2.2 第1课时 一些典型分子的空间结构与杂化轨道理论 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2
文档属性
| 名称 | 2.2 第1课时 一些典型分子的空间结构与杂化轨道理论 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 175.4KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-06 14:40:02 | ||
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文档简介
2.2 第1课时 一些典型分子的空间结构与杂化轨道理论
【学习目标】
1.了解典型的分子空间结构,能够制作典型分子的空间模型。
2.了解杂化轨道理论,掌握常见的杂化轨道类型。
3.能够应用杂化轨道理论解释典型分子的空间结构。
【自主预习】
1.甲烷分子的空间结构
(1)杂化原子轨道(杂化轨道)
原子轨道
的杂化→原子内部 的原子轨道重新
组合的过程
↓形成
杂化轨道→组合后形成的一组新的
的原子轨道
(2)甲烷分子中碳原子的杂化类型
(3)杂化轨道类型与分子空间结构
杂化类型 sp sp2
用于杂化的原子轨道数目 2 3 4
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
实例 CH≡CH、BeCl2 CH2CH2、BF3 CH4
2.苯分子的空间结构
(1)苯分子中碳原子的成键方式及空间结构
(2)苯分子空间结构的解释
每个碳原子的两个sp2杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成 键,于是六个碳原子组成一个 的碳环;另外一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的 轨道重叠形成σ键。同时,还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,以“ ”的方式形成多原子、多电子的大π键。
【参考答案】1.(1)能量相近 能量相同 (2)2s 2p 相同
(3)sp3 直线形 平面三角形 正四面体形
2.(1)sp2 sp2-sp2 sp2-s (2)σ 正六边形 1s 肩并肩
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)杂化轨道数目和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空间结构都是正四面体形。 ( )
(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)BCl3中的B原子采取sp2杂化,空间结构为平面三角形。 ( )
(6)PH3中的P原子采取sp3杂化,空间结构为正四面体形。 ( )
(7)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。 ( )
(8)杂化轨道用于形成π键。 ( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2.是否任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道
【答案】否,只有能量相近的s轨道和p轨道才可以发生杂化,形成杂化轨道。
3.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。下面是硼氮苯的结构式。
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
【答案】均是sp2杂化。
②硼氮苯中,主要有哪几种类型的共价键
【答案】主要有B与H之间的sp2-s σ键、N与H之间的sp2-s σ键、B和N之间的sp2-sp2σ键和一个大π键。
4.NH3和BCl3均符合通式AX3,但NH3分子呈三角锥形而BCl3分子呈平面正三角形,请解释原因。
【答案】NH3分子中N原子上有未成键的孤电子对,对N—H键有排斥作用,故呈三角锥形;BCl3分子中B原子上无孤电子对,故呈正三角形。
5.分子中σ键和π键数目之比为多少 其中σ键采 用哪种原子轨道的重叠方式
【答案】1个该分子中含3个σ键和1个π键,故σ键和π键数目之比为3∶1;C—H键采用sp2-s重叠方式,CO键采用sp2-p重叠方式。
【合作探究】
任务1：杂化轨道与杂化轨道理论
情境导入 鲍林——美国著名化学家,1954年因在化学键方面的工作获得诺贝尔化学奖,1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖。
鲍林在探索化学键理论时,遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。为了解释甲烷的正四面体结构,说明碳原子四个键的等价性,鲍林在1928~1931年,提出了杂化轨道的理论。
问题生成
1.写出碳原子的价层电子排布,这些价层电子的能量是否相同
【答案】2s22p2,这些价层电子的能量不完全相同,2s轨道与2p轨道的能量不同。
2.碳原子的2s轨道的能量与2p轨道的能量是否有很大的差别
【答案】没有很大的差别。2s轨道与2p轨道都处于第二能层,能量有差别但差别不是很大。
3.碳原子的2s轨道电子能进入2p轨道吗
【答案】能。2s轨道的电子激发后可以进入2p轨道。
4.甲烷(CH4)中碳原子是如何杂化的
【答案】在CH4分子中,碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道,因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同,由此可以写出CH4中碳原子成键方式的示意图为
【核心归纳】
杂化轨道理论要点
1.只有能量相近的原子轨道才能杂化。
2.杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等,杂化轨道能量相同。
3.杂化改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子形成的共价键更牢固。
