第2节 共价键与分子的空间结构
基础课时7 分子空间结构的理论分析
学 习 任 务 1.能用杂化轨道理论解释或预测某些分子或离子的空间结构。建立杂化理论模型。 2.理解价电子对互斥理论和等电子原理，能根据有关理论、原理判断简单分子或离子的空间结构。培养宏观辨识与微观探析的核心素养。 3.通过分析常见分子或离子的空间结构，构建利用杂化轨道理论、电子对互斥理论的认知模型。培养证据推理与模型认知的核心素养。
一、杂化轨道理论
1．轨道杂化和杂化轨道
2．甲烷分子的空间结构
(1)甲烷的分子组成和结构
分子式 空间结构 空间填充模型 球棍模型
CH4
(2)甲烷中碳原子的杂化类型
(1)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。 ( )
(2)杂化轨道用于形成π键。 ( )
[答案] (1)√ (2)×
3．苯分子的空间结构
(1)苯的空间结构
(2)苯分子中的大π键：六个碳原子上各有一个未参与杂化的垂直于碳环平面的2p轨道，这六个轨道以“肩并肩”的方式形成含有六个电子、属于六个碳原子的大π键。
硼氮苯，硼与氮形成的类似苯的化合物，分子式为B3N3H6，俗称无机苯，又称环硼氮六烷。无机苯遇水会发生水解反应，水解产物为氨气与硼酸。硼氮苯液体密度0.81 g·cm－3(55 ℃时)，固体密度1.00 g·cm－3 (－55 ℃时)，熔点－58 ℃，沸点55 ℃，液体折射率1.382 1，临界温度为252 ℃。如图是硼氮苯的结构式。
根据硼氮苯的结构式，回答以下几个问题：
(1)已知硼氮苯的结构与苯的结构相似，均是平面正六边形结构，则硼氮苯中N原子和B原子的轨道杂化方式是什么？
提示：由于B原子和N原子均为平面结构，故二者的杂化方式均是sp2杂化。
(2)硼氮苯中，主要有哪几种类型的共价键？
提示：主要有B与H之间sp2 s σ键、N与H之间sp2 s σ键、B和N之间的sp2 sp2 σ键和一个大π键。
4．杂化轨道的类型
杂化类型 sp sp2 sp3
用于杂化的原子轨道及数目 s 1 1 1
p 1 2 3
杂化轨道的数目 2 3 4
杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28′
空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形
实例 CO2、C2H2 BF3、SO3 CH4、CCl4
指出下列原子的杂化轨道类型及分子的空间结构：
(1)CO2中的C采取______杂化，空间结构为________；
(2)SiF4中的Si采取______杂化，空间结构为________；
(3)BCl3中的B采取______杂化，空间结构为________；
(4)PH3中的P采取______杂化，空间结构为________；
(5)NO中的N采取______杂化，空间结构为________。
[答案] (1)sp 直线形 (2)sp3 正四面体形 (3)sp2 平面三角形 (4)sp3 三角锥形 (5)sp2 角形
二、价电子对互斥理论
1．价电子对互斥理论
(1)价电子对互斥理论基本观点：分子中的中心原子的价电子对——成键电子对(bp)和孤电子对(lp)由于相互排斥作用，处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离。
(2)
(3)若中心原子没有孤电子对，为使价电子对之间的斥力最小，使分子的结构尽可能采取对称的结构。
请填写以下表格中的空白：
分子 成键电子对数 孤电子对数
H2O 2 2
NH3 3 1
H2S 2 2
CH4 4 0
2.等电子原理
(1)内容：化学通式相同且价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间结构和相同的化学键类型等结构特征。
(2)应用
①判断一些简单分子或原子团的空间结构。
a．SO、PO等离子具有AX4通式，价电子总数为32，中心原子采取sp3杂化，呈四面体形空间结构。
b．SO、ClO等离子具有AX3通式，价电子总数为26，中心原子采取sp3杂化，由于存在孤电子对，分子呈三角锥形空间结构。
②利用等电子体在性质上的相似性制造新材料。
③利用等电子原理针对某物质找等电子体。
NH3和H3O＋两种微粒是等电子体吗？为什么？若是，微粒的空间结构是什么？
提示：NH3和H3O＋两种微粒的原子和价电子总数都相等，是等电子体，其空间结构相似(三角锥形)。
正确认识杂化轨道理论
有机化合物是自然界中存在最多的一类化合物，了解有机物分子中化学键特征以及成键方式是研究有机物性质的基础。有机化合物的一些空间结构示意图如图。
1．烷烃分子中碳原子杂化方式是否相同？采用的杂化轨道类型有哪些？
提示：由于碳原子的成键方式均是与其他原子形成单键，所以杂化方式相同，均采用sp3杂化成键。
2．甲苯分子中所有碳原子的杂化方式是否相同？采用何种杂化方式？
提示：甲苯分子中碳原子的杂化方式不全相同。其中甲基上的碳原子采用sp3杂化成键，苯环上的所有碳原子均是sp2杂化成键。
3．烯烃的碳碳双键和炔烃的碳碳三键上的碳原子的杂化方式是否相同？若不相同，则各是什么杂化方式(若相同，此问不回答)
