第2节 共价键与分子的空间结构
第1课时 分子空间结构的理论分析
学习目标 1.了解杂化轨道理论的基本内容。2.能根据有关理论判断简单分子或离子的立体构型。
一、杂化轨道理论
1.杂化轨道
(1)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 ,组合后形成的一组新的原子轨道叫作杂化原子轨道,简称 。
(2)杂化轨道特点:s轨道和p轨道杂化后,杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的 ,
而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更 。
2.甲烷(CH4)分子中碳原子的杂化
(1)杂化轨道形成
(2)甲烷分子形成
3.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 ns
np
杂化轨道的数目
杂化轨道间的夹角
4.杂化轨道理论四要点
(1)能量相近
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。
(2)数目不变
形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。
(3)成键能力增强
杂化改变原有轨道的空间取向,使原子形成的共价键更牢固。
(4)排斥力最小
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。
1.下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是 ( )
2.用鲍林的杂化轨道理论解释CH4分子的正四面体结构,下列说法不正确的是 ( )
A.C原子的4个杂化轨道的能量一样
B.C原子的sp3杂化轨道之间夹角一样
C.C原子的4个价电子分别占据4个sp3杂化轨道
D.C原子有1个sp3杂化轨道由孤电子对占据
3.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
【题后归纳】 理解杂化理论的三个注意点
(1)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轨道数相等的杂化轨道。
(2)杂化轨道可用于形成σ键,也可用来容纳未参与成键的孤电子对,不可形成π键。
(3)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,单个的原子是不可能发生杂化的。
二、典型分子的空间结构
1.甲烷
甲烷分子中每两个sp3杂化轨道的夹角109°28',碳原子中每个杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成一个共价键,从而使甲烷分子具有 结构。
2.乙烯
形成乙烯分子时碳原子采用 杂化,三个sp2杂化轨道和一个未参与杂化的p轨道中各有一个未成对电子。两个碳原子各以一个sp2杂化轨道重叠形成一个 键,同时以p轨道重叠形成一个 键,每个碳原子都以另外两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个σ键。乙烯分子6个原子在同一平面内。
3.乙炔
乙炔分子中的碳原子采用 杂化,两个碳原子之间存在着一个 键和两个 键,乙炔的结构为 形。
4.苯
(1)苯分子形成时每个碳原子的价电子原子轨道都发生了 杂化,每个杂化轨道上有一个 电子,每个碳原子的两个 杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的 杂化轨道重叠形成 键,六个碳原子组成一个正六边形的碳环,每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成 键。
(2)每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,以“肩并肩”的方式相互重叠,形成属于六个碳原子的π键,形象地称为 键。
(3)苯分子中,六个碳原子和六个氢原子都在同一个平面内,整个分子呈 ,键角皆为 。
5.氨
(1)形成氨分子时氮原子发生了sp3杂化,生成了四个sp3杂化轨道,其中有三个轨道各含有一个 电子,可分别与一个氢原子的1s电子形成一个σ键。
(2)在另一个 杂化轨道中,含有一对未成键的电子,称为孤电子对,它对成键电子对的排斥作用较强,使NH3分子空间结构成为 (如图)。
6.ABm型分子的杂化轨道类型与分子的空间结构
ABm 中心原 子杂化 类型 杂化轨 道空间 结构 分子空 间结构 实例
AB2 sp 直线形 直线形 CO2、CS2、 BeCl2等
AB3 sp2 平面 三角形 平面 三角形 BF3、BCl3、BBr3、 SO3、N等
AB2 V形 或角形 SO2
AB4 sp3 正四 面体形 正四 面体形 CH4、SiF4、 N、S、 P、Si
AB3 三角锥形 NH3、PCl3、NF3
AB2或 A2B V形 或角形 H2S、 N、H2O
4.下列分子中的碳原子采用sp2杂化的是 ( )
A.C2H2 B.CS2
C.HCHO D.C3H8
5.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