4.杂化轨道为使相互间的排斥力最小,故在空间取最大夹角分布,不同的杂化轨道伸展方向不同。
5.杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。
6.未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
7.原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,孤立的原子不可能发生杂化。
【典型例题】
【例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
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,有利于形成较强的键
D.杂化轨道中不一定有电子
【答案】A
【解析】只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,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,形成较强的化学键,C项正确;并不是所有的杂化轨道中都含有电子,可以是空轨道,也可以有一对孤电子对(如NH3、H2O的形成),D项正确。
【例2】下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是( )。
A.由同一能层上的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能级成分占三分之一
D.sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
【答案】D
【解析】同一能层上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轨道杂化而成的三个能量相同的轨道,C项正确;sp2杂化轨道最多可形成3个σ键,D项错误。
任务2：杂化轨道类型与分子空间结构的关系
情境导入 聚乙炔属于本征导电聚合物,利用本征导电聚合物处于中性状态和掺杂充电状态时的颜色可逆转换这一特性,可制成透明度可调的智能窗。夏季时,智能窗调成深色,吸收部分日光,可保持室内凉爽。冬季白天将智能窗调成透明,让可见光和红外线辐射进入室内,作为取暖的热源。冬季夜间又将智能窗调成深色,不让室内热量逸散到室外,智能窗起到了保暖作用。
问题生成
已知乙炔的结构简式为HC≡CH,在一定条件下聚合生成聚乙炔 CHCH 。银色的聚乙炔薄膜是纯净的反式聚乙炔,其结构片段如图所示。另一种与聚乙炔具有相同最简式的有机物——立方烷,其相对分子质量是104。此外,CH≡C—CHCH2也与乙炔的最简式相同。
1.根据乙炔的结构简式HC≡CH,判断其空间结构和中心原子杂化类型。
【答案】直线形 ; sp杂化。
2.推测聚乙炔 CHCH 的空间结构,判断其中心原子杂化类型。
【答案】平面形;sp2杂化。
3.根据立方烷的结构特征,判断碳原子的杂化类型。
【答案】sp3杂化。
4.根据CH≡C—CHCH2的结构,判断碳原子的杂化类型。
【答案】sp杂化和sp2杂化。
【核心归纳】
1.判断中心原子杂化轨道类型的方法
(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形或三角锥形,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。
(4)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。
2.中心原子杂化轨道类型与分子空间结构的相互判断
轨道杂化 类型 杂化理 论模型 成键电子 对数 孤对电子 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
3.杂化类型与键角大小比较
(1)杂化类型相同,中心原子价层上孤电子对数越多,键角越小。例如,键角:SiH4>PH3>H2S。
(2)杂化类型不同,中心原子相同,键角大小:sp>sp2>sp3。例如,键角:CH4(3)杂化类型相同,中心原子价层上孤电子对数相同,原子半径越小,电子对之间排斥力越大,键角越大。例如,键角:NH3>PH3>AsH3。
(4)杂化类型相同,中心原子价层上孤电子对数相同,另一个原子对孤电子对吸引力越大,键角越小。例如,键角:NF3【典型例题】
【例3】指出下列原子的杂化轨道类型及分子的结构式、空间结构。
(1)CO2分子中的C原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
(2)CH2O分子中的C原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
(3)CF4分子中的C原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
(4)H2S分子中的S原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
【答案】(1)sp OCO 直线形
(2)sp2 平面三角形
(3)sp3 正四面体形
(4)sp3 H—S—H 角形
【例4】下列分子中键角最大的是( )。
A.H2O B.CO2 C.BF3 D.CH4
【答案】B
【解析】四个选项中键角最大的为直线形的CO2分子,键角为180°,其次为平面三角形分子BF3,键角为120°,再次为正四面体形分子CH4,键角为109°28',最小的是角形分子H2O,由于水分子中存在2个孤电子对,其对成键电子对的排斥作用较强,键角被压缩到更小。
【例5】下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是( )。
①BF3 ② ③ ④C2H2 ⑤N2H4 ⑥
A.①②③ B.①②⑥
C.②③⑤ D.③④⑥
【答案】B
【解析】①BF3分子中硼原子杂化轨道数为3,所以采取sp2杂化,符合;②中心原子C形成3个σ键且无孤电子对,所以采取sp2杂化,符合;③中心原子S形成3个σ键和1对孤电子对,所以采取sp3杂化,不符合;④C2H2中心原子C形成2个σ键且无孤电子对,所以采取sp杂化,不符合;⑤N2H4中心原子N形成3个σ键和1对孤电子对,所以采取sp3杂化,不符合;⑥苯分子中碳原子采取sp2杂化,符合。