提示：不相同。碳碳双键上的碳原子采用的杂化方式是sp2杂化，碳碳三键上碳原子是sp杂化成键。
1．杂化轨道的特点
(1)形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。
(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)杂化前后轨道数目不变。
(4)杂化后轨道伸展方向、形状发生改变。
(5)只有能量相近的轨道才能杂化(ns、np)。
2．分子空间结构的确定
杂化轨道类型 杂化理论模型 成键电子对数 孤电子对数 电子对的排列方式 分子的空间结构 实例
sp 直线形 2 0 直线形 HC≡CH、BeCl2、CO2
sp2 平面三角形 3 0 平面三角形 BF3、BCl3
2 1 角形 SnBr2、PbCl2
sp3 四面体形 4 0 正四面体形 CH4、CCl4
3 1 三角锥形 NH3、NF3
2 2 角形 H2O
(1)杂化轨道用于形成σ键或容纳孤电子对。
(2)未参与杂化的p轨道用于形成π键。
1．(2021·天津大学附属中学高二检测)下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是( )
①BF3 ②CH2===CH2 ③Cl2C===CCl2 ④CH≡CH ⑤NH3 ⑥CH4
A．①②③ B．①⑤⑥ C．②③④ D．③⑤⑥
A [sp2杂化轨道形成夹角为120°的平面三角形，①BF3为平面三角形且B—F键之间的夹角为120°；②C2H4中碳原子发生sp2杂化，且未杂化的2p轨道形成π键；③与②相似；④乙炔中的碳原子发生sp杂化；⑤NH3中的氮原子发生sp3杂化；⑥CH4中的碳原子发生sp3杂化。]
2．(2021·海口实验中学高二检测)形成下列分子时，一个原子用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是( )
①PF3 ②CCl4 ③NH3 ④H2O
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
A [PF3分子中，磷原子的最外层电子排布为3s23p3，中心磷原子采用sp3杂化，形成4个杂化轨道，一个杂化轨道被一对孤电子对占据，另外3个杂化轨道分别与氟原子的2p轨道形成3个σ键；CCl4为正四面体形结构，碳原子采用sp3杂化，4个杂化轨道分别与4个氯原子的3p轨道形成4个σ键；由于氢原子核外p轨道没有电子，因此NH3和H2O不符合题意。]
3．下列说法正确的是( )
A．中心原子为sp3杂化的分子一定是四面体形结构
B．中心原子为sp2杂化的分子不一定是平面形结构
C．通过sp3杂化轨道形成的化合物分子中含有σ键
D．通过sp2或sp杂化轨道形成的化合物分子中一定含有π键
C [有孤电子对的中心原子采用sp3杂化形成的化合物可能是角形或三角锥形，A项错误；中心原子为sp2杂化的分子一定是平面结构，B项错误；sp3杂化轨道只能形成σ键，C项正确；BF3中的B原子为sp2杂化，BeF2中Be原子为sp杂化，但二者中均没有π键，D项错误。]
确定分子空间结构的简易方法
如图所示为水分子的结构模型。
1．成键电子对与孤电子对之间斥力大小顺序是什么？
提示：lp—lp lp—bp＞bp—bp。
2．氧原子的价电子排布式为2s22p4，两个2p轨道各有一个未成对电子，可分别与一个H原子的1s电子形成一个σ键，不须杂化。但事实是：氧原子形成了四个sp3杂化轨道，且键角是104.5°，空间结构为角形，怎么解释？
提示：在形成水分子时，O的2s轨道和2p轨道发生了sp3杂化，形成四个sp3杂化轨道，呈正四面体形。其中两个sp3杂化轨道中各有一个未成对电子，另外两个sp3杂化轨道已有两对孤电子对，不再成键。氧原子与氢原子化合时，O的sp3杂化轨道与H的1s轨道重叠，形成两个σ键。由于两对孤电子对的电子云密集在O的周围，对两个成键的电子对有更大的排斥作用，使O—H键之间的键角被压缩，因此H2O分子的空间结构为角形。
1．价电子对互斥理论(VSEPR理论)在确定分子空间结构中的应用
(1)确定中心原子A的杂化轨道数
①对于ABm型分子，中心原子的杂化轨道数可以这样计算。
n＝(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数)
例如：
代表物 杂化轨道数(n) 杂化轨道类型
CO2 (4＋0)＝2 sp
CH2O (4＋2＋0)＝3 sp2
CH4 (4＋4)＝4 sp3
SO2 (6＋0)＝3 sp2
NH3 (5＋3)＝4 sp3
H2O (6＋2)＝4 sp3
②离子的杂化轨道计算
n＝(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数±电荷数)。
代表物 杂化轨道数(n) 杂化轨道类型
NO (5＋1)＝3 sp2
NH (5－1＋4)＝4 sp3
(2)确定价电子对的空间结构
由于价电子对之间的相互排斥作用，它们趋向于尽可能地相互远离。价电子对的空间结构与价电子对数目的关系如表：
价电子对数目 2 3 4 5 6
价电子对结构 直线形 三角形 正四面体形 三角双锥形 正八面体形