6.下列分子中,中心原子的杂化类型相同,分子的空间结构也相同的是 ( )
A.H2O、SO2 B.BeCl2、CO2
C.H2O、NH3 D.NH3、HCHO
【题后归纳】
1.杂化轨道类型的判断
(1)根据杂化轨道之间的夹角判断
杂化轨道类型与轨道夹角的关系
(2)根据分子(或离子)的空间结构判断
空间结构 中心原子杂化类型
正四面体形 sp3杂化
三角锥形
平面三角形 sp2杂化
直线形 sp杂化
(3)通过求算中心原子的杂化轨道数目判断
①对于ABm型分子,中心原子A的杂化轨道数目为
n=
n=2时,为sp杂化;n=3时,为sp2杂化;n=4时,为sp3杂化。
②配位原子B为氧原子或硫原子时,成键电子数为0;配位原子为氢原子或ⅦA族元素原子时,每个配位原子有一个成键电子。
2.有机物分子中碳原子杂化类型的判断
(1)根据碳原子形成的σ键数目判断
有机物中,碳原子杂化轨道形成σ键,未杂化轨道形成π键。
(2)由碳原子的饱和程度判断
①饱和碳原子采取sp3杂化;
②双键上的碳原子或苯环上的碳原子采取sp2杂化;
③三键上的碳原子采取sp杂化。
1.下列有关杂化轨道的说法不正确的是 ( )
A.轨道杂化前后数目相等,形状、能量不同
B.杂化轨道既可能形成σ键,也可能形成π键
C.杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理
D.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
2.下列关于原子轨道的说法正确的是( )
A.中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其空间结构都是四面体形
B.CH4中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混杂而形成的
C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂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均采取sp3杂化轨道成键
3.下列关于NH3和CO2的说法正确的是 ( )
A.都是直线形结构
B.中心原子都采取sp杂化
C.NH3为三角锥形结构,CO2为直线形结构
D.N原子和C原子上都没有孤电子对
4.在以下的分子或离子中,空间结构的几何形状不是三角锥形的是 ( )
A.NF3 B.C
C.BF3 D.H3O+
5.有机物中碳原子的杂化类型是有规律的:当碳原子全部形成单键时,其为 杂化;当其形成的键中有一个双键时,其为 杂化;当其形成的键中有一个三键时,其为 杂化。苯分子中碳原子的杂化类型为 杂化,CH3CHCH2分子中,中间的碳原子的杂化类型为 ,该分子中有 个σ键与 个π键。
第1课时 分子空间结构的理论分析
一、(1)杂化 杂化轨道 (2)空间取向 牢固 2.(1)2s 2p 能量相同 3.1 1 1 1 2 3 2 3 4 180° 120° 109°28'
对点训练
1.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.D [甲烷中C原子采取sp3杂化,每个杂化轨道上1个电子分别与1个H原子上的电子结合形成共价键,这四个共价键完全相同,轨道间的夹角约为109°28',形成正四面体形的分子。]
3.A [sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28'、120°、180°,故A项正确。]
二、1.正四面体形 2.sp2 σ π 3.sp σ π 直线 4.(1)sp2 未成对 sp2 sp2 σ σ (2)大π (3)平面正六边形 120° 5.(1)未成对 (2)sp3 三角锥形
对点训练
4.C [饱和C原子采取sp3杂化,双键C原子采取sp2杂化,三键C原子采取sp杂化,所以C2H2中的C原子采取sp杂化,HCHO分子中含有碳氧双键,C原子采取sp2杂化,C3H8中的C原子采取sp3杂化,CS2中C原子采取sp杂化。]
5.C [中间的碳原子形成了一个π键,p轨道形成π键,3个p轨道减去一个p轨道,则两个p轨道参与杂化,杂化方式是sp2;两边的碳原子各自形成了4个σ键,需要形成4个杂化轨道,采用的是sp3杂化。]
6.B [A项,H2O中氧原子为sp3杂化,分子的空间结构为角形,SO2中硫原子为sp2杂化,分子的空间结构为角形;B项,BeCl2和CO2的中心原子都是sp杂化,分子的空间结构都为直线形;C项,NH3中氮原子为sp3杂化,分子的空间结构为三角锥形;D项,HCHO中碳原子为sp2杂化,分子的空间结构为平面三角形。]
课堂达标训练
1.B [轨道杂化前后数目相等,轨道形状发生变化,A正确;杂化轨道只能用于形成σ键或容纳孤电子对,不能形成π键,π键是轨道之间“肩并肩”形成的,B错误;杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理,这样能量才能最低,分子才能最稳定,C正确;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,但轨道个数不变,轨道形状发生变化,D正确。]
