学年苏教版选修3 专题4第一单元第1课时 杂化轨道理论与分子空间构型 学案Word文档格式.docx

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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

答案　A

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、H2O），故D项正确。

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sp2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—Cσ键，另外两个杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠，形成2个C—Hσ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p轨道，它们发生重叠，形成一个π键。

其结构示意图如下：

（2）乙炔分子中的成键情况

在乙炔分子中，碳原子采取sp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—Cσ键，每一个碳原子又各以1个sp轨道分别与1个氢原子形成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，形成两个π键。

杂化轨道的类型与分子空间构型的关系

杂化类型

sp

sp2

sp3

参与杂化的原子轨道及数目

ns

1

np

2

3

杂化轨道数目

4

杂化轨道间的夹角

180°

120°

109.5°

空间构型

直线形

平面三角形

正四面体

实例

BeCl2、CO2、CS2

BCl3、BF3、BBr3

CF4、SiCl4、SiH4

特别提醒　杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键。

例2

　下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是（　　）

①BF3　②CH2===CH2　③

　④CH≡CH⑤NH3　⑥CH4

A．①②③B．①⑤⑥

C．②③④D．③⑤⑥

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键夹角为120°

；

②C2H4中碳原子以sp2杂化，且未杂化的2p轨道形成π键；

③同②相似；

④乙炔中的碳原子为sp杂化；

⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；

⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。

例3

　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109.5°

、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

答案　C

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杂化轨道其空间构型分别是正四面体型、平面三角形、直线形，所以其夹角分别为109.5°

，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。

方法规律——中心原子杂化类型的判断方法

（1）由分子构型判断杂化类型

①直线形——sp杂化

②平面形——sp2杂化

③四面体型——sp3杂化

（2）由碳原子的饱和程度判断

①饱和碳原子——sp3杂化

②双键上的碳原子——sp2杂化

③叁键上的碳原子——sp杂化

1．s轨道和p轨道杂化的类型不可能有（　　）

A．sp杂化B．sp2杂化

C．sp3杂化D．sp4杂化

答案　D

解析　p轨道只有3个方向不同的轨道px、py、pz，与1个s轨道可形成sp杂化如二氧化碳分子中碳原子，sp2杂化如BCl3中硼原子，最多形成sp3杂化如CCl4分子中碳原子，不可能有sp4出现。

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，一个能量升高，另一个能量降低，但总能量保持不变

答案　B

解析　sp杂化轨道是同一原子内同一电子层内轨道发生的杂化，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。

3．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之间是sp杂化轨道形成的σ键，C—C之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键

D．C—C之间是sp杂化轨道形成的σ键，C—H之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键

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—Cσ键，碳原子剩下的两个p轨道则肩并肩重叠形成两个C—Cπ键，且这两个π键相互垂直。

4．在

分子中，羰基碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为（　　）

A．sp2杂化；

sp2杂化B．sp3杂化；

sp3杂化

C．sp2杂化；

sp3杂化D．sp杂化；

解析　羰基上的碳原子共形成3个σ键，为sp2杂化；

两侧甲基中的碳原子共形成4个σ键，为sp3杂化。

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________。

（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。

答案　

（1）3　

（2）sp3　＜

解析　

（1）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。

（2）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采取sp3杂化。

[对点训练]

题组一　原子轨道杂化与杂化轨道

1．（2018·

石室佳兴外国语学校月考）有关乙炔分子中的化学键描述不正确的是（　　）

A．两个碳原子采用sp杂化方式

B．两个碳原子采用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．两个碳原子形成两个π键

解析　乙炔中每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对，所以碳原子采用sp杂化，A正确，B错误；

每个碳原子中两个未杂化的2p轨道肩并肩重叠形成π键，C正确；

两个碳原子之间形成1个σ键2个π键，D正确。

2．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键的夹角为109.5°

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。

3．下列关于杂化轨道的叙述正确的是（　　）

A．杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成π键

B．sp3杂化轨道是由同一原子中能量相近的s和p轨道混合形成的一组新轨道

C．NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个p轨道与H原子的s轨道杂化而成的

D．在乙烯分子中1个碳原子的3个sp2杂化轨道与3个氢原子的s轨道重叠形成3个C—Hσ键

解析　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，不能用来形成π键，A错误；

sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化混合起来形成的一组能量相同的新轨道，B正确；

NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的1个s轨道和3个p轨道杂化而成的，C错误；

在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道与2个氢原子的s轨道重叠形成2个C—Hσ键，剩下的1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成1个C—Cσ键，D错误。

题组二　杂化轨道类型及其判断

4．已知SO3分子结构呈平面三角形，则分子中S原子的杂化方式为（　　）

A．spB．sp2C．sp3D．无法判断

解析　在SO3中与S原子相连的原子数为3且呈平面三角形，类似于BF3。

所以根据杂化轨道理论可推知中心原子S的杂化方式为sp2杂化。

5．甲烷中的碳原子是sp3杂化，下列用*表示碳原子的杂化和甲烷中的碳原子杂化状态一致的是（　　）

A．CH≡

CH3B.