(3)分子空间结构确定
根据分子中成键电子对数和孤电子对数，可以确定相应的较稳定的分子空间结构，如表：
价电子对数 成键电子对数 孤电子对数 VSEPR模型 分子空间结构 实例
2 2 0 直线形 直线形 BeCl2
3 3 0 三角形 三角形 BF3
2 1 角形 SnBr2
4 4 0 四面体形 四面体形 CH4
3 1 三角锥形 NH3
2 2 角形 H2O
中心原子上的孤电子对数＝
例如，H2O中的中心原子为氧原子，其价电子数为6，氢原子未成对电子数为1，可知：
氧原子上的孤电子对数＝＝2。
电子对间的排斥力大小比较
多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序为三键—三键＞三键—双键＞双键—双键＞双键—单键＞单键—单键，lp—lp lp—bp＞bp—bp。
2．等电子原理在确定分子结构中的应用
(1)互为等电子体应满足的条件
①化学通式相同。
②价电子总数相等。
(2)等电子原理的应用
①利用等电子原理可以判断一些简单分子或原子团的空间结构。如NH3和H3O＋的空间结构相似(三角锥形)；SiCl4、SO、PO都呈四面体形空间结构。
②等电子体不仅有相似的空间结构，且有相似的性质。
等电子体的换算方法
(1)将微粒中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n＝1,2等)的原子，如N2和CO、N和CNO－互为等电子体。
(2)将微粒中一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素对应的带n个单位电荷的阳离子(或阴离子)，如N2O和N互为等电子体。
(3)同主族元素最外层电子数相等，故可将微粒中的原子换成同主族元素原子，如O3和SO2互为等电子体。
1．(双选)下列微粒中，中心原子含有孤电子对的是( )
A．SiH4 B．H2O C．CH4 D．NH3
BD [SiH4、H2O、CH4、NH3的电子式分别为、、、，H2O分子中的O原子上有2对孤电子对，NH3有一对孤电子对。]
2．若ABn的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对，下列说法正确的是( )
A．若n＝2，则分子的空间结构为角形
B．若n＝3，则分子的空间结构为三角锥形
C．若n＝4，则分子的空间结构为正四面体形
D．以上说法都不正确
C [若中心原子A上没有未用于成键的孤电子对，则根据斥力最小的原则，当n＝2时，分子的空间结构为直线形；n＝3时，分子的空间结构为平面三角形；n＝4时，分子的空间结构为正四面体形。]
3．通常把原子总数和价电子总数相同的分子或原子团称为等电子体，人们发现等电子体的空间结构相同。已知B3N3H6分子的结构与苯相似，则下列有关说法中正确的是( )
A．CH4和NH互为等电子体，键角均为60°
B．NO和CO互为等电子体，均为平面三角形结构
C．H3O＋和PCl3互为等电子体，均为三角锥形结构
D．B3N3H6和苯互为等电子体，B3N3H6分子中不存在“肩并肩”的方式重叠的轨道
B [CH4和NH的原子数都是5，价电子总数都是8，互为等电子体，空间结构为正四面体结构，键角为109°28′，故A错误；NO和CO的原子数都是4，价电子总数都是24，互为等电子体，均为平面三角形结构，故B正确；H3O＋价电子总数是8，PCl3价电子总数是26，二者价电子总数不同，不互为等电子体，故C错误；B3N3H6分子的结构类似苯，存在π键，π键是p轨道以“肩并肩”的方式重叠形成的，所以B3N3H6分子中存在“肩并肩”的方式重叠的轨道，故D错误。]
1．下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是( )
A B C D
D [A项，杂化轨道的空间结构为直线形，夹角为180°，共有2个杂化轨道，为sp杂化，错误；B项，未形成杂化轨道，错误；C项，杂化轨道的空间结构为正四面体形，共有4个杂化轨道，为sp3杂化，错误；D项，杂化轨道的空间结构为平面三角形，夹角为120°，共有3个杂化轨道，为sp2杂化，正确。]
2．下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是( )
A．键角为180°的分子，空间结构是直线形
B．键角为120°的分子，空间结构是平面三角形
C．键角为60°的分子，空间结构可能是正四面体形
D．键角为90°～109°28′之间的分子，空间结构可能是角形
B [键角为180°的分子，空间结构是直线形，例如CO2分子是直线形分子，A正确；苯分子的键角为120°，但其空间结构是平面正六边形，B错误；白磷分子的键角为60°，空间结构为正四面体形，C正确；水分子的键角为104.5°，空间结构为角形，D正确。]
3．下列各物质中的中心原子不是采用sp3杂化的是( )
A．NH3 B．H2O C．CO2 D．CCl4
C [NH3为三角锥形，但中心原子氮原子采用sp3杂化，形成4个等同的轨道，其中一个由一对孤电子对占据，余下的3个未成对电子各占一个。H2O为角形，但其中的氧原子也是采用sp3杂化形成4个等同的轨道，其中两对孤电子对分别占据两个轨道，剩余的2个未成对电子各占一个。CCl4分子中C原子也采用sp3杂化，但CO2分子中C原子为sp杂化，CO2为直线形分子。]
