高中化学2022春人教版 选择性必修2 第二章 第二节 第2课时 杂化轨道理论（学案+课时练 word版含解析）
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| 名称 | 高中化学2022春人教版 选择性必修2 第二章 第二节 第2课时 杂化轨道理论（学案+课时练 word版含解析） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2022-03-13 15:12:02 | ||
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文档简介
第2课时 杂化轨道理论
[核心素养发展目标] 1.通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。
一、杂化轨道及其类型
1．杂化轨道的含义
在外界条件影响下，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。重新组合后的新的能量相同的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
2．原子轨道的杂化过程
3．杂化轨道的类型
(1)sp3杂化轨道——正四面体形
sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有s和p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。如图所示：
(2)sp2杂化轨道——平面三角形
sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有s和p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如图所示：
(3)sp杂化——直线形
sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有s和p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如图所示。
1．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。
2．如何判断杂化轨道的类型？
提示 判断杂化轨道类型，首先判断杂化轨道数，杂化轨道数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数，由杂化轨道数即可判断杂化类型。
3．填写下表：
代表物 杂化轨道数 杂化轨道类型
CO2 0＋2＝2 sp
CH2O 0＋3＝3 sp2
CH4 0＋4＝4 sp3
SO2 1＋2＝3 sp2
NH3 1＋3＝4 sp3
H2O 2＋2＝4 sp3
1．正误判断
(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( )
(4)杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键( )
(5)杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道可用于形成π键( )
答案 (1)√ (2)√ (3)√ (4)√ (5)√
2．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
答案 C
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杂化。
(1)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。
⑥杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
(2)以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化轨道类型
①没有形成π键，采取sp3杂化，如CH4、CCl4等；
②形成一个π键，采取sp2杂化，如CH2==CH2等；
③形成两个π键，采取sp杂化，如CH≡CH、CO2等。
二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系
1．当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。
杂化类型 sp sp2 sp3
轨道夹角 180° 120° 109°28′
杂化轨道示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
分子结构示意图
分子空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形
2.当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。
ABn型分子 中心原子杂化类型 中心原子孤电子对数 空间结构 实例
AB2 sp2 1 V形 SO2
AB3 sp3 1 三角锥形 NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2或(B2A) 2 V形 H2S、NH
CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都是sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法？
提示 CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子上的孤电子对数依次为0、1、2。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。比较键角时，先看中心原子杂化类型，杂化类型不同时，键角一般按sp、sp2、sp3顺序依次减小；杂化类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。
1．正误判断
(1)杂化轨道的空间结构与分子的空间结构不一定一致( )
(2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角一定相同( )
(3)凡AB3型共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键( )
(4)NH3分子的空间结构为三角锥形，则氮原子的杂化方式为sp3( )
(5)C2H4分子中的键角都约是120°，则碳原子的杂化方式是sp2( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)√