规律方法：判断分子中中心原子杂化方式的方法
(1)分子的结构决定于中心原子形成的σ键和孤电子对数,与π键无关。与几个原子结合,就形成几个σ键。
(2)中心原子上孤电子对数可以用以下公式计算:
如判断SO2的分子空间结构:σ键数为2,孤电子对数==1。则S原子采取sp2杂化,略去孤电子对,分子结构呈角形。
【随堂检测】
1.下列说法正确的是( )。
A.H2SO4分子中三种原子均以杂化轨道成键
B.N的电子式为[H]+,该离子呈平面正方形
C.CH4分子中的4个C—H键都是由氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道重叠形成的
D.CH4分子中碳原子的sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H键
【答案】D
【解析】H2SO4分子中H、O原子没有发生轨道杂化,A项错误;N呈正四面体形,B项错误;CH4分子中碳原子的2s轨道与2p轨道进行杂化形成4个sp3杂化轨道,然后碳原子的sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道重叠形成C—H σ键,C项错误,D项正确。
2.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色的原因是( )。
A.分子是平面结构
B.分子中只存在σ键
C.苯不具有还原性
D.分子中存在6电子大π键,结构稳定
【答案】D
【解析】苯分子中碳原子之间的键不是单纯的单键或双键,而是介于单、双键之间的独特的键,即存在6个电子的大π键,结构稳定,不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,所以选D项。
3.PCl3分子的空间结构是( )。
A.平面三角形,键角小于120°
B.平面三角形,键角为120°
C.三角锥形,键角小于109°28'
D.三角锥形,键角为109°28'
【答案】C
【解析】PCl3中P原子采取sp3杂化,P原子含有1对孤电子对,PCl3的空间结构为三角锥形,键角小于109°28'。
4.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】两边的碳原子均形成4个σ键,应采用sp3杂化;中间的碳原子形成3个σ键,1个π键,应采用sp2杂化。
5.(1)在形成氨气分子时,氮原子中的原子轨道发生sp3杂化形成4个 ,形成的4个杂化轨道中,有 个含有未成对电子,所以能与 个氢原子形成共价键,又因为4个杂化轨道中有一对 ,所以氨气分子中的键角与甲烷不同。
(2)H+可与H2O形成H3O+,H3O+中O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 。
【答案】(1)sp3杂化轨道 3 3 孤电子对 (2)sp3 H3O+分子中有一对孤电子对,H2O分子中有两对孤电子对,H2O中孤电子对对H—O的排斥力大于H3O+,造成H3O+中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大
【解析】(1)在形成NH3分子时,氮原子的2p轨道和2s轨道发生sp3杂化,形成4个杂化轨道:,含有一对孤电子对,3个未成键的单电子,可以与3个氢原子形成3个σ键。
2
【学习目标】
1.了解典型的分子空间结构,能够制作典型分子的空间模型。
2.了解杂化轨道理论,掌握常见的杂化轨道类型。
3.能够应用杂化轨道理论解释典型分子的空间结构。
【自主预习】
1.甲烷分子的空间结构
(1)杂化原子轨道(杂化轨道)
原子轨道
的杂化→原子内部 的原子轨道重新
组合的过程
↓形成
杂化轨道→组合后形成的一组新的
的原子轨道
(2)甲烷分子中碳原子的杂化类型
(3)杂化轨道类型与分子空间结构
杂化类型 sp sp2
用于杂化的原子轨道数目 2 3 4
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
实例 CH≡CH、BeCl2 CH2CH2、BF3 CH4
2.苯分子的空间结构
(1)苯分子中碳原子的成键方式及空间结构
(2)苯分子空间结构的解释
每个碳原子的两个sp2杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成 键,于是六个碳原子组成一个 的碳环;另外一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的 轨道重叠形成σ键。同时,还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,以“ ”的方式形成多原子、多电子的大π键。
【参考答案】1.(1)能量相近 能量相同 (2)2s 2p 相同
(3)sp3 直线形 平面三角形 正四面体形
2.(1)sp2 sp2-sp2 sp2-s (2)σ 正六边形 1s 肩并肩
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)杂化轨道数目和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空间结构都是正四面体形。 ( )
(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)BCl3中的B原子采取sp2杂化,空间结构为平面三角形。 ( )
(6)PH3中的P原子采取sp3杂化,空间结构为正四面体形。 ( )
(7)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。 ( )
(8)杂化轨道用于形成π键。 ( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2.是否任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道
【答案】否,只有能量相近的s轨道和p轨道才可以发生杂化,形成杂化轨道。