4．关于原子轨道的说法正确的是( )
A．凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体形
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轨道混合起来而形成的
C．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相同的新轨道
D．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
C [中心原子采取sp3杂化，分子的空间结构可能为正四面体形，但如果中心原子还有孤电子对，分子的空间结构不是正四面体形。CH4分子中的sp3杂化轨道是C原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的。AB3型的共价化合物，A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。]
5．(1)SeO3的空间结构为______________，SeO的VSEPR模型为______________。
(2)与SeO3互为等电子体的一种阴离子为________(填化学式)。
(3)SCl和PCl3互为等电子体，SCl的空间结构是______________。S—Cl键的键长________P—Cl键的键长(填“>”“＝”或“<”)，原因是________
___________________________________________________________________。
(4)碳负离子(CH)的空间结构为________________________，与CH互为等电子体的一种分子是________(填化学式)。
[解析] (1)SeO3的中心原子Se原子的价电子对数是3，且不存在孤电子对，所以其空间结构为平面三角形；SeO的中心原子Se原子的价电子对数是3＋＝4，所以其VSEPR模型为四面体形。
(2)等电子体的原子总数相同、价电子总数相同，故与SeO3互为等电子体的阴离子为CO、NO或SiO。
(3)SCl中中心原子S原子的价电子对数＝σ键个数＋孤电子对数＝3＋×(6－1－3×1)＝4，且含1对孤电子对，所以其空间结构为三角锥形；键长与形成键的原子半径有关，S原子半径小于P原子半径，故S—Cl键键长比P—Cl键键长短。
(4)CH中中心原子C原子的价电子对数＝3＋×(4＋1－3×1)＝4，且含1对孤电子对，故其空间结构为三角锥形；等电子体的原子总数相等、价电子总数相等，因此与CH互为等电子体的分子可以为NH3或PH3。
[答案] (1)平面三角形 四面体形
(2)CO(或NO、SiO)
(3)三角锥形 ＜ S原子半径小于P原子半径，故S—Cl键要比P—Cl键短
(4)三角锥形 NH3(或PH3)
1基础课时8 分子的空间结构与分子性质
学习任务 1.知道分子可以分为极性分子和非极性分子，知道分子极性与分子中键的极性、分子的空间结构密切相关。 2.结合实例初步认识分子的手性对其性质的影响。培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
一、分子中的原子排布与对称性
1．对称分子
(1)概念
依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子。
(2)性质
具有对称性。
(3)与分子性质的关系
分子的许多性质如极性、旋光性等都与分子的对称性有关。
(1)什么是对称轴？举例说明？
提示：以甲烷分子为例，以通过碳原子和氢原子的连线为轴旋转120°或240°时，分子完全恢复原状，我们称这条连线为对称轴。
(2)什么是对称面？举例说明。
提示：以甲烷分子为例，通过碳原子和其中两个氢原子所构成的平面，分子被分割成相同的两部分，我们称这个平面为对称面。
2．手性分子
旋光性 在光通过某些化合物时，光波振动的方向会旋转一定的角度，这种性质称为旋光性
手性 具有旋光性的分子本身和它们在镜中的像，就如同人的左手和右手，相似但不能重叠，因而称这类分子表现出手性
手性分子 具有手性的分子叫作手性分子
不对称碳原子 对于仅通过单键连接其他原子的碳原子，当其所连接的四个原子或基团均不相同时，这个碳原子称为不对称碳原子
应用 ①手性分子缩合制蛋白质和核酸。②分析药物有效成分异构体的生物活性和毒副作用。③药物的不对称合成。
(1)所有的分子都有一定的对称性。 ( )
(2)对称分子都具有旋光性。 ( )
(3)对称分子与物质化学性质有关。 ( )
[答案] (1)× (2)× (3)×
二、分子中的电荷分布与极性
1．分子极性的实验探究
实验操作 在酸式滴定管中加入四氯化碳，打开活塞让四氯化碳缓缓流下，将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近四氯化碳液流 再向另一酸式滴定管中加入蒸馏水，打开活塞让四氯化碳缓缓流下，并将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近四氯化碳液流
