高中化学苏教版（2021） 选择性必修2 专题4 第一单元 第1课时　杂化轨道理论与分子空间结构（67张PPT）

(共67张PPT)
第1课时
杂化轨道理论与分子空间结构
核心素养发展目标
1.了解杂化轨道理论，能从微观角度理解中心原子的杂化轨道类型
对分子空间结构的影响。
2.通过对杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型的判断
方法，建立分子空间结构分析的思维模型。
随堂演练
知识落实
课时
对点练
内容索引
一、杂化轨道及其理论要点
二、用杂化轨道理论解释分子的形成及分子中的成键情况
一、杂化轨道及其理论要点
1.试解释CH4分子为什么具有正四面体的空间结构？
(1)杂化轨道的形成
碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道， 个2s轨道和 个2p轨道“混合”起来，形成 相等、成分相同的4个 ，可表示为
1
3
能量
sp3杂化轨道
(2)共价键的形成
碳原子的4个 分别与4个H原子的 轨道重叠形成4个相同的
键。
sp3杂化轨道
1s
σ
(3)CH4分子的空间结构
甲烷分子中的4个C—H键是等同的，C—H键之间的夹角——键角都是
，形成正四面体型分子。
109°28′
2.轨道杂化与杂化轨道
(1)轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部能量 的原子轨道重新组合形成一组新轨道的过程叫做原子轨道的杂化。
(2)杂化轨道：重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
(3)轨道杂化的过程： → → 。
相近
激发
激发
轨道重叠
3.杂化轨道的类型
杂化类型 sp sp2 sp3
参与杂化的原 子轨道及数目 ns 1 1 1
np ___ ___ ___
杂化轨道数目 ___ ___ ___
1
2
3
2
3
4
深度思考
1.正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)发生轨道杂化的原子一定是中心原子(　　)
(2)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(　　)
(3)只有能量相近的轨道才能杂化(　　)
√
√
√
2.常见的杂化轨道类型有哪些？什么是sp3杂化？
提示　常见的杂化轨道类型有sp、sp2、sp3。同一原子内由1个ns轨道和3个np轨道参与的杂化称为sp3杂化。
应用体验
1.下列关于杂化轨道的说法错误的是
A.所有原子轨道都参与杂化形成杂化轨道
B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化
C.杂化轨道能量集中，有利于牢固成键
D.杂化轨道中不一定有一个电子
√
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，即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A项错误、B项正确；
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项正确；
并不是所有的杂化轨道中都会有电子，也可以是空轨道，也可以有一对孤电子对(如NH3)，故D项正确。
2.下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是
A.由同一电子层上的s轨道与p轨道杂化而成
B.共有3个能量相同的杂化轨道
C.每个sp2杂化轨道中s轨道成分占三分之一
D.sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
√
解析　同一电子层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大，相互杂化的轨道的能量差异也不能过大，A项正确；
同种类型的杂化轨道能量相同，B项正确；
sp2杂化轨道是由一个s轨道与2个p轨道杂化而成的，C项正确；
sp2杂化轨道最多可形成3个σ键，D项错误。
归纳总结
杂化轨道理论的要点
(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是中心原子。
(2)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。
(3)只有能量相近的轨道才能杂化(如2s、2p)。
(4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。
(5)杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理，使轨道在空间取得最大夹角分布。故杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变，但杂化轨道的形状完全相同。
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二、用杂化轨道理论解释分子的形成及分子中的成键情况
1.用杂化轨道理论解释BeCl2、BF3分子的形成
(1)BeCl2分子的形成
杂化后的2个sp杂化轨道分别与氯原子的3p轨道发生重叠，形成2个σ键，构成直线形的BeCl2分子。
(2)BF3分子的形成
2.用杂化轨道理论解释乙烯、乙炔分子中的成键情况
(1)乙烯分子中的成键情况