2.C [中心原子采取sp3杂化的分子,其空间结构不一定是四面体形,如:水和氨气分子,中心原子均采取sp3杂化,但H2O的空间结构是角形,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2s轨道和3个2p轨道杂化形成的,故B错误;同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂可形成一组能量相同的新轨道,故C正确;BF3中B原子的杂化轨道类型为sp2,故D错误。]
3.C [NH3和CO2分子的中心原子分别采取sp3杂化、sp杂化,但NH3分子的N原子上有1对孤电子对未参与成键,根据杂化轨道理论,NH3的空间结构应为三角锥形,CO2的空间结构为直线形。]
4.C [NF3、C和H3O+的中心原子N、C、O均采用sp3杂化,但是均只形成3个化学键,有1个杂化轨道被孤电子对占据,又由于价电子对相互排斥,所以空间结构为三角锥形;BF3中的B采用sp2杂化,空间结构为平面三角形,故选C。]
5.sp3 sp2 sp sp2 sp2 8 1
解析 当碳原子全部以单键的形式与其他原子成键时,形成了4个σ键,故此时为sp3杂化;当形成一个双键时,碳原子形成了3个σ键、没有孤电子对,故参加杂化的轨道数为3,此时为sp2杂化;当形成一个三键时,参加杂化的轨道数为2,杂化轨道类型为sp。(共66张PPT)
第 节 共价键与分子的空间结构
第 章 微粒间相互作用与物质性质
第 课时 分子空间结构的理论分析
2
2
1
1.了解杂化轨道理论的基本内容。
2.能根据有关理论判断简单分子或离子的立体构型。
学习目标
一、杂化轨道理论
二、典型分子的空间结构
目
录
CONTENTS
课堂达标训练
课后巩固训练
一、杂化轨道理论
对点训练
1.杂化轨道
(1)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______，组合后形成的一组新的原子轨道叫作杂化原子轨道，简称__________。
(2)杂化轨道特点：s轨道和p轨道杂化后，杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的__________，而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更______。
杂化
杂化轨道
空间取向
牢固
2.甲烷(CH4)分子中碳原子的杂化
(1)杂化轨道形成
2 s
2 p
能量相同
(2)甲烷分子形成
3.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 ns ____ ____ ____
np ____ ____ ____
杂化轨道的数目 ____ ____ ____
杂化轨道间的夹角 __________ __________ _________
1
1
1
1
2
3
2
3
4
180°
120°
109°28′
4.杂化轨道理论四要点
(1)能量相近
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。
(2)数目不变
形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。
(3)成键能力增强
杂化改变原有轨道的空间取向，使原子形成的共价键更牢固。
(4)排斥力最小
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。
1.下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是( )
D
解析 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.用鲍林的杂化轨道理论解释CH4分子的正四面体结构，下列说法不正确的是( )
A.C原子的4个杂化轨道的能量一样
B.C原子的sp3杂化轨道之间夹角一样
C.C原子的4个价电子分别占据4个sp3杂化轨道
D.C原子有1个sp3杂化轨道由孤电子对占据
解析 甲烷中C原子采取sp3杂化，每个杂化轨道上1个电子分别与1个H原子上的电子结合形成共价键，这四个共价键完全相同，轨道间的夹角约为109°28′，形成正四面体形的分子。
D
3.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。
A
【题后归纳】 理解杂化理论的三个注意点
(1)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轨道数相等的杂化轨道。
(2)杂化轨道可用于形成σ键，也可用来容纳未参与成键的孤电子对，不可形成π键。
(3)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，单个的原子是不可能发生杂化的。
二、典型分子的空间结构
对点训练
1.甲烷
甲烷分子中每两个sp3杂化轨道的夹角109°28′，碳原子中每个杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成一个共价键，从而使甲烷分子具有____________结构。
正四面体形
2.乙烯