现象 四氯化碳液流方向不变 水流方向发生改变
结论 四氯化碳液流与橡胶棒之间无电性作用 水流与橡胶棒之间有电性作用
解释 四氯化碳分子中无正极和负极之分 水分子中存在正、负两极
2．极性分子和非极性分子
类别 极性分子 非极性分子
概念 分子内存在正、负两极的分子 分子内不存在正、负两极的分子
双原子分子 分子内含极性键 分子内含非极性键
多原子分子 分子内含极性键，分子空间结构不对称 分子内只含非极性键或分子空间结构对称
3．分子极性的判断
(1)
(2)
NH3、CH4、H2O、CO2四种分子正、负电荷重心重合的是哪些？正、负电荷重心不重合的是哪些？
提示：NH3、CH4、H2O、CO2四种分子正、负电荷重心重合的是CH4和CO2，正、负电荷重心不重合的是NH3、H2O。
手性分子的判断及应用
1．有人说“手性分子和镜像分子完全相同，能重合”，对吗？二者什么关系？
提示：手性分子，是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对映。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像左手和右手那样，称这两种分子具有手性，又叫手性分子。因此一个手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体。
2．构成不对称碳原子(手性碳原子)的条件？
提示：与碳原子连接的四个原子或基团均不相同。
1．手性异构体与手性分子
具有完全相同的组成和原子排列的一对分子，如同左手与右手一样互为镜像，却在三维空间里不能重叠，互称为手性异构体。有手性异构体的分子叫做手性分子。
2．手性分子的成因
当四个不同的原子或基团连接在同一个碳原子上时，这个碳原子是不对称碳原子。这种分子和它“在镜中的像”就不能重叠，因而表现为“手性”。手性分子中的不对称碳原子称为手性碳原子。例如，CHBrClF是一个简单的手性分子，如图1所示的两个分子互为镜像。又如，丙氨酸分子(手性碳原子上连接—H、—CH3、—NH2、—COOH)的手性如图2所示。
3．手性合成
生产手性药物必须把手性异构体分离开，因为手性异构体药物分子中往往是一种能治病、没有毒副作用，而另一种却有毒副作用。按照获得2001年诺贝尔化学奖的三位科学家的合成方法，可以只得到一种或者主要只得到一种手性分子，不得到或者基本上不得到它的手性异构体，这种独特的合成方法称为手性合成。手性催化剂只催化或者主要催化一种手性分子的合成。手性分子在生命科学和生产手性药物方面有广泛的应用。手性合成是当代化学的热点之一，是21世纪化学研究的重要领域。
分子是否表现手性的判断
分子表现手性，是因为其含有手性碳原子。如果一个碳原子所连接的四个原子或基团各不相同，那么该碳原子称为手性碳原子，用*C来表示。例如，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基团。所以，判断一种有机物分子是否具有手性，就看其含有的碳原子是否连有四个不同的原子或基团。
1．下列物质的分子不具有对称性的是( )
A．CH3Cl B．CH2Cl2 C．CH2ClBr D．CH3CH(Cl)Br
D [当一个碳原子所连接的四个原子或基团都不相同时，这个碳原子为手性碳原子，具有手性碳原子的分子既没有对称轴，也没有对称面，是不对称分子，没有对称性。D项中物质分子的结构可表示为，没有对称性。]
2．某研究性学习小组对手性分子提出了以下四个观点：
①互为手性异构体的分子互为镜像
②利用手性催化剂合成可得到一种或主要得到一种手性分子
③互为手性异构体的分子组成相同
④手性异构体的性质相同
你认为正确的是( )
A．①②③ B．①②④ C．②③④ D．全部
A [互为手性异构体的分子结构不同，性质不同，故④错误，①②③均正确。]
判断分子极性的方法
PH3又称磷化氢，在常温下是一种无色、有大蒜气味的气体，电石气的杂质中常含有它。它的结构与NH3分子结构相似。如果遇到痕量其他磷的氢化物如乙磷化氢，会引起自燃。磷化氢按照高毒性且自燃的气体处理。吸入磷化氢会对心脏、呼吸系统、肾、肠胃、神经系统和肝脏造成影响。
PH3分子及其空间结构
1．PH3分子的中心磷原子的杂化类型是什么？空间结构是什么？
提示：根据杂化轨道的判断方法可知，PH3分子的中心磷原子的杂化类型为sp3杂化；根据价电子对互斥理论，由于磷原子有1对孤电子对，所以其空间结构是三角锥形。
2．PH3分子中的P—H键是何种共价键？该分子是极性分子还是非极性分子？
提示：PH3分子中的P—H键是极性键，PH3是极性分子。
1．根据分子的对称性判断
分子结构对称，正电荷重心和负电荷重心重合，则为非极性分子，正、负电荷重心不重合，则为极性分子。
2．根据键的极性判断
3．判断ABn型分子极性的经验规律
(1)化合价法：若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子，否则为极性分子。
(2)孤电子对法：若中心原子有孤电子对则为极性分子，否则为非极性分子。如BF3、CO2等为非极性分子，NH3、H2O、SO2等为极性分子。
4．常见分子极性与非极性的判断