在乙烯分子中，C原子采取 杂化，形成3个杂化轨道，两个碳原子各以1个杂化轨道互相重叠，形成1个C—C σ键，每个C原子的另外两个杂化轨道分别与2个氢原子的1s轨道重叠，形成2个C—H σ键，这样形成的5个键在同一平面上，此外每个C原子还剩下1个未杂化的2p轨道，它们发生重叠，形成1个 键。其结构示意图如下：
sp2
π
(2)乙炔分子中的成键情况
在乙炔分子中，碳原子采取 杂化，形成2个杂化轨道，两个碳原子各以1个杂化轨道互相重叠，形成1个C—C σ键，每一个碳原子又各以1个杂化轨道分别与1个氢原子形成C—H σ键，这样形成的3个键在同一直线上，此外每个碳原子还有2个未杂化的2p轨道，它们发生重叠，形成2个
键。其结构示意图如下：
sp
π
归纳总结
杂化轨道的类型与分子空间结构的关系
杂化类型 sp sp2 sp3
杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28′
空间结构 直线形 平面三角形 正四面体型
实例 BeCl2、CO2、CS2等 BCl3、BF3、BBr3等 CF4、SiCl4、SiH4等
特别提醒　杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键。
(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)杂化轨道的键角与分子内的键角不一定相同(　　)
(3)只要分子的空间结构为平面三角形，中心原子均为sp2杂化(　　)
(4)杂化方式相同的分子，空间结构一定相同(　　)
正误判断
√
√
√
×
应用体验
1.有关杂化轨道的说法不正确的是
A.杂化前后的轨道数不变，但轨道的形状发生了改变
B.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
C.杂化轨道既可形成σ键，又可形成π键
D.已知CO2为直线形分子，其分子结构可以用sp杂化轨道解释
√
解析　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，A正确；
sp3、sp2、sp杂化轨道其空间结构分别是正四面体型、平面三角形、直线形，所以其夹角分别为109°28′、120°、180°，B正确；
杂化轨道只能形成σ键，C错误；
直线形分子的键角为180°，中心原子的杂化方式是sp，D正确。
A.sp、sp2、sp3 B.sp3、sp2、sp
C.sp2、sp、sp3 D.sp3、sp、sp2
√
3.在 中，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是
A.sp2、sp2 B.sp3、sp3
C.sp2、sp3 D.sp、sp3
√
解析　杂化轨道数＝中心原子上的孤电子对数＋中心原子的σ键个数。中间的碳原子上的孤电子对数为0，σ键个数为3，则杂化方式是sp2杂化；两边的碳原子上的孤电子对数为0，σ键个数为4，则杂化方式是sp3。
方法规律——中心原子杂化类型的判断方法
(1)根据杂化轨道之间的夹角判断：若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化；若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。
(2)有机物中碳原子杂化类型的判断：饱和碳原子采取sp3杂化，连接双键的碳原子采取sp2杂化，连接三键的碳原子采取sp杂化。
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随堂演练　知识落实
1.鲍林是两位获得诺贝尔奖不同奖项的人之一，杂化轨道是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。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
√
解析　sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°，故A项正确。
1
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4
5
2.下列有关sp杂化轨道的叙述正确的是
A.是由一个1s轨道和一个2p轨道线性组合而成
B.sp杂化轨道中的两个杂化轨道完全相同
C.sp杂化轨道可与其他原子轨道形成σ键和π键
D.sp杂化轨道有两个，一个能量高，另一个能量低
√
1
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3
4
5
解析　sp杂化轨道是同一原子内同一电子层，能量相近的轨道发生的杂化，A项错误；
不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新的轨道，所形成两个能量等同的sp杂化轨道，B项正确、D项错误；
杂化轨道用于形成σ键，未杂化的轨道形成π键，不是杂化轨道形成π键，C项错误。
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3.乙烯分子中含有4个C—H键和1个C==C键，6个原子在同一平面上。下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是
①每个C原子的2s轨道与2p轨道杂化，形成两个sp杂化轨道　②每个C原子的2s轨道与2个2p轨道杂化，形成3个sp2杂化轨道　③每个C原子的2s轨道与3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道　④每个C原子的3个外围电子占据3个杂化轨道，1个外围电子占据1个2p轨道