形成乙烯分子时碳原子采用________杂化，三个sp2杂化轨道和一个未参与杂化的p轨道中各有一个未成对电子。两个碳原子各以一个sp2杂化轨道重叠形成一个____键，同时以p轨道重叠形成一个____键，每个碳原子都以另外两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个σ键。乙烯分子6个原子在同一平面内。
3.乙炔
乙炔分子中的碳原子采用______杂化，两个碳原子之间存在着一个____键和两个____键，乙炔的结构为______形。
sp2
σ
π
直线
sp
σ
π
4.苯
(1)苯分子形成时每个碳原子的价电子原子轨道都发生了________杂化，每个杂化轨道上有一个________电子，每个碳原子的两个________杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的________杂化轨道重叠形成____键，六个碳原子组成一个正六边形的碳环，每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成____键。
sp2
未成对
sp2
sp2
σ
σ
(2)每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道，以“肩并肩”的方式相互重叠，形成属于六个碳原子的π键，形象地称为______键。
(3)苯分子中，六个碳原子和六个氢原子都在同一个平面内，整个分子呈______________，键角皆为__________。
大π
平面正六边形
120°
5.氨
(1)形成氨分子时氮原子发生了sp3杂化，生成了四个sp3杂化轨道，其中有三个轨道各含有一个________电子，可分别与一个氢原子的1s电子形成一个σ键。
未成对
(2)在另一个________杂化轨道中，含有一对未成键的电子，称为孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强，使NH3分子空间结构成为__________ (如图)。
sp3
三角锥形
6.ABm型分子的杂化轨道类型与分子的空间结构
4.下列分子中的碳原子采用sp2杂化的是( )
A.C2H2 B.CS2 C.HCHO D.C3H8
解析 饱和C原子采取sp3杂化，双键C原子采取sp2杂化，三键C原子采取sp杂化，所以C2H2中的C原子采取sp杂化，HCHO分子中含有碳氧双键，C原子采取sp2杂化，C3H8中的C原子采取sp3杂化，CS2中C原子采取sp杂化。
C
C
解析 中间的碳原子形成了一个π键，p轨道形成π键，3个p轨道减去一个p轨道，则两个p轨道参与杂化，杂化方式是sp2；两边的碳原子各自形成了4个σ键，需要形成4个杂化轨道，采用的是sp3杂化。
6.下列分子中，中心原子的杂化类型相同，分子的空间结构也相同的是( )
A.H2O、SO2 B.BeCl2、CO2 C.H2O、NH3 D.NH3、HCHO
解析 A项，H2O中氧原子为sp3杂化，分子的空间结构为角形，SO2中硫原子为sp2杂化，分子的空间结构为角形；B项，BeCl2和CO2的中心原子都是sp杂化，分子的空间结构都为直线形；C项，NH3中氮原子为sp3杂化，分子的空间结构为三角锥形；D项，HCHO中碳原子为sp2杂化，分子的空间结构为平面三角形。
B
(2)根据分子(或离子)的空间结构判断
空间结构 中心原子杂化类型
正四面体形 sp3杂化
三角锥形 平面三角形 sp2杂化
直线形 sp杂化
课堂达标训练
1.下列有关杂化轨道的说法不正确的是( )
A.轨道杂化前后数目相等，形状、能量不同
B.杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键
C.杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理
D.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
解析 轨道杂化前后数目相等，轨道形状发生变化，A正确；杂化轨道只能用于形成σ键或容纳孤电子对，不能形成π键，π键是轨道之间“肩并肩”形成的，B错误；杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理，这样能量才能最低，分子才能最稳定，C正确；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，但轨道个数不变，轨道形状发生变化，D正确。
2.下列关于原子轨道的说法正确的是( )
A.中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是四面体形
B.CH4中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混杂而形成的
C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂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均采取sp3杂化轨道成键
C