分子类型 键的极性 分子对 分子极性 代表物
双原子分子 A2 非极性键 直线形(对称) 非极性 H2、O2、Cl2、N2等
AB 极性键 直线形(不对称) 极性 HF、HCl、CO、NO等
三原子分子 A2B(或AB2) 极性键 直线形(对称) 非极性 CO2、CS2等(键角180°)
极性键 角形(不对称) 极性 H2O(键角104．5°)、SO2(键角119．5°)等
四原子分子 AB3 极性键 平面三角形(对称) 非极性 BF3、BCl3等
极性键 三角锥形(不对称) 极性 NH3(键角107.3°)等
五原子分子 AB4 极性键 正四面体形(对称) 非极性 CH4、CCl4(键角109°28′)等
ABnC4－n(n<4且为整数) 极性键 四面体形(不对称) 极性 CHCl3、CH2Cl2等
1．(2021·贵州普定一中期中考试)已知BeCl2为共价化合物，两个Be—Cl键间的夹角为180°，则BeCl2属于( )
A．由极性键构成的极性分子
B．由极性键构成的非极性分子
C．由非极性键构成的极性分子
D．由非极性键构成的非极性分子
B [BeCl2中Be—Cl键是不同元素形成的共价键，为极性键，两个Be—Cl键间的夹角为180°，说明分子是对称的，正电荷重心与负电荷重心重合，BeCl2属于非极性分子，故BeCl2是由极性键构成的非极性分子，B项正确。 ]
2．相似相溶规律：一般来说，由极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂。以下事实不能用相似相溶规律解释的是( )
A．HCl易溶于水 B．I2易溶于CCl4
C．Cl2可溶于水 D．NH3难溶于苯
C [Cl2为非极性分子，H2O为极性分子，Cl2可溶于水不能用相似相溶规律解释。]
1．下图中两分子的关系是( )
A．互为同分异构体 B．是同一种物质
C．是手性分子 D．互为同系物
B [本题很容易看成为镜面对称结构而选择手性分子，但根据手性分子的判断方法，根本找不到手性碳原子，所以不是手性分子；分子相同，结构相同，是同一种物质。]
2．下列分子含有手性碳原子，属于手性分子的是( )
C [抓住“手性”的含义，碳原子上连接有四个不同的原子或原子团，即为手性碳原子。]
3．下列说法正确的是( )
A．由极性键构成的分子都是极性分子
B．含非极性键的分子一定是非极性分子
C．极性分子一定含有极性键，非极性分子一定含有非极性键
D．以极性键结合的双原子分子一定是极性分子
D [由极性键构成的分子若空间结构均匀对称，则分子是非极性分子，A项说法错误；含非极性键的分子也可能含有极性键，分子也可能是极性分子，如CH3CH2OH等，B项说法错误；CO2是由极性键形成的非极性分子，C项说法错误；以极性键结合的双原子分子都是极性分子，D项说法正确。]
4．用一带静电的有机玻璃棒分别靠近A、B两种纯液体流，现象如图所示，下列关于A、B两种液体分子的极性判断正确的是( )
A．A是极性分子，B是非极性分子
B．A是非极性分子，B是极性分子
C．A、B都是极性分子
D．A、B都是非极性分子
B [有机玻璃棒带电，靠近纯液体流后B液体流发生偏移，说明液体B的分子有极性，故A是非极性分子，B是极性分子。]
5．在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2分子中：
(1)以非极性键结合的非极性分子是________。
(2)以极性键结合的具有直线形结构的非极性分子是________________。
(3)以极性键结合的具有正四面体形结构的非极性分子是________________。
(4)以极性键结合的具有三角锥形结构的极性分子是____________________。
(5)以极性键结合的具有sp3杂化轨道结构的分子是__________________。
[解析] HF是含有极性键的双原子分子，为极性分子；H2O中氧原子采取sp3杂化方式，与氢原子形成极性键，为极性分子；NH3中有极性键，氮原子采取sp3杂化，三角锥形结构；CS2与CO2相似，以极性键结合的直线形非极性分子；CH4中碳原子采取sp3杂化方式与氢原子形成极性键，正四面体结构，非极性分子；N2是由非极性键结合的非极性分子。
[答案] (1)N2 (2)CS2 (3)CH4 (4)NH3 (5)NH3、H2O、CH4
1能力课时2 杂化类型的判断方法
探 究 任 务 1.掌握杂化轨道理论，价电子对互斥理论，建立理论模型，并能运用模型解决分子空间结构与杂化类型关系的判断。2．掌握共价键类型，能运用等电子体理论判断分子空间结构，利用分子空间结构与杂化类型的关系解决问题。 3.能运用取代法判断杂化类型、提升知识的迁移应用能力。
1．根据分子的空间结构判断
由于常考的分子或离子结构多为直线形、平面三角形、角形、正四面体形、三角锥形等，故可按图索骥、简单判断。
分子或离子的空间结构 常见分子或离子 中心原子杂化轨道类型
直线形 CO2、CS2、BeCl2、HC≡CH、HC≡N等 sp
平面三角形 BF3、BCl3、SO3、NO、CO等 sp2
正四面体形 CH4、CCl4、SiF4、ClO、SO、PO、SiO等 sp3
三角锥形 NH3、NCl3、PH3、SO、ClO等 sp3