A.①③ B.②④ C.①④ D.②③
√
解析　乙烯分子中键角为120°，为sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，1个外围电子占据1个2p轨道，2个C原子成键时形成1个π键，②④正确。
1
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4.在乙炔分子中有3个σ键、2个π键，它们分别是
A.sp杂化轨道形成σ键、未杂化的2个2p轨道形成2个π键，且互相垂直
B.sp杂化轨道形成σ键、未杂化的2个2p轨道形成2个π键，且互相平行
C.C—H键之间是sp杂化轨道形成的σ键，C—C键之间是未参加杂化的2p
轨道形成的π键
D.C—C键之间是sp杂化轨道形成的σ键，C—H键之间是未参加杂化的2p
轨道形成的π键
√
1
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解析　碳原子形成乙炔时，一个2s轨道和一个2p轨道杂化成两个sp轨道，另外的两个2p轨道保持不变，其中一个sp轨道与氢原子的1s轨道“头碰头”重叠形成C—Hσ键，另一个sp轨道则与另一个碳原子的sp轨道“头碰头”重叠形成C—C σ键，碳原子剩下的两个2p轨道则“肩并肩”重叠形成两个C—C π键，且这两个π键互相垂直。
1
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5
5.石墨烯(图甲)是一种由单层碳原子构成的平面结构新型材料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面结构会发生改变，转化为氧化石墨烯(图乙)。
(1)图甲中，1号C与相邻C形成σ键的个数为___。
3
解析　图甲中，1号C与相邻的3个C形成1个碳碳双键和2个碳碳单键，即形成3个σ键和1个π键。
1
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3
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(2)图乙中，1号C的杂化方式是____，该C与相邻C形成的键角___(填“＞”“＜”或“＝”)图甲中1号C 与相邻C形成的键角。
sp3
＜
解析　图乙中，1号C除与3个C形成化学键外，还与羟基氧原子形成化学键，故该C原子采取sp3杂化。
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课 时 对 点 练
基础对点练
题组一　原子轨道杂化与杂化轨道
1.下列说法错误的是
A.第ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道
B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和1个C原子的2p轨道
混合起来而形成的
C.孤电子对有可能参加杂化
D.s轨道和p轨道杂化不可能有sp4出现
√
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解析　第ⅠA族元素的外围电子排布式为ns1，由于只有1个ns电子，因此不可能形成杂化轨道；H2O分子中的氧原子采取sp3杂化，其sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的，所以孤电子对有可能参加杂化；由于np能级只有3个原子轨道，所以s轨道和p轨道杂化只有sp3、sp2、sp 3种，不可能出现sp4杂化。
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2.氨气分子空间结构是三角锥型，而甲烷是正四面体型，这是因为
A.两种分子的中心原子杂化轨道类型不同，NH3为sp2杂化，而CH4是sp3
杂化
B.NH3分子中N原子形成三个杂化轨道，CH4分子中C原子形成4个杂化
轨道
C.NH3分子中有一对未成键的孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强
D.氨气的相对分子质量大于甲烷
√
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解析　本题考查分子空间结构的判断。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对的排斥作用较强，N—H键之间的键角小于109°28′，所以氨气分子空间结构是三角锥型；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键之间的键角相等为109°28′，故CH4的空间结构为正四面体型，故A、B、D错误，C正确。
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3.下列有关杂化轨道的说法不正确的是
A.原子中能量相近的某些轨道，在成键时，能重新组合成能量相等的新
轨道
B.轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等
C.杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、能量最低原理
D.CH4分子中任意两个C—H键的夹角均为109°28′