2．下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是( )
①BF3 ②CH2==CH2 ③ ④CH≡CH ⑤NH3 ⑥CH4
A．①②③ B．①⑤⑥
C．②③④ D．③⑤⑥
答案 A
解析 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夹角为120°；②C2H4中碳原子以sp2杂化，未杂化的2p轨道重叠形成π键；③与②相似；④乙炔中的碳原子为sp杂化，未杂化的2p轨道重叠形成π键；⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。
3．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，为三角锥形
B．NH中N原子sp3杂化，为正四面体形
C．H2S中S原子sp杂化，为直线形
D．SO2中S原子sp2杂化，为V形
答案 C
解析 PCl3中P原子价层电子对数＝3＋＝4，含有一个孤电子对，则其杂化类型是sp3，实际空间结构为三角锥形，故A正确；NH中N原子价层电子对数＝4＋＝4，不含孤电子对，则N原子为sp3杂化，为正四面体形，故B正确；H2S中的S原子价层电子对数＝2＋＝4，含有两个孤电子对，则S原子采用sp3杂化，为V形结构，故C错误；SO2中S原子价层电子对数＝2＋＝3，含有一个孤电子对，则S原子为sp2杂化，为V形，故D正确。
判断中心原子杂化轨道类型的三种方法
(1)根据杂化轨道数目判断
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电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键，故有下列关系：杂化轨道数目＝价层电子对数目＝σ键电子对数目＋中心原子的孤电子对数目，再由杂化轨道数目确定杂化类型。
杂化轨道数目 2 3 4
杂化类型 sp sp2 sp3
(2)根据杂化轨道的空间分布判断
①若杂化轨道在空间的分布为正四面体或三角锥形，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子发生sp杂化。
(3)根据杂化轨道之间的夹角判断
①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。
提醒 有机物分子中碳原子杂化类型的判断方法：饱和碳原子均采取sp3杂化；连接双键的碳原子均采取sp2杂化；连接三键的碳原子均采取sp杂化。
1．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )
A．CO2与SO2 B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H2与C2H4
答案 B
解析 CO2为sp杂化，SO2为sp2杂化，A项错误；均为sp3杂化，B项正确；BeCl2为sp杂化，BF3为sp2杂化，C项错误；C2H2为sp杂化，C2H4为sp2杂化，D项错误。
2．乙烯分子中含有4个C—H和1个C==C,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个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道
A．①③ B．②④
C．①④ D．②③
答案 B
解析 乙烯分子中每个C原子与1个C原子和2个H原子成键，必须形成3个σ键，6个原子在同一平面上，则键角为120°，为sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道，2个C原子成键时形成1个π键，②④正确。
3．下列分子中的中心原子的杂化方式为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．BF3
答案 C
解析 CH≡CH中含有三键，有π键，故不选A；CO2的结构式为O==C==O，分子中含有碳氧双键，含有π键，故不选B；BeCl2分子中，Be原子含有两个共价单键，不含孤电子对，所以价层电子对数是2，中心原子以sp杂化轨道成键，分子中不含π键，故选C；BF3中B原子含有3个共价单键，所以价层电子对数是3，中心原子以sp2杂化轨道成键，故不选D。
4．已知某XY2分子属于V形分子，下列说法正确的是( )
A．X原子一定是sp2杂化 B．X原子一定为sp3杂化
C．X原子上一定存在孤电子对 D．VSEPR模型一定是平面三角形
答案 C
解析 若X原子无孤电子对，则它一定是直线形分子，若X有1个孤电子对或2个孤电子对，则XY2一定为V形分子，此种情况下X的原子轨道可能为sp2杂化，也可能是sp3杂化，A、B项错误，C项正确；若X有2个孤电子对，则该分子的VSEPR模型为四面体形，D项错误。
5．回答下列问题
(1)图(a)为S8的结构，其硫原子的杂化轨道类型为________________。
(2)气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的空间结构为________；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为________。
(3)COCl2分子中所有原子均满足8电子结构，COCl2分子中σ键和π键的个数比为________，中心原子的杂化轨道类型为________________。
(4)As4O6的分子结构如图所示，其中As原子的杂化轨道类型为_______________________。
(5)AlH中，Al原子的杂化轨道类型为________。
答案 (1) sp3 (2)平面三角形 sp3 (3)3∶1 sp2 (4)sp3 (5)sp3
题组一 杂化轨道及类型
1．下列关于杂化轨道的说法中，错误的是( )
A．ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道
B．杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键
C．s轨道和p轨道杂化不可能有sp4杂化轨道出现
D．孤电子对有可能参加杂化
答案 B
解析 ⅠA族元素如果是碱金属，易失电子，如果是H，一个电子在1s能级上，不可能杂化；杂化轨道只能形成σ键，不可能形成π键；p能级只有3个p轨道，不可能有sp4杂化。
2．下列关于原子轨道的说法正确的是( )
A．凡中心原子采取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1个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等的新轨道