微点拨：常见的C2H4、C6H6为平面形分子，键角为120°，可推断其碳原子的杂化轨道类型为sp2。
2．根据价电子对互斥理论判断
根据价电子对互斥理论能够比较容易而准确地判断ABm型共价分子或离子的空间结构和中心原子杂化轨道类型，其关系如下表。
中心原子价电子对数 杂化轨道空间结构 中心原子杂化轨道类型
2 直线形 sp
3 平面三角形 sp2
4 正四面体形 sp3
运用该理论的关键是准确计算中心原子的价电子对数，其计算方法如下：
注意：对于阳离子，a＝中心原子价电子数－离子电荷数；对于阴离子，a＝中心原子价电子数＋|离子电荷数|。
3．应用等电子原理判断
等电子体具有相同的结构特征，一般来说，等电子体的中心原子的杂化类型相同。对于结构模糊或复杂的分子、离子，可将其转化成熟悉的等电子体，然后进行判断。常见的等电子体往往是同族不同元素或同周期相近元素构成的微粒。
4．根据共价键类型判断
从杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未杂化轨道形成π键，杂化轨道形成σ键。对于能够明确结构式的分子、离子，可直接用下式判断其中心原子的杂化轨道类型：杂化轨道数n＝中心原子的σ键数＋中心原子的孤电子对数(双键、三键中只有一个σ键，其余均为π键)。
如三聚氰胺(结构简式如图所示)中有两种环境的氮原子，环外氮原子分别形成3个σ键，用去基态氮原子5个价电子中的3个，余下1对孤电子对，n＝4，则环外氮原子采用sp3杂化；环内氮原子分别形成2个σ键、1个π键，用去基态氮原子5个价电子中的3个，余下1对孤电子对，n＝3，则环内氮原子采用sp2杂化。
5．应用取代法判断
以中学常见的、熟悉的基础物质分子为原型，用其他原子或原子团取代原型分子中的部分原子或原子团，得到的新分子的中心原子与原型分子对应的中心原子的杂化轨道类型相同。如：
(1)CH3CH===CH2分子中碳原子的杂化轨道类型判断，可看作乙烯基取代了甲烷分子中的一个氢原子，则甲基碳原子采用sp3杂化，也可看作甲基取代了乙烯分子中的一个氢原子，故两个不饱和碳原子均采用sp2杂化。
(2)B(OH)3可看作三个羟基取代了BF3中的氟原子，可知B(OH)3中硼原子采用sp2杂化。
(2021·辽宁大连期末)下列分子或离子的中心原子杂化轨道类型不同的是( )
A．SO与SO3 B．CH4与H2O
C．PCl3与ClO D．BF3与CO
A [
选项 成键电子对数 孤电子对数 价电子对数 杂化轨道类型
A SO 3 ×(6＋2－3×2)＝1 4 sp3
SO3 3 ×(6－3×2)＝0 3 sp2
B CH4 4 ×(4－4×1)＝0 4 sp3
H2O 2 ×(6－2×1)＝2 4 sp3
C PCl3 3 ×(5－3×1)＝1 4 sp3
ClO 3 ×(7＋1－3×2)＝1 4 sp3
D BF3 3 ×(3－3×1)＝0 3 sp2
CO 3 ×(4＋2－3×2)＝0 3 sp2
]
1．甲醛分子的结构式如图所示，用2个Cl原子取代甲醛分子中的H原子可得到碳酰氯，下列描述正确的是( )
A．甲醛分子中有4个σ键
B．碳酰氯分子中的C原子为sp3杂化
C．甲醛分子中的H—C—H键角与碳酰氯分子中的Cl—C—Cl键角相等
D．碳酰氯分子的空间结构为平面三角形，分子中存在一个π键
D [甲醛分子中有3个σ键，A不正确；碳酰氯分子中的C原子为sp2杂化，B不正确；根据价电子对互斥理论可知，碳酰氯分子中的氯原子有3对孤电子对，孤电子对对成键电子对有更强的排斥作用，所以，甲醛分子中的H—C—H键角与碳酰氯分子中的Cl—C—Cl键角不相等，C不正确；碳酰氯分子的空间结构为平面三角形，碳与氧形成的双键中有一个是π键，D正确。]
2．甲烷中的碳原子采用sp3杂化，下列用*标注的碳原子的杂化类型和甲烷中的碳原子的杂化类型一致的是( )
A．CHCH2CH3 B．*CH2===CHCH3
C．CH2===*CHCH2CH3 D．HC≡*CCH3
A [CH4中碳原子为饱和碳原子，采用sp3杂化。A项，亚甲基碳原子为饱和碳原子，采用sp3杂化；B、C项，C===C中的不饱和碳原子采用sp2杂化；D项，C≡C中的不饱和碳原子采用sp杂化。A项符合题意。]
3．指出下列分子或离子的中心原子杂化轨道类型，并判断分子或离子的空间结构。
(1)GeCl4中Ge的杂化轨道类型为________，分子空间结构为________________。
(2)AsCl3中As的杂化轨道类型为________，分子空间结构为________________。
(3)SeO中Se的杂化轨道类型为________，离子空间结构为________________。
(4)BCl3中的B采用________杂化，空间结构为________________________。
(5)PH3中的P采用________杂化，空间结构为________________________。
(6)NO中的N采用________杂化，空间结构为________________________。