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解析　原子轨道形成杂化轨道前后，轨道数目不变化，用于形成杂化轨道的原子轨道的能量相近，并满足最大重叠程度，故选B。
题组二　杂化类型的判断
4.BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成 ，则BF3和 中B原子的杂化轨道类型分别是
A.sp2、sp2 B.sp3、sp3
C.sp2、sp3 D.sp、sp2
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5.甲烷中的碳原子是sp3杂化，下列用*表示的碳原子的杂化和甲烷中的碳原子杂化类型一致的是
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解析　D项中用*表示的碳原子形成了四个σ键，与甲烷类似，其为sp3杂化。
6.下列分子或离子中，不存在sp3杂化的是
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B项，NH3中N原子采取sp3杂化，错误；
C项，C2H6中C原子采取sp3杂化，错误；
D项，SO2中S原子采取sp2杂化，正确。
C.甲醛[ ] D.丙炔[ ]
7.下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是
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A.乙醛[ ] B.丙烯腈[ ]
√
解析　乙醛中甲基的碳原子采取sp3杂化，醛基中碳原子采取sp2杂化；丙烯腈中碳碳双键的两个碳原子采取sp2杂化，另一个碳原子采取sp杂化；甲醛中碳原子采取sp2杂化；丙炔中甲基碳原子采取sp3杂化，碳碳三键中两个碳原子采取sp杂化。
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8.下列分子中的中心原子为sp杂化，分子的空间结构为直线形，且分子中没有形成π键的是
A.CH≡CH B.CO2 C.BeCl2 D.BBr3
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解析　CH≡CH和CO2中的C原子均采取sp杂化，且都含有π键；
BeCl2分子中Be采取sp杂化，没形成π键；
BBr3中B原子采取sp2杂化，且没有π键。
题组三　杂化轨道理论的应用
9.形成下列分子时，中心原子采用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是
①PF3　②CF4　③NH3　④H2O
A.①② B.②③ C.③④ D.①④
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解析　PF3、CF4、NH3、H2O分子中P原子、C原子、N原子、O原子都采取sp3杂化，NH3和H2O分子中H原子以1s轨道与N和O原子形成σ键，PF3和CF4分子中F原子以2p轨道分别与P和C原子形成σ键。
10.(2020·兰州高二月考)sp3杂化形成的AB4型分子的空间结构是
A.平面四边形 B.正四面体型
C.三角锥型 D.平面三角形
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11.氮的最高价氧化物为无色晶体，它由 和 构成，已知其阴离子结构为平面三角形，阳离子中氮的杂化方式为sp，则其阳离子的结构和阴离子中氮的杂化方式为
A.直线形　sp2 B.V形　sp
C.平面三角形　sp2 D.平面三角形　sp3
√
综合强化练
解析　 结构为平面三角形，其中氮原子的杂化方式为sp2；
中氮的杂化方式为sp，结构为直线形。
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12.化合物A是一种新型锅炉水除氧剂，其结构式如图所示：
，下列说法正确的是
A.碳、氮原子的杂化类型相同
B.氮原子与碳原子分别为sp3杂化与sp2杂化
C.1 mol A分子中所含σ键的数目为10NA
D.编号为a的氮原子和与其成键的另外三个原子在同一平面内
√
解析　A分子中碳、氮原子各形成了3个σ键，氮原子有一对孤电子对而碳原子没有，故氮原子是sp3杂化而碳原子是sp2杂化，A项错误、B项正确；
A分子中有一个碳氧双键，故有12对共用电子对、11个σ键，C项错误；
氮原子为sp3杂化，相应的四个原子形成的是三角锥型结构，不可能共平面，D项错误。
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13.白磷是一种能自燃的单质，其分子的结构模型如图所示： ，下列叙述错误的是
A.每个磷原子形成3个σ键，磷原子为sp2杂化
B.磷原子均为sp3杂化
C.1 mol白磷中共含6 mol非极性键
D.白磷分子的空间结构为正四面体型
√
解析　由白磷分子的结构模型图可知，每个磷原子均形成了3个σ键，且每个磷原子还有一对孤电子对，故磷原子为sp3杂化，A项错误、B项正确；
由图可知C、D项正确。
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14.如图是甲醛分子的结构模型，根据该图和所学化学知识回答下列问题：
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(1)甲醛分子中碳原子的杂化方式是____，作出该判断的主要理由是____