3.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。下面是硼氮苯的结构式。
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
【答案】均是sp2杂化。
②硼氮苯中,主要有哪几种类型的共价键
【答案】主要有B与H之间的sp2-s σ键、N与H之间的sp2-s σ键、B和N之间的sp2-sp2σ键和一个大π键。
4.NH3和BCl3均符合通式AX3,但NH3分子呈三角锥形而BCl3分子呈平面正三角形,请解释原因。
【答案】NH3分子中N原子上有未成键的孤电子对,对N—H键有排斥作用,故呈三角锥形;BCl3分子中B原子上无孤电子对,故呈正三角形。
5.分子中σ键和π键数目之比为多少 其中σ键采 用哪种原子轨道的重叠方式
【答案】1个该分子中含3个σ键和1个π键,故σ键和π键数目之比为3∶1;C—H键采用sp2-s重叠方式,CO键采用sp2-p重叠方式。
【合作探究】
任务1：杂化轨道与杂化轨道理论
情境导入 鲍林——美国著名化学家,1954年因在化学键方面的工作获得诺贝尔化学奖,1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖。
鲍林在探索化学键理论时,遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。为了解释甲烷的正四面体结构,说明碳原子四个键的等价性,鲍林在1928~1931年,提出了杂化轨道的理论。
问题生成
1.写出碳原子的价层电子排布,这些价层电子的能量是否相同
【答案】2s22p2,这些价层电子的能量不完全相同,2s轨道与2p轨道的能量不同。
2.碳原子的2s轨道的能量与2p轨道的能量是否有很大的差别
【答案】没有很大的差别。2s轨道与2p轨道都处于第二能层,能量有差别但差别不是很大。
3.碳原子的2s轨道电子能进入2p轨道吗
【答案】能。2s轨道的电子激发后可以进入2p轨道。
4.甲烷(CH4)中碳原子是如何杂化的
【答案】在CH4分子中,碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道,因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同,由此可以写出CH4中碳原子成键方式的示意图为
【核心归纳】
杂化轨道理论要点
1.只有能量相近的原子轨道才能杂化。
2.杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等,杂化轨道能量相同。
3.杂化改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子形成的共价键更牢固。
4.杂化轨道为使相互间的排斥力最小,故在空间取最大夹角分布,不同的杂化轨道伸展方向不同。
5.杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。
6.未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
7.原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,孤立的原子不可能发生杂化。
【典型例题】
【例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
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,有利于形成较强的键
D.杂化轨道中不一定有电子
【答案】A
【解析】只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,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,形成较强的化学键,C项正确;并不是所有的杂化轨道中都含有电子,可以是空轨道,也可以有一对孤电子对(如NH3、H2O的形成),D项正确。
【例2】下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是( )。
A.由同一能层上的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能级成分占三分之一
D.sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
【答案】D
【解析】同一能层上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轨道杂化而成的三个能量相同的轨道,C项正确;sp2杂化轨道最多可形成3个σ键,D项错误。
任务2：杂化轨道类型与分子空间结构的关系
情境导入 聚乙炔属于本征导电聚合物,利用本征导电聚合物处于中性状态和掺杂充电状态时的颜色可逆转换这一特性,可制成透明度可调的智能窗。夏季时,智能窗调成深色,吸收部分日光,可保持室内凉爽。冬季白天将智能窗调成透明,让可见光和红外线辐射进入室内,作为取暖的热源。冬季夜间又将智能窗调成深色,不让室内热量逸散到室外,智能窗起到了保暖作用。
问题生成
已知乙炔的结构简式为HC≡CH,在一定条件下聚合生成聚乙炔 CHCH 。银色的聚乙炔薄膜是纯净的反式聚乙炔,其结构片段如图所示。另一种与聚乙炔具有相同最简式的有机物——立方烷,其相对分子质量是104。此外,CH≡C—CHCH2也与乙炔的最简式相同。
1.根据乙炔的结构简式HC≡CH,判断其空间结构和中心原子杂化类型。
【答案】直线形 ; sp杂化。
2.推测聚乙炔 CHCH 的空间结构,判断其中心原子杂化类型。
【答案】平面形;sp2杂化。
3.根据立方烷的结构特征,判断碳原子的杂化类型。
【答案】sp3杂化。
4.根据CH≡C—CHCH2的结构,判断碳原子的杂化类型。
【答案】sp杂化和sp2杂化。
【核心归纳】
1.判断中心原子杂化轨道类型的方法
(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形或三角锥形,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。