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
答案 C
解析 中心原子采取sp3杂化的分子，VSEPR模型是四面体形，但其空间结构不一定是四面体形，如：水和氨气分子中中心原子采取sp3杂化，但H2O是V形，NH3是三角锥形，故A错误；CH4中sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近的一个2s轨道和3个2p轨道杂化形成，1s轨道和2p轨道的能量差别较大，不能形成杂化轨道，故B错误；同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化可混合起来形成一组能量相同的新轨道，杂化轨道数＝孤电子对数＋与之相连的原子数，故C正确；BF3中B原子的价层电子对数为3，B原子的杂化类型为sp2杂化，故D错误。
3．水分子在特定条件下容易得到一个H＋，形成水合氢离子(H3O＋)。下列对上述过程的描述不合理的是( )
A．氧原子的杂化轨道类型发生了改变
B．微粒的形状发生了改变
C．微粒的化学性质发生了改变
D．微粒中的键角发生了改变
答案 A
解析 水中氧的杂化轨道类型为sp3，H3O＋中氧的杂化轨道类型为sp3，则氧原子的杂化类型没有改变，故A不合理；水分子为V形，H3O＋为三角锥形，则微粒的形状发生了改变，故B合理；因结构不同，则性质不同，微粒的化学性质发生了改变，故C合理；水分子为V形，H3O＋为三角锥形，微粒中的键角发生了改变，故D合理。
4．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。下列关于有机物分子的成键方式的描述不正确的是( )
A．烷烃分子中碳原子均采用sp3杂化轨道成键
B．炔烃分子中碳碳三键由1个σ键、2个π键组成
C．甲苯分子中所有碳原子均采用sp2杂化轨道成键
D．苯环中存在6个碳原子共有的大π键
答案 C
解析 烷烃分子中碳原子均形成4个键，杂化轨道数为4，均采取sp3杂化。碳碳三键由1个σ键、2个π键组成；苯环中碳原子采取sp2杂化，6个碳原子上未参与成键的p电子形成一个大π键；甲苯分子中—CH3中的C采用sp3杂化。
5．某有机物由H、C、O三种元素组成，其球棍模型结构如图：
下列关于该有机物的叙述正确的是( )
A．该有机物中发生sp2杂化的碳原子有7个
B．该有机物不含sp2杂化的碳原子
C．分子中含有5个π键
D．构成环的所有碳原子可能在同一个平面上
答案 D
解析 该有机物中共有10个碳原子，苯环上的碳原子及连有双键的9个碳原子是sp2杂化，甲基中的碳原子是sp3杂化，A、B不正确；分子中碳碳双键和碳氧双键中均含1个π键，苯环形成1个大π键，故分子中含有3个π键，C不正确；构成环的所有碳原子形成苯环，在同一个平面上，D正确。
题组二 杂化轨道类型的判断
6．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BF，则BF3和BF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
答案 C
7．下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是( )
A．乙醛[]
B．丙烯腈[]
C．甲醛[]
D．丙炔[]
答案 A
8．氯化亚砜(SOCl2)可作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是 ( )
A．三角锥形、sp3 B．V形、sp2
C．平面三角形、sp2 D．三角锥形、sp2
答案 A
9．下列关于NH、NH3、NH三种微粒的说法不正确的是( )
A．三种微粒所含有的电子数相等
B．三种微粒中氮原子的杂化方式相同
C．三种微粒的空间结构相同
D．键角大小关系：NH>NH3>NH
答案 C
解析 NH、NH3、NH含有的电子数均为10，A正确；NH、NH3、NH三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化，B正确；NH为正四面体形，NH3为三角锥形，NH为V形，C错误；NH、NH3、NH三种微粒的键角大小关系为NH>NH3>NH，D正确。
10．以下说法正确的是( )
A．含有四个原子的分子的空间结构不可能为正四面体形
B．分子式为AB2的分子的空间结构一定为V形
C．在SO中硫原子的杂化方式为sp2，是正四面体形结构
D．CO中心碳原子的孤电子对数为0，故其结构为平面三角形
答案 D
解析 P4分子的空间结构是正四面体形，A错；BeCl2中铍原子成键电子对数是2，是sp杂化，分子是直线形，B错；在SO中硫原子的孤电子对数是0，与其相连的原子数为4，根据杂化轨道理论可推知硫原子为sp3杂化，SO的空间结构是正四面体形，C错误；CO中心碳原子的成键电子对数为3，孤电子对数为(4＋2－3×2)＝0，该离子是平面三角形结构，D正确。
11．下列说法正确的是( )
A．PCl3分子是三角锥形，这是因为磷原子是sp2杂化的结果
B．sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道
C．中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或V形
D．AB3型的分子空间结构必为平面三角形
答案 C
解析 PCl3中P原子形成3个σ键，P上还有1个孤电子对，P为sp3杂化，PCl3分子是三角锥形，A项错误；sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道，B项错误；中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形(如CH3Cl)或三角锥形(如NH3)或V形(如H2O)，C项正确；AB3型的分子空间结构可能为平面三角形(如BF3)或三角锥形(如NH3)，D项错误。
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
答案 B
解析 A分子中碳、氮原子各形成了3个σ键，氮原子有1个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；1个A分子中有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形结构，不可能共平面，D项错误。
13．已知下列微粒：①CH4 ②CH2==CH2 ③CH≡CH ④NH3 ⑤NH ⑥BF3 ⑦H2O ⑧H2O2。试回答下列问题：
(1)分子空间结构为正四面体形的是________(填序号，下同)。