__________________________。
sp2
甲醛
分子的空间结构为平面三角形
解析　原子的杂化轨道类型不同，分子的空间结构也不同。由图可知，甲醛分子为平面三角形，所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。
(2)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断，其中正确的是______(填序号)。
①单键　②双键　③σ键　④π键　⑤σ键和π键
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②⑤
解析　醛类分子中都含有C==O键，所以甲醛分子中的碳氧键是双键。一般来说，双键是σ键和π键的组合。
(3)甲醛分子中C—H键与C—H键之间的夹角___(填“＝”“>”或“<”)
120°，出现该现象的主要原因是_________________________________
_____________。
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解析　由于碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强，所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°。
<
碳氧双键中存在π键，它对C—H键的
排斥作用较强
15.2001年是伟大的化学家、1954年诺贝尔化学奖得主、著名的化学结构大师、20世纪的科学怪杰鲍林(L.C.Pauling)教授的诞辰100周年。1994年这位老人谢世后，人们打开他的办公室，发现里面有一块黑板，画得满满的，其中一个结构式如图所示。老人为什么画这个结构式？它能合成吗？
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它有什么性质？不得而知。这是鲍林留给世人的一个谜，也许这是永远无法解开的谜，也许有朝一日你就能解开它。不管结果如何，让我们先对这个结构作一番了解。
(1)它的分子式是____________。
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C6H2O2N10
解析　根据有机物分子结构简式的书写规则，不难确定，每个环上除3个氮原子外还有3个碳原子，由此可以确定其分子式。
(2)它是否带有电荷？____(填“是”或“否”)。
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否
解析　由电子数可以确定，该分子不带电荷。
(3)该分子中为sp杂化的氮原子有___个；sp2杂化的氮原子有___个；sp3杂化的氮原子有___个。
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解析　根据氮原子的成键特征和结构可以确定，采取sp2杂化方式的氮原子数为9个，采取sp杂化方式的氮原子数为1个，无sp3杂化方式。
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(4)为什么人们推测它是炸药？_______________________________。
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它分解能产生大量很稳定的气体N2
16.“三鹿奶粉事件”在社会上引起了人们对食品质量的恐慌，三鹿奶粉中掺杂了被称为“蛋白精”的工业原料三聚氰胺。已知三聚氰胺的结构简式如图所示。三聚氰胺是氰胺(H2N—C≡N)的三聚体，请回答下列问题：
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(1)写出基态碳原子的电子排布式：________。
1s22s22p2
(2)氰胺中—C≡N中的氮原子、三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子，这三种氮原子的杂化轨道类型分别是____、____、____。
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解析　氰胺中—C≡N中的N原子、三聚氰胺环上的N原子、—NH2中的N原子分别形成1、2、3个σ键且均有一对未成键电子对，所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。
sp
sp2
sp3
(3)一个三聚氰胺分子中有____个σ键。
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解析　除每个双键上有1个π键外，其余均为σ键，共15个。
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(4)三聚氰胺与三聚氰酸( )分子相互之间通过氢键结合，在肾
脏内易形成结石。三聚氰酸分子中C原子采取____杂化。该分子的结构简式中，每个碳氧原子之间的共价键是___(填字母)。
A.2个σ键 B.2个π键 C.1个σ键、1个π键
sp2
C
解析　由于该分子中C与O形成双键，则应采取sp2方式成键，sp2杂化的C原子与氧原子间有1个σ键、1个π键。
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