H2===CHCH3

C．CH2===

HCH3D．CH2===CH

H3

解析　D项中用*表示碳原子形成了四个碳碳单键，与甲烷类似，其杂化类型为sp3杂化。

6．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[

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，碳碳叁键中两个碳原子采取sp杂化。

7．BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成正四面体型的BF

离子，则BF3和BF

中B原子的杂化轨道类型分别是（　　）

A．sp2、sp2B．sp3、sp3

C．sp2、sp3D．sp、sp2

解析　根据粒子的空间构型可知BF3中B原子为sp2杂化，BF

中B原子为sp3杂化。

题组三　杂化轨道理论的应用

8．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．①②B．②③C．③④D．①④

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或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。

9．下列分子中的中心原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间构型为直线形，且分子中没有形成π键的是（　　）

A．CH≡CHB．CO2

C．BeCl2D．BBr3

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。

10．下列关于丙烯（CH3—CH===CH2）的说法正确的是（　　）

A．丙烯分子有8个σ键，1个π键

B．丙烯分子中3个碳原子都是sp3杂化

C．丙烯分子不存在非极性键

D．丙烯分子中所有原子都共平面

解析　C—C、C—H键均为σ键，C===C中有一个σ键，一个π键，则丙烯分子有8个σ键，1个π键，A正确；

甲基中的C原子为sp3杂化，C===C中的C原子为sp2杂化，则丙烯分子中1个碳原子是sp3杂化，2个碳原子是sp2杂化，B错误；

同种元素之间形成非极性键，则丙烯中存在C－C非极性共价键，C错误；

由甲基为四面体结构可知，丙烯分子中所有原子不可能共平面，故D错误。

11．（2017·

石室佳兴外国语学校月考）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杂化轨道只形成2个σ键

D．碳原子的未参加杂化的2p轨道形成σ键

解析　苯分子中，每个碳原子中的三个sp2杂化轨道分别与两个碳原子和一个氢原子形成3个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。

12．氮的最高价氧化物为无色晶体，它由NO

和NO

构成，已知其阴离子构型为平面三角形，阳离子中氮的杂化方式为sp杂化，则其阳离子的构型和阴离子中氮的杂化方式为（　　）

A．直线形　sp2杂化

B．V形　sp杂化

C.平面三角形　sp2杂化

D．平面三角形　sp3杂化

解析　NO

构型为平面三角形，其中氮原子的杂化类型为sp2杂化；

NO

中氮的杂化方式为sp杂化，构型为直线形。

[综合强化]

13．如图是甲醛分子的模型，根据该图和所学化学知识回答下列问题：

（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____________

___________________________________________________。

（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

（3）甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角________（填“＝”“>

”或“<

”）120°

，出现该现象的主要原因是________________________________________________________。

答案　

（1）sp2　甲醛分子的空间构型为平面三角形

（2）②⑤　（3）<

　碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强

解析　

（1）原子的杂化轨道类型不同，分子的空间构型也不同。

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用sp2杂化。

（2）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）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°

。

14．2001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.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？

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_______________________________________________________。

（2）它是否带有电荷？

________（填“是”或“否”）。

（3）该分子中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。

（4）为什么人们推测它是炸药？

_________________________________________________。

答案　

（1）C6H2O2N10　

（2）否　（3）1　9　0

（4）它分解能产生大量很稳定的气体N2

解析　

（1）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）由电子数可以确定，该分子不带电荷。

（3）根据氮原子的成键特征和结构可以确定，采用sp2杂化方式的氮原子数为9个，采用sp杂化方式的氮原子数为1个，无sp3杂化方式。

15．化合物YX2、ZX2中X、Y、Z都是短周期元素，X与Y同周期，Y与Z同主族，Y原子的最外层p轨道上的电子数等于前一电子层电子总数；

X原子最外层的p轨道中有一个轨道填充了2个电子。

（1）X元素基态原子的电子排布式是________，Y原子的价层电子的轨道表示式是________。

（2）YX2的分子构型是________。

（3）YX2分子中，Y原子的杂化轨道类型是________，1个YX2分子中含有________个π键。

答案　

（1）1s22s22p4　

（2）直线形　（3）sp　2

解析　解此类题，首先从信息寻找突破口，如Y属于短周期元素，Y原子的最外层p轨道上的电子数等于前一电子层电子总数，可判断p轨道上有2个电子，则Y为碳元素；

X原子最外层的p轨道中有一个轨道填充了2个电子，则p轨道上有4个电子，根据X与Y同周期可知X为氧元素；

sp杂化得到夹角为180°

的直线形杂化轨道，所以CO2的分子构型为直线形，Y原子的杂化类型为sp；

双键中一个是σ键，一个是π键，CO2的结构式为O===C===O，故CO2分子中含有2个π键。