(2)中心原子为sp3杂化的是________，中心原子为sp2杂化的是________，中心原子为sp杂化的是________。
(3)所有原子共平面(含共直线)的是________，共直线的是________。
答案 (1)①⑤
(2)①④⑤⑦⑧ ②⑥ ③
(3)②③⑥⑦ ③
解析 ①CH4中C原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝4＋0＝4，所以C原子采取sp3杂化，CH4的空间结构为正四面体形；②CH2==CH2中C原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝3＋0＝3，所以C原子采取sp2杂化，CH2==CH2中所有原子共平面；③CH≡CH中C原子采取sp杂化，CH≡CH的空间结构为直线形；④NH3中N原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝3＋1＝4，所以N原子采取sp3杂化，NH3的空间结构为三角锥形；⑤NH中N原子采取sp3杂化，NH的空间结构为正四面体形；⑥BF3中B原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝3＋0＝3，所以B原子采取sp2杂化，BF3的空间结构为平面三角形。
14．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________(填分子式)，该分子的空间结构是________。
(2)下列关于PCl5分子的说法正确的有________(填字母)。
A．PCl5分子中磷原子没有孤电子对
B．PCl5分子中没有形成π键
C．PCl5分子中所有的Cl—P—Cl键角都相等
(3)N、P是同一族元素，P能形成PCl3、PCl5两种氯化物，而N只能形成一种氯化物NCl3，而不能形成NCl5，原因是_____________________________________________________。
(4)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：__________________________________。
(5)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中H元素的化合价为________和________；该化合物中N原子的杂化方式为________杂化。
答案 (1)PCl3 三角锥形 (2)AB (3)N原子最外层无d轨道，不能发生sp3d杂化，故无NCl5 (4)不对，因为N原子没有2d轨道 (5)＋1 －1 sp3
15．“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：
(1)写出基态碳原子的电子排布式：________。
(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________、________、________。
(3)一个三聚氰胺分子中有________个σ键。
(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
答案 (1)1s22s22p2
(2)sp sp2 sp3
(3)15
(4)sp2 C
解析 (2)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，所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。(3)除每个双键上有1个π键外，其余均为σ键，共15个。
(4)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。
[核心素养发展目标] 1.通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。
一、杂化轨道及其类型
1．杂化轨道的含义
在外界条件影响下，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。重新组合后的新的能量相同的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
2．原子轨道的杂化过程
3．杂化轨道的类型
(1)sp3杂化轨道——正四面体形
sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有s和p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。如图所示：
(2)sp2杂化轨道——平面三角形
sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有s和p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如图所示：
(3)sp杂化——直线形
sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有s和p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如图所示。
1．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。
2．如何判断杂化轨道的类型？
提示 判断杂化轨道类型，首先判断杂化轨道数，杂化轨道数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数，由杂化轨道数即可判断杂化类型。
3．填写下表：
代表物 杂化轨道数 杂化轨道类型
CO2 0＋2＝2 sp
CH2O 0＋3＝3 sp2
CH4 0＋4＝4 sp3
SO2 1＋2＝3 sp2
NH3 1＋3＝4 sp3
H2O 2＋2＝4 sp3
1．正误判断
(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( )
(4)杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键( )
(5)杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道可用于形成π键( )
答案 (1)√ (2)√ (3)√ (4)√ (5)√
2．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
答案 C
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杂化。