解析 中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构不一定是四面体形，如：水和氨气分子，中心原子均采取sp3杂化，但H2O的空间结构是角形，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2s轨道和3个2p轨道杂化形成的，故B错误；同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂可形成一组能量相同的新轨道，故C正确；BF3中B原子的杂化轨道类型为sp2，故D错误。
3.下列关于NH3和CO2的说法正确的是( )
A.都是直线形结构
B.中心原子都采取sp杂化
C.NH3为三角锥形结构，CO2为直线形结构
D.N原子和C原子上都没有孤电子对
解析 NH3和CO2分子的中心原子分别采取sp3杂化、sp杂化，但NH3分子的N原子上有1对孤电子对未参与成键，根据杂化轨道理论，NH3的空间结构应为三角锥形，CO2的空间结构为直线形。
C
C
5.有机物中碳原子的杂化类型是有规律的：当碳原子全部形成单键时，其为________杂化；当其形成的键中有一个双键时，其为________杂化；当其形成的键中有一个三键时，其为________杂化。苯分子中碳原子的杂化类型为________杂化，CH3CH===CH2分子中，中间的碳原子的杂化类型为________，该分子中有________个σ键与________个π键。
sp3
sp2
sp
sp2
sp2
8
1
解析 当碳原子全部以单键的形式与其他原子成键时，形成了4个σ键，故此时为sp3杂化；当形成一个双键时，碳原子形成了3个σ键、没有孤电子对，故参加杂化的轨道数为3，此时为sp2杂化；当形成一个三键时，参加杂化的轨道数为2，杂化轨道类型为sp。
课后巩固训练
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
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，有利于牢固成键
D.杂化轨道中不一定有电子
A
解析 参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p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，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，可使原子轨道重叠程度更大，形成牢固的化学键，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、H2O)，故D项正确。
B
3.乙炔的结构式为H—C≡C—H，有关乙炔分子中化学键的描述不正确的是( )
A.两个碳原子均采用sp杂化方式
B.两个碳原子均采用sp2杂化方式
C.每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道形成π键
D.两个碳原子均形成两个π键
解析 乙炔分子中两个碳原子均以1个s轨道和1个p轨道形成sp杂化轨道，两个碳原子采用sp杂化，每个碳原子以两个未杂化的2p轨道形成2个π键构成碳碳三键，B项不正确。
B
A
A
6.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O原子采取sp2杂化
B.CO2分子中C原子采取sp杂化
C.BF3分子中B原子采取sp3杂化
D.CH3COOH分子中C原子均采取sp2杂化
B
解析 H2O2分子中每个O原子形成2个σ键，孤电子对数为2，采取sp3杂化，A项错误；CO2分子中C原子形成2个σ键，不含孤电子对，采取sp杂化，B项正确；BF3分子中B原子形成3个σ键，不含孤电子对，采取sp2杂化，C项错误；CH3COOH分子中含有2个C原子，其中甲基上的C原子形成4个σ键，不含孤电子对，采取sp3杂化，而羧基上的C原子形成3个σ键，不含孤电子对，采取sp2杂化，D项错误。
B
8.下列有关苯分子中的化学键描述正确的是( )
A.每个碳原子的sp2杂化轨道中的其中一个形成大π键
B.每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成大π键
C.碳原子的三个sp2杂化轨道与其他原子形成三个π键
D.碳原子的未参加杂化的2p轨道与其他原子形成σ键
解析 苯分子中每个碳原子的三个sp2杂化轨道分别与两个碳原子和一个氢原子形成σ键。同时每个碳原子还有一个未参加杂化的2p轨道，它们均有一个未成对电子，这些2p轨道相互平行，以“肩并肩”方式相互重叠，形成一个多电子的大π键。
B
B
C
11.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )
A.BeCl2与BF3 B.CO2与SO2 C.CCl4与NH3 D.C2H2与C2H4
C
解析 A项中，BeCl2分子、BF3分子中杂化轨道数分别为2、3，中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2；B项中，CO2分子中杂化轨道数为2，SO2分子中杂化轨道数为3，中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2；C项中，中心原子杂化轨道类型均为sp3；D项中，中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2。
