤电子对，为正四面体结构，中心原子采用sp3杂化。12．(1)HOCH2CN的结构简式为，HOCH2CN分子中碳原子轨道的杂化类型分别是______和________。(2)下列一组微粒中键角由大到小顺序排列为________(填字母)。A．CO2B．SiF4C．SCl2D．COeq\o\al(2－,3)E．H3O＋答案(1)sp3sp(2)A>D>B>E>C解析(2)A项，CO2是直线结构，键角为180°；B项，SiF4为正四面体结构，键角为109°28′；C项，SCl2中S采用sp3杂化，为V形结构；D项，COeq\o\al(2－,3)中C采用sp2杂化，为平面三角形结构，键角为120°；E项，H3O＋中O采用sp3杂化，为三角锥形结构，C中2对孤电子对之间的斥力较大，使得C中键角小于E，同理E中键角小于B，因此键角由大到小顺序排列为A>D>B>E>C。13．按要求回答下列问题：(1)根据价层电子对互斥模型，H2S、SO2、SO3的气态分子中，中心原子价层电子对数不同于其他分子的是______。(2)晶体中H2O和SOeq\o\al(2－,4)的中心原子的杂化类型分别为________，试判断H2O和SOeq\o\al(2－,4)的键角大小关系并说明原因：_____________________________________________