(1)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。
⑥杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
(2)以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化轨道类型
①没有形成π键，采取sp3杂化，如CH4、CCl4等；
②形成一个π键，采取sp2杂化，如CH2==CH2等；
③形成两个π键，采取sp杂化，如CH≡CH、CO2等。
二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系
1．当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。
杂化类型 sp sp2 sp3
轨道夹角 180° 120° 109°28′
杂化轨道示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
分子结构示意图
分子空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形
2.当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。
ABn型分子 中心原子杂化类型 中心原子孤电子对数 空间结构 实例
AB2 sp2 1 V形 SO2
AB3 sp3 1 三角锥形 NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2或(B2A) 2 V形 H2S、NH
CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都是sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法？
提示 CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子上的孤电子对数依次为0、1、2。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。比较键角时，先看中心原子杂化类型，杂化类型不同时，键角一般按sp、sp2、sp3顺序依次减小；杂化类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。
1．正误判断
(1)杂化轨道的空间结构与分子的空间结构不一定一致( )
(2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角一定相同( )
(3)凡AB3型共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键( )
(4)NH3分子的空间结构为三角锥形，则氮原子的杂化方式为sp3( )
(5)C2H4分子中的键角都约是120°，则碳原子的杂化方式是sp2( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)√
2．下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是( )
①BF3 ②CH2==CH2 ③ ④CH≡CH ⑤NH3 ⑥CH4
A．①②③ B．①⑤⑥
C．②③④ D．③⑤⑥
答案 A
解析 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夹角为120°；②C2H4中碳原子以sp2杂化，未杂化的2p轨道重叠形成π键；③与②相似；④乙炔中的碳原子为sp杂化，未杂化的2p轨道重叠形成π键；⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。
3．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，为三角锥形
B．NH中N原子sp3杂化，为正四面体形
C．H2S中S原子sp杂化，为直线形
D．SO2中S原子sp2杂化，为V形
答案 C
解析 PCl3中P原子价层电子对数＝3＋＝4，含有一个孤电子对，则其杂化类型是sp3，实际空间结构为三角锥形，故A正确；NH中N原子价层电子对数＝4＋＝4，不含孤电子对，则N原子为sp3杂化，为正四面体形，故B正确；H2S中的S原子价层电子对数＝2＋＝4，含有两个孤电子对，则S原子采用sp3杂化，为V形结构，故C错误；SO2中S原子价层电子对数＝2＋＝3，含有一个孤电子对，则S原子为sp2杂化，为V形，故D正确。
判断中心原子杂化轨道类型的三种方法
(1)根据杂化轨道数目判断
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电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键，故有下列关系：杂化轨道数目＝价层电子对数目＝σ键电子对数目＋中心原子的孤电子对数目，再由杂化轨道数目确定杂化类型。
杂化轨道数目 2 3 4
杂化类型 sp sp2 sp3
(2)根据杂化轨道的空间分布判断
①若杂化轨道在空间的分布为正四面体或三角锥形，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子发生sp杂化。
(3)根据杂化轨道之间的夹角判断
①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。
提醒 有机物分子中碳原子杂化类型的判断方法：饱和碳原子均采取sp3杂化；连接双键的碳原子均采取sp2杂化；连接三键的碳原子均采取sp杂化。
1．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )
A．CO2与SO2 B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H2与C2H4
答案 B
解析 CO2为sp杂化，SO2为sp2杂化，A项错误；均为sp3杂化，B项正确；BeCl2为sp杂化，BF3为sp2杂化，C项错误；C2H2为sp杂化，C2H4为sp2杂化，D项错误。
2．乙烯分子中含有4个C—H和1个C==C,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个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道
A．①③ B．②④
C．①④ D．②③
答案 B
解析 乙烯分子中每个C原子与1个C原子和2个H原子成键，必须形成3个σ键，6个原子在同一平面上，则键角为120°，为sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道，2个C原子成键时形成1个π键，②④正确。