[解析] (1)GeCl4：Ge的价电子对数＝4＋×(4－4×1)＝4＋0＝4，Ge采用sp3杂化，因为中心原子上没有孤电子对，故分子空间结构为正四面体形。(2)AsCl3：As的价电子对数＝3＋×(5－3×1)＝3＋1＝4，As采用sp3杂化，因为中心原子上有1对孤电子对，故分子空间结构为三角锥形。(3)SeO：Se的价电子对数＝4＋×(6＋2－4×2)＝4＋0＝4，Se采用sp3杂化，因为中心原子上没有孤电子对，故离子空间结构为正四面体形。(4)BCl3：B采用sp2杂化，三个杂化轨道分别与三个Cl形成σ键，没有孤电子对，分子空间结构为平面三角形。(5)PH3：P采用sp3杂化，其中一个杂化轨道上有一对电子不参与成键，另外三个杂化轨道分别与三个H形成σ键，由于一对孤电子对的存在，三个H不可能平均占据P周围的空间，而是被孤电子对排斥到一侧，形成三角锥形结构。(6)NO：N采用sp2杂化，其中两个杂化轨道分别与两个O形成σ键，另一个杂化轨道有一对孤电子对，未杂化的p轨道与两个O上的p轨道形成π键，离子空间结构为角形。
[答案] (1)sp3 正四面体形 (2)sp3 三角锥形
(3)sp3 正四面体形 (4)sp2 平面三角形 (5)sp3 三角锥形 (6)sp2 角形
已知：①红磷在氯气中燃烧可以生成两种化合物——PCl3和PCl5，氮与氢也可形成两种化合物——NH3和NH5。
②PCl5分子中，P原子的1个3s轨道、3个3p轨道和1个3d轨道发生杂化形成5个sp3d杂化轨道，PCl5分子呈三角双锥形()。
1．NH3、PCl3和PCl5分子中，所有原子的最外层电子数都是8个的是哪个分子？该分子的形状是什么？
提示：PCl3 三角锥形
2．有同学认为，NH5与PCl5类似，N原子的1个2s轨道、3个2p轨道和1个2d轨道可能发生sp3d杂化。请你对该同学的观点进行评价。
提示：不对，因为N原子没有2d轨道。
3．经测定，NH5中存在离子键，N原子最外层电子数是8，所有氢原子的最外层电子数都是2，则NH5的电子式是什么？
提示：
通过本情境素材中杂化类型的判断与应用，提升证据推理与模型认知的化学核心素养。
1．下列说法中正确的是( )
A．乙炔分子中，每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键
B．sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合形成的4个能量不同的sp3杂化轨道
C．凡中心原子采取sp2杂化的分子，其分子空间结构都是平面三角形
D．氨分子中有1对未参与杂化的孤电子对
A [乙炔分子的结构式为H—C≡C—H，中心原子碳原子采取sp杂化，每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键，A项正确；sp3杂化轨道是指同一电子层内能量相近的1个s轨道和3个p轨道进行重新组合，形成能量相同的4个sp3杂化轨道，B项错误；中心原子采取sp2杂化的分子，不含孤电子对的，其分子空间结构都是平面三角形，否则不是，如二氧化硫分子中，硫原子采取sp2杂化，含有1对孤电子对，所以空间结构为角形，C项错误；氨分子中，氮原子为sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道，其中1个sp3杂化轨道已有2个电子，属于孤电子对，D项错误。]
2．乙炔分子中的碳原子采取的杂化方式是( )
A．sp杂化 B．sp2杂化 C．sp3杂化 D．无法确定
A [乙炔的结构式为H—C≡C—H，其空间结构为直线形，碳原子采取sp杂化。]
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
C [中碳原子形成了3个σ键，无孤电子对，需要形成3个杂化轨道，采用的杂化方式是sp2。两边的碳原子各自形成了4个σ键，无孤电子对，需要形成4个杂化轨道，采用的是sp3杂化。]
4．(2021·山东德州一中高二检测)在BrCH===CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是( )
A．sp－p B．sp2－s C．sp2－p D．sp3－p
C [分子中的两个碳原子都是采用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。]
5．(2021·河北衡水第二中学高二检测)乙烯分子中含有四个C—H键和一个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每个碳原子的2s轨道与2p轨道杂化形成两个sp杂化轨道 ②每个碳原子的2s轨道与两个2p轨道杂化，形成三个sp2杂化轨道 ③每个碳原子的2s轨道与三个2p轨道杂化形成四个sp3杂化轨道 ④每个碳原子的三个价电子占据三个杂化轨道，一个价电子占据一个2p轨道
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
B [乙烯分子中每个碳原子与另一个碳原子和两个氢原子成键，必须形成三个σ键，六个原子在同一平面上，则键角为120°，为sp2杂化，形成三个sp2杂化轨道，一个价电子占据一个2p轨道，两个碳原子成键时形成一个π键。]
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