(4)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。
2.中心原子杂化轨道类型与分子空间结构的相互判断
轨道杂化 类型 杂化理 论模型 成键电子 对数 孤对电子 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
3.杂化类型与键角大小比较
(1)杂化类型相同,中心原子价层上孤电子对数越多,键角越小。例如,键角:SiH4>PH3>H2S。
(2)杂化类型不同,中心原子相同,键角大小:sp>sp2>sp3。例如,键角:CH4
(4)杂化类型相同,中心原子价层上孤电子对数相同,另一个原子对孤电子对吸引力越大,键角越小。例如,键角:NF3
【例3】指出下列原子的杂化轨道类型及分子的结构式、空间结构。
(1)CO2分子中的C原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
(2)CH2O分子中的C原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
(3)CF4分子中的C原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
(4)H2S分子中的S原子为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
【答案】(1)sp OCO 直线形
(2)sp2 平面三角形
(3)sp3 正四面体形
(4)sp3 H—S—H 角形
【例4】下列分子中键角最大的是( )。
A.H2O B.CO2 C.BF3 D.CH4
【答案】B
【解析】四个选项中键角最大的为直线形的CO2分子,键角为180°,其次为平面三角形分子BF3,键角为120°,再次为正四面体形分子CH4,键角为109°28',最小的是角形分子H2O,由于水分子中存在2个孤电子对,其对成键电子对的排斥作用较强,键角被压缩到更小。
【例5】下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是( )。
①BF3 ② ③ ④C2H2 ⑤N2H4 ⑥
A.①②③ B.①②⑥
C.②③⑤ D.③④⑥
【答案】B
【解析】①BF3分子中硼原子杂化轨道数为3,所以采取sp2杂化,符合;②中心原子C形成3个σ键且无孤电子对,所以采取sp2杂化,符合;③中心原子S形成3个σ键和1对孤电子对,所以采取sp3杂化,不符合;④C2H2中心原子C形成2个σ键且无孤电子对,所以采取sp杂化,不符合;⑤N2H4中心原子N形成3个σ键和1对孤电子对,所以采取sp3杂化,不符合;⑥苯分子中碳原子采取sp2杂化,符合。
规律方法：判断分子中中心原子杂化方式的方法
(1)分子的结构决定于中心原子形成的σ键和孤电子对数,与π键无关。与几个原子结合,就形成几个σ键。
(2)中心原子上孤电子对数可以用以下公式计算:
如判断SO2的分子空间结构:σ键数为2,孤电子对数==1。则S原子采取sp2杂化,略去孤电子对,分子结构呈角形。
【随堂检测】
1.下列说法正确的是( )。
A.H2SO4分子中三种原子均以杂化轨道成键
B.N的电子式为[H]+,该离子呈平面正方形
C.CH4分子中的4个C—H键都是由氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道重叠形成的
D.CH4分子中碳原子的sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H键
【答案】D
【解析】H2SO4分子中H、O原子没有发生轨道杂化,A项错误;N呈正四面体形,B项错误;CH4分子中碳原子的2s轨道与2p轨道进行杂化形成4个sp3杂化轨道,然后碳原子的sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道重叠形成C—H σ键,C项错误,D项正确。
2.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色的原因是( )。
A.分子是平面结构
B.分子中只存在σ键
C.苯不具有还原性
D.分子中存在6电子大π键,结构稳定
【答案】D
【解析】苯分子中碳原子之间的键不是单纯的单键或双键,而是介于单、双键之间的独特的键,即存在6个电子的大π键,结构稳定,不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,所以选D项。
3.PCl3分子的空间结构是( )。
A.平面三角形,键角小于120°
B.平面三角形,键角为120°
C.三角锥形,键角小于109°28'
D.三角锥形,键角为109°28'
【答案】C
【解析】PCl3中P原子采取sp3杂化,P原子含有1对孤电子对,PCl3的空间结构为三角锥形,键角小于109°28'。
4.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】两边的碳原子均形成4个σ键,应采用sp3杂化;中间的碳原子形成3个σ键,1个π键,应采用sp2杂化。
5.(1)在形成氨气分子时,氮原子中的原子轨道发生sp3杂化形成4个 ,形成的4个杂化轨道中,有 个含有未成对电子,所以能与 个氢原子形成共价键,又因为4个杂化轨道中有一对 ,所以氨气分子中的键角与甲烷不同。
(2)H+可与H2O形成H3O+,H3O+中O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 。
【答案】(1)sp3杂化轨道 3 3 孤电子对 (2)sp3 H3O+分子中有一对孤电子对,H2O分子中有两对孤电子对,H2O中孤电子对对H—O的排斥力大于H3O+,造成H3O+中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大
【解析】(1)在形成NH3分子时,氮原子的2p轨道和2s轨道发生sp3杂化,形成4个杂化轨道:,含有一对孤电子对,3个未成键的单电子,可以与3个氢原子形成3个σ键。
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