3．下列分子中的中心原子的杂化方式为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．BF3
答案 C
解析 CH≡CH中含有三键，有π键，故不选A；CO2的结构式为O==C==O，分子中含有碳氧双键，含有π键，故不选B；BeCl2分子中，Be原子含有两个共价单键，不含孤电子对，所以价层电子对数是2，中心原子以sp杂化轨道成键，分子中不含π键，故选C；BF3中B原子含有3个共价单键，所以价层电子对数是3，中心原子以sp2杂化轨道成键，故不选D。
4．已知某XY2分子属于V形分子，下列说法正确的是( )
A．X原子一定是sp2杂化 B．X原子一定为sp3杂化
C．X原子上一定存在孤电子对 D．VSEPR模型一定是平面三角形
答案 C
解析 若X原子无孤电子对，则它一定是直线形分子，若X有1个孤电子对或2个孤电子对，则XY2一定为V形分子，此种情况下X的原子轨道可能为sp2杂化，也可能是sp3杂化，A、B项错误，C项正确；若X有2个孤电子对，则该分子的VSEPR模型为四面体形，D项错误。
5．回答下列问题
(1)图(a)为S8的结构，其硫原子的杂化轨道类型为________________。
(2)气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的空间结构为________；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为________。
(3)COCl2分子中所有原子均满足8电子结构，COCl2分子中σ键和π键的个数比为________，中心原子的杂化轨道类型为________________。
(4)As4O6的分子结构如图所示，其中As原子的杂化轨道类型为_______________________。
(5)AlH中，Al原子的杂化轨道类型为________。
答案 (1) sp3 (2)平面三角形 sp3 (3)3∶1 sp2 (4)sp3 (5)sp3
题组一 杂化轨道及类型
1．下列关于杂化轨道的说法中，错误的是( )
A．ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道
B．杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键
C．s轨道和p轨道杂化不可能有sp4杂化轨道出现
D．孤电子对有可能参加杂化
答案 B
解析 ⅠA族元素如果是碱金属，易失电子，如果是H，一个电子在1s能级上，不可能杂化；杂化轨道只能形成σ键，不可能形成π键；p能级只有3个p轨道，不可能有sp4杂化。
2．下列关于原子轨道的说法正确的是( )
A．凡中心原子采取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1个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等的新轨道
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
答案 C
解析 中心原子采取sp3杂化的分子，VSEPR模型是四面体形，但其空间结构不一定是四面体形，如：水和氨气分子中中心原子采取sp3杂化，但H2O是V形，NH3是三角锥形，故A错误；CH4中sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近的一个2s轨道和3个2p轨道杂化形成，1s轨道和2p轨道的能量差别较大，不能形成杂化轨道，故B错误；同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化可混合起来形成一组能量相同的新轨道，杂化轨道数＝孤电子对数＋与之相连的原子数，故C正确；BF3中B原子的价层电子对数为3，B原子的杂化类型为sp2杂化，故D错误。
3．水分子在特定条件下容易得到一个H＋，形成水合氢离子(H3O＋)。下列对上述过程的描述不合理的是( )
A．氧原子的杂化轨道类型发生了改变
B．微粒的形状发生了改变
C．微粒的化学性质发生了改变
D．微粒中的键角发生了改变
答案 A
解析 水中氧的杂化轨道类型为sp3，H3O＋中氧的杂化轨道类型为sp3，则氧原子的杂化类型没有改变，故A不合理；水分子为V形，H3O＋为三角锥形，则微粒的形状发生了改变，故B合理；因结构不同，则性质不同，微粒的化学性质发生了改变，故C合理；水分子为V形，H3O＋为三角锥形，微粒中的键角发生了改变，故D合理。
4．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。下列关于有机物分子的成键方式的描述不正确的是( )
A．烷烃分子中碳原子均采用sp3杂化轨道成键
B．炔烃分子中碳碳三键由1个σ键、2个π键组成
C．甲苯分子中所有碳原子均采用sp2杂化轨道成键
D．苯环中存在6个碳原子共有的大π键
答案 C
解析 烷烃分子中碳原子均形成4个键，杂化轨道数为4，均采取sp3杂化。碳碳三键由1个σ键、2个π键组成；苯环中碳原子采取sp2杂化，6个碳原子上未参与成键的p电子形成一个大π键；甲苯分子中—CH3中的C采用sp3杂化。
5．某有机物由H、C、O三种元素组成，其球棍模型结构如图：
下列关于该有机物的叙述正确的是( )
A．该有机物中发生sp2杂化的碳原子有7个
B．该有机物不含sp2杂化的碳原子
C．分子中含有5个π键
D．构成环的所有碳原子可能在同一个平面上
答案 D
解析 该有机物中共有10个碳原子，苯环上的碳原子及连有双键的9个碳原子是sp2杂化，甲基中的碳原子是sp3杂化，A、B不正确；分子中碳碳双键和碳氧双键中均含1个π键，苯环形成1个大π键，故分子中含有3个π键，C不正确；构成环的所有碳原子形成苯环，在同一个平面上，D正确。
题组二 杂化轨道类型的判断
6．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BF，则BF3和BF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
答案 C
7．下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是( )
A．乙醛[]
B．丙烯腈[]
C．甲醛[]
D．丙炔[]
答案 A
8．氯化亚砜(SOCl2)可作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是 ( )
A．三角锥形、sp3 B．V形、sp2
C．平面三角形、sp2 D．三角锥形、sp2
答案 A
9．下列关于NH、NH3、NH三种微粒的说法不正确的是( )