12.顺铂[Pt(NH3)2Cl2]是1969年发现的第一种具有抗癌活性的金属配合物；碳铂是1，1－环丁二羧酸二氨合铂(Ⅱ)的简称，属于第二代铂族抗癌药物，结构如图所示，其毒副作用低于顺铂。下列说法正确的是( )
C
A.碳铂中所有碳原子在同一平面上
B.顺铂分子中氮原子的杂化方式是sp2杂化
C.碳铂分子中sp3杂化的碳原子与sp2杂化的碳原子数目之比为2∶1
D.1 mol 1，1－环丁二羧酸含有σ键的数目为12NA
试回答下列问题。
(1)微粒的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________。
①⑤
①④⑤⑦⑧
②⑥
③
②③⑥⑦
③
14.小明同学上网查阅了如下资料：
中心原子杂化类型的判断方法：
(1)公式：n＝(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数±电荷数)÷2。
说明：配位原子为氧原子或硫原子时，成键电子数看为0；当电荷数为正值时，公式中取“－”号，当电荷数为负值时，公式中取“＋”号。
(2)根据n值判断杂化类型：当n＝2时为sp杂化，n＝3时为sp2杂化，n＝4时为sp3杂化。
4
sp3
3
sp2
4
sp3
3
sp2
B级 素养培优练
15.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个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道
A. ①② B. ③④ C. ①③ D. ②④
D
解析 乙烯分子中存在4个C—H键和1个C===C双键，C原子上没有孤电子对，成键数为3，所以C原子采取sp2杂化，C—H键为σ键，C===C键中有1个σ键，还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键。
16.合成某种滴眼液的原料4－二甲氨基吡啶的结构如图所示。下列说法错误的是( )
C
A.该物质中C原子的杂化方式有sp2、sp3
B.该物质中N原子的杂化方式有sp2、sp3
C.1 mol该物质中含σ键的数目为15NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)
D.该物质的分子中所有C、N原子不可能在同一平面内
sp3
sp3
ab
sp2
sp3
120°
sp2
正四面体形
直线形
角(V)形
三角锥形
正四面体形作业9 分子空间结构的理论分析
(分值:80分)
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意(1~12题,每小题4分)
1.下列关于杂化轨道的说法错误的是 ( )
所有原子轨道都参与杂化
同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化
杂化轨道能量集中,有利于牢固成键
杂化轨道中不一定有电子
2.下列分子或离子的中心原子采用sp3杂化的是 ( )
①NF3 ②C2H4 ③C6H6 ④C2H2 ⑤N
①②④ ①⑤
②③ ③⑤
3.乙炔的结构式为H—C≡C—H,有关乙炔分子中化学键的描述不正确的是 ( )
两个碳原子均采用sp杂化方式
两个碳原子均采用sp2杂化方式
每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道形成π键
两个碳原子均形成两个π键
4.(2023·石家庄期中联考)下列关于有机化合物结构特点说法正确的是 ( )
甲烷的空间结构为正四面体,其中的化学键均为σ键
乙烯为平面形结构,所以烯烃都为平面形结构
苯乙烯()中碳原子的杂化类型有两种
乙烯基乙炔(CH≡C-CH=CH2)中σ键与π键个数比为4∶1
5.下列分子所含原子中,既有sp3杂化,又有sp2杂化的是 ( )
乙醛
丙烯腈
甲醛
丙炔
6.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 ( )
H2O2分子中O原子采取sp2杂化
CO2分子中C原子采取sp杂化
BF3分子中B原子采取sp3杂化
CH3COOH分子中C原子均采取sp2杂化
7.下列分子的空间结构可以用sp2杂化轨道来解释的是 ( )
①BF3 ② ③
④C2H2 ⑤N2H4
①②③ ①②
②③⑤ ③④
8.下列有关苯分子中的化学键描述正确的是 ( )
每个碳原子的sp2杂化轨道中的其中一个形成大π键
每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成大π键
碳原子的三个sp2杂化轨道与其他原子形成三个π键
碳原子的未参加杂化的2p轨道与其他原子形成σ键
9.下列微粒是正四面体形空间结构分子的是 ( )
①CH4 ②NH3 ③CF4 ④SiH4 ⑤S
⑥N
①②③ ①③④
②④⑤ ①③⑤
10.下列关于N、NH3、N三种微粒的说法不正确的是 ( )
三种微粒所含有的电子数相等
三种微粒中氮原子的杂化方式相同
三种微粒的空间结构相同
键角大小关系:N>NH3>N
11.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是 ( )