A．三种微粒所含有的电子数相等
B．三种微粒中氮原子的杂化方式相同
C．三种微粒的空间结构相同
D．键角大小关系：NH>NH3>NH
答案 C
解析 NH、NH3、NH含有的电子数均为10，A正确；NH、NH3、NH三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化，B正确；NH为正四面体形，NH3为三角锥形，NH为V形，C错误；NH、NH3、NH三种微粒的键角大小关系为NH>NH3>NH，D正确。
10．以下说法正确的是( )
A．含有四个原子的分子的空间结构不可能为正四面体形
B．分子式为AB2的分子的空间结构一定为V形
C．在SO中硫原子的杂化方式为sp2，是正四面体形结构
D．CO中心碳原子的孤电子对数为0，故其结构为平面三角形
答案 D
解析 P4分子的空间结构是正四面体形，A错；BeCl2中铍原子成键电子对数是2，是sp杂化，分子是直线形，B错；在SO中硫原子的孤电子对数是0，与其相连的原子数为4，根据杂化轨道理论可推知硫原子为sp3杂化，SO的空间结构是正四面体形，C错误；CO中心碳原子的成键电子对数为3，孤电子对数为(4＋2－3×2)＝0，该离子是平面三角形结构，D正确。
11．下列说法正确的是( )
A．PCl3分子是三角锥形，这是因为磷原子是sp2杂化的结果
B．sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道
C．中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或V形
D．AB3型的分子空间结构必为平面三角形
答案 C
解析 PCl3中P原子形成3个σ键，P上还有1个孤电子对，P为sp3杂化，PCl3分子是三角锥形，A项错误；sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道，B项错误；中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形(如CH3Cl)或三角锥形(如NH3)或V形(如H2O)，C项正确；AB3型的分子空间结构可能为平面三角形(如BF3)或三角锥形(如NH3)，D项错误。
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
答案 B
解析 A分子中碳、氮原子各形成了3个σ键，氮原子有1个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；1个A分子中有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形结构，不可能共平面，D项错误。
13．已知下列微粒：①CH4 ②CH2==CH2 ③CH≡CH ④NH3 ⑤NH ⑥BF3 ⑦H2O ⑧H2O2。试回答下列问题：
(1)分子空间结构为正四面体形的是________(填序号，下同)。
(2)中心原子为sp3杂化的是________，中心原子为sp2杂化的是________，中心原子为sp杂化的是________。
(3)所有原子共平面(含共直线)的是________，共直线的是________。
答案 (1)①⑤
(2)①④⑤⑦⑧ ②⑥ ③
(3)②③⑥⑦ ③
解析 ①CH4中C原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝4＋0＝4，所以C原子采取sp3杂化，CH4的空间结构为正四面体形；②CH2==CH2中C原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝3＋0＝3，所以C原子采取sp2杂化，CH2==CH2中所有原子共平面；③CH≡CH中C原子采取sp杂化，CH≡CH的空间结构为直线形；④NH3中N原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝3＋1＝4，所以N原子采取sp3杂化，NH3的空间结构为三角锥形；⑤NH中N原子采取sp3杂化，NH的空间结构为正四面体形；⑥BF3中B原子杂化轨道数＝σ键数＋孤电子对数＝3＋0＝3，所以B原子采取sp2杂化，BF3的空间结构为平面三角形。
14．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________(填分子式)，该分子的空间结构是________。
(2)下列关于PCl5分子的说法正确的有________(填字母)。
A．PCl5分子中磷原子没有孤电子对
B．PCl5分子中没有形成π键
C．PCl5分子中所有的Cl—P—Cl键角都相等
(3)N、P是同一族元素，P能形成PCl3、PCl5两种氯化物，而N只能形成一种氯化物NCl3，而不能形成NCl5，原因是_____________________________________________________。
(4)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：__________________________________。
(5)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中H元素的化合价为________和________；该化合物中N原子的杂化方式为________杂化。
答案 (1)PCl3 三角锥形 (2)AB (3)N原子最外层无d轨道，不能发生sp3d杂化，故无NCl5 (4)不对，因为N原子没有2d轨道 (5)＋1 －1 sp3
15．“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：
(1)写出基态碳原子的电子排布式：________。
(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________、________、________。
(3)一个三聚氰胺分子中有________个σ键。
(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
答案 (1)1s22s22p2
(2)sp sp2 sp3
(3)15
(4)sp2 C
解析 (2)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，所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。(3)除每个双键上有1个π键外，其余均为σ键，共15个。
(4)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。