BeCl2与BF3 CO2与SO2
CCl4与NH3 C2H2与C2H4
12.顺铂[Pt(NH3)2Cl2]是1969年发现的第一种具有抗癌活性的金属配合物;碳铂是1,1 环丁二羧酸二氨合铂(Ⅱ)的简称,属于第二代铂族抗癌药物,结构如图所示,其毒副作用低于顺铂。下列说法正确的是 ( )
碳铂中所有碳原子在同一平面上
顺铂分子中氮原子的杂化方式是sp2杂化
碳铂分子中sp3杂化的碳原子与sp2杂化的碳原子数目之比为2∶1
1 mol 1,1 环丁二羧酸含有σ键的数目为12NA
13.(6分)已知下列微粒:①CH4 ②CH2CH2
③CH≡CH ④NH3 ⑤N ⑥BF3 ⑦H2O
⑧H2O2。
试回答下列问题。
(1)(1分)微粒的空间结构为正四面体形的是 (填序号,下同)。
(2)(3分)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)(2分)所有原子共平面(含共直线)的是 ,共直线的是 。
14.(8分)小明同学上网查阅了如下资料:
中心原子杂化类型的判断方法：
(1)公式：n＝(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数±电荷数)÷2。
说明：配位原子为氧原子或硫原子时，成键电子数看为0；当电荷数为正值时，公式中取“－”号，当电荷数为负值时，公式中取“＋”号。
(2)根据n值判断杂化类型：当n＝2时为sp杂化，n＝3时为sp2杂化，n＝4时为sp3杂化。
请运用该方法计算下列微粒的n值,并判断中心原子的杂化类型。
①NH3:n= , 杂化。
②N:n= , 杂化。
③N:n= , 杂化。
④SO2:n= , 杂化。
B级 素养培优练
(15~16题,每小题4分)
15.乙烯分子中含有4个C—H键和1个CC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个价电子占据3个杂化轨道,1个价电子占据1个2p轨道
①② ③④
①③ ②④
16.合成某种滴眼液的原料4 二甲氨基吡啶的结构如图所示。下列说法错误的是 ( )
该物质中C原子的杂化方式有sp2、sp3
该物质中N原子的杂化方式有sp2、sp3
1 mol该物质中含σ键的数目为15NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)
该物质的分子中所有C、N原子不可能在同一平面内
17.(10分)试回答下列问题。
(1)(3分)已知在水中存在平衡2H2OH3O++OH-。
①H2O分子中O原子轨道的杂化类型为 ,
H+可与H2O形成H3O+,H3O+的中心原子采用 杂化。
②下列分子中,中心原子采取的杂化方式与H3O+中氧原子的杂化方式相同的是 (填字母)。
A.AsH3中的As原子 B.N中的N原子
C.N中的N原子 D.N中的N原子
(2)(2分)BCl3和NCl3中心原子的杂化方式分别为 和 。
(3)(3分)在BF3分子中,F—B—F的键角是 ,B原子的杂化轨道类型为 ,BF3和过量NaF作用可生成NaBF4,B的空间结构为 。
(4)(2分)ClO-、Cl、Cl、Cl中,Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键,将它们的空间结构填入表格中:
离子 ClO- Cl Cl Cl
空间结构
作业9 分子空间结构的理论分析
1.A [参与杂化的原子轨道,其能量不能相差太大,如1s与2s、2p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,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,可使原子轨道重叠程度更大,形成牢固的化学键,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、H2O),故D项正确。]
2.B [①NF3分子中N原子采取sp3杂化;②C2H4分子中C原子采取sp2杂化;③C6H6分子中C原子采取sp2杂化;④C2H2分子中C原子采取sp杂化;⑤N中N原子采取sp3杂化。]
3.B [乙炔分子中两个碳原子均以1个s轨道和1个p轨道形成sp杂化轨道,两个碳原子采用sp杂化,每个碳原子以两个未杂化的2p轨道形成2个π键构成碳碳三键,B项不正确。]
4.A [甲烷的空间结构为正四面体,一个甲烷分子中含有四个C—H键,其中的化学键均为σ键,A正确;乙烯为平面形结构但是烯烃不一定都是平面形结构,如丙烯中因含有一个饱和碳原子而使所有原子不共面,B错误;苯乙烯()分子中,所有碳原子均为sp2杂化,C错误;单键均为σ键,碳碳双键中一个σ键,一个π键,碳碳三键中一个σ键,2个π键,乙烯基乙炔中含σ键与π键个数分别为7个和3个,个数比为7∶3,D错误。]
5.A
6.B [H2O2分子中每个O原子形成2个σ键,孤电子对数为2,采取sp3杂化,A项错误;CO2分子中C原子形成2个σ键,不含孤电子对,采取sp杂化,B项正确;BF3分子中B原子形成3个σ键,不含孤电子对,采取sp2杂化,C项错误;CH3COOH分子中含有2个C原子,其中甲基上的C原子形成4个σ键,不含孤电子对,采取sp3杂化,而羧基上的C原子形成3个σ键,不含孤电子对,采取sp2杂化,D项错误。]
7.B [①BF3分子中硼原子杂化轨道数为3,所以采用sp2杂化;②中心原子C形成3个σ键且中心原子C无孤电子对,所以采取sp2杂化;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;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;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。]
8.B [苯分子中每个碳原子的三个sp2杂化轨道分别与两个碳原子和一个氢原子形成σ键。同时每个碳原子还有一个未参加杂化的2p轨道,它们均有一个未成对电子,这些2p轨道相互平行,以“肩并肩”方式相互重叠,形成一个多电子的大π键。]
9.B [C与Si价电子排布式为ns2np2,在参与成键时都是形成了4个sp3杂化轨道,故它们的空间结构都是正四面体形。N、S中心原子的杂化轨道数分别为×(5+4-1)=4、×(6+0+2)=4,所以中心原子都是sp3杂化,N、S都是正四面体结构,但不是分子。]
10.C [N、NH3、N中含有的电子数均为10,A正确;N、NH3、N三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化,B正确;N为正四面体形,NH3为三角锥形,N为角形,则键角大小关系为N>NH3>N,C错误、D正确。]
11.C [A项中,BeCl2分子、BF3分子中杂化轨道数分别为2、3,中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2;B项中,CO2分子中杂化轨道数为2,SO2分子中杂化轨道数为3,中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2;C项中,中心原子杂化轨道类型均为sp3;D项中,中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2。]
12.C [根据碳铂的结构简式可知,与4个C相连的碳原子为sp3杂化,存在四面体形结构,因此分子中所有碳原子不可能在同一平面上,A错误;顺铂分子中N原子形成4个共价单键,因此杂化类型为sp3杂化,B错误;碳铂分子中sp3杂化的碳原子有4个,sp2杂化的碳原子有2个,即数目之比为2∶1,C正确;由题中信息可知,1,1 环丁二羧酸的结构简式为,补全碳环上的氢原子,可得1 mol此有机物含有σ键的数目为18NA,D错误。]
13.(1)①⑤ (2)①④⑤⑦⑧ ②⑥ ③ (3)②③⑥⑦ ③
解析 ①CH4中C原子采取sp3杂化,CH4的空间结构为正四面体形;②CH2CH2中C原子采取sp2杂化,CH2CH2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原子采取sp3杂化,NH3的空间结构为三角锥形;⑤N中N原子采取sp3杂化,N的空间结构为正四面体形;⑥BF3中B原子采取sp2杂化,BF3的空间结构为平面三角形;⑦H2O中氧原子采取sp3杂化,H2O的空间结构为角形;⑧H2O2中氧原子采取sp3杂化。
14.①4 sp3 ②3 sp2 ③4 sp3 ④3 sp2
解析 ①NH3中n==4,N为sp3杂化。②N中n==3,N为sp2杂化。③N中n==4,N为sp3杂化。④SO2中n==3,S为sp2杂化。
15.D [乙烯分子中存在4个C—H键和1个CC双键,C原子上没有孤电子对,成键数为3,所以C原子采取sp2杂化,C—H键为σ键,CC键中有1个σ键,还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键。]
16.C [甲基(—CH3)中的C原子采取sp3杂化,环上的C原子均采取sp2杂化,A项正确;该物质结构中“”中的N原子采取sp3杂化,环上的N原子采取sp2杂化,B项正确;1个4 二甲氨基吡啶分子中有3+3+3+6+4=19个σ键,则1 mol该物质中含σ键的数目为19NA,C项错误;该物质的分子中,形成3个单键的N原子和与其相连的3个C原子构成三角锥形结构,D项正确。]
17.(1)①sp3 sp3 ②ab (2)sp2 sp3 (3)120° sp2 正四面体形
(4)直线形 角(V)形 三角锥形 正四面体形
解析 (1)①H2O中O原子的杂化轨道数=×(6+2)=4,所以O原子采用sp3杂化。H3O+中O原子的杂化轨道数=×(6+3-1)=4,O原子杂化类型为sp3杂化。
②
中心原子杂化轨道数 中心原子杂化类型
AsH3 ×(5+3)=4 sp3
N ×(5+2+1)=4 sp3
N ×(5+0+1)=3 sp2
N ×(5+0+1)=3 sp2
(2)BCl3和NCl3中心原子的杂化轨道数分别为×(3+3)=3、×(5+3)=4,所以杂化类型分别为sp2、sp3。(3)BF3分子中B原子采取sp2杂化,所以F—B—F的键角为120°。B中B原子的杂化轨道数为×(3+4+1)=4,B原子采取sp3杂化,B的空间结构为正四面体形。(4)ClO-中双原子构成直线形结构,Cl、Cl、Cl中Cl采取sp3杂化,孤电子对数分别为2、1、0,所以空间结构分别为角(V)形、三角锥形、正四面体形。
