高中化学选修3第二章 第二节 第2课时.docx
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高中化学选修3第二章第二节第2课时
第2课时 杂化轨道理论
[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析:
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轨道类型对分子立体构型的影响。
2.证据推理与模型认知:
通过对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,建立分子立体构型分析的思维模型。
一、杂化轨道理论简介
1.杂化轨道及其特点
2.用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
在形成CH4分子时,碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生混杂,形成四个能量相等的sp3杂化轨道。
四个sp3杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子,所以四个C—H键是等同的。
碳原子的sp3杂化可表示如下:
3.杂化轨道类型
杂化类型
sp
sp2
sp3
参与杂化的原子轨道及数目
1个s轨道
1个p轨道
1个s轨道
2个p轨道
1个s轨道
3个p轨道
杂化轨道的数目
2
3
4
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。
例1 以下有关杂化轨道的说法中错误的是( )
A.第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.孤电子对有可能参加杂化
D.s轨道和p轨道杂化不可能有sp4出现
【考点】 杂化轨道理论
【题点】 杂化轨道理论的理解
答案 B
解析 第ⅠA族元素的价电子排布式为ns1,由于只有1个ns电子,因此不可能形成杂化轨道;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;H2O分子中的氧原子采取sp3杂化,其sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的,所以孤电子对有可能参加杂化;由于np能级只有3个原子轨道,所以s轨道和p轨道杂化只有sp3、sp2、sp3种,不可能出现sp4杂化。
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
【考点】 杂化轨道理论
【题点】 杂化轨道理论的理解
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,C项正确;sp2杂化轨道最多可形成3个σ键,D项错误。
二、杂化轨道理论的应用
1.杂化轨道类型的判断
因为杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳孤电子对,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=中心原子孤电子对数+中心原子结合的原子数,再由杂化轨道数判断杂化类型。
例如:
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
2.分子的构型与杂化类型的关系
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时,分子或离子的立体构型与杂化轨道的立体构型相同。
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
分子立体构型
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,会使分子或离子的立体构型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
立体构型
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
例3 有机物
H3CH==
H—
≡CH中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为( )
A.sp、sp2、sp3B.sp3、sp2、sp
C.sp2、sp、sp3D.sp3、sp、sp2
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 中心原子杂化类型的判断
答案 B
解析 根据价层电子对互斥理论可判断C原子的杂化方式,价层电子对数=σ键电子对数+孤电子对数。
若价层电子对数是4,则C原子采取sp3杂化;若价层电子对数是3,则C原子采取sp2杂化;若价层电子对数是2,则C原子采取sp杂化。
甲基上C原子有4对σ键电子对,没有孤电子对,则C原子采取sp3杂化;碳碳双键两端的2个C原子均有3对σ键电子对,没有孤电子对,则C原子采取sp2杂化;碳碳三键两端的2个C原子均有2对σ键电子对,没有孤电子对,则C原子采取sp杂化。
方法规律——中心原子杂化类型的判断方法
(1)根据杂化轨道之间的夹角判断:
若杂化轨道之间的夹角为109°28′,则中心原子发生sp3杂化;若杂化轨道之间的夹角为120°,则中心原子发生sp2杂化;若杂化轨道之间的夹角为180°,则中心原子发生sp杂化。
(2)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。
例4 (2018·深州中学期中)下列分子中中心原子的杂化方式和分子的立体构型均正确的是( )
A.C2H2:
sp2、直线形
B.SO
:
sp3、三角锥形
C.H3O+:
sp3、V形
D.BF3:
sp2、平面三角形
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 利用杂化轨道理论判断立体构型
答案 D
解析 乙炔的结构式为H—C≡C—H,每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对,所以C原子采用sp杂化,为直线形结构;SO
中硫原子价层电子对数是4,孤电子对数为0,采取sp3杂化,为正四面体形;H3O+中氧原子价层电子对数=3+1=4,所以中心原子的杂化方式为sp3杂化,该离子中含有一对孤电子对,所以其立体构型为三角锥形;BF3分子中硼原子价层电子对数=3+0=3,杂化轨道数为3,孤电子对数为0,所以其立体构型为平面三角形。
杂化轨道类型
VSEPR模型
典型分子
立体构型
sp
CO2
直线形
sp2
SO2
V形
sp3
H2O
V形
sp2
SO3
平面三角形
sp3
NH3
三角锥形
sp3
CH4
正四面体形
1.正误判断
(1)所有的原子轨道都参与杂化( × )
(2)杂化轨道能量集中,有利于牢固成键( √ )
(3)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同,但能量不同( √ )
(4)杂化轨道的键角与分子内的键角不一定相同( √ )
(5)只要分子的立体构型为平面三角形,中心原子均为sp2杂化( √ )
(6)杂化方式相同的分子,立体构型一定相同( × )
2.(2019·荆门高二月考)在CH3COCH3中,中间碳原子和两边碳原子成键所采用的杂化方式分别是( )
A.sp2、sp3B.sp3、sp3
C.sp2、sp2D.sp、sp3
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 中心原子杂化类型的判断
答案 A
解析 首先写出CH3COCH3的结构简式:
,由此知两边的碳均为sp3杂化(与CH4类似);中间碳原子采用了sp2杂化。
3.鲍林是两位获得诺贝尔奖不同奖项的人之一,杂化轨道是鲍林为了解释分子的立体结构提出的。
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
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 利用杂化轨道理论解释分子立体构型
答案 A
解析 sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°,故A项正确。
4.对于短周期元素形成的各分子,下表所述的对应关系错误的是( )
选项
A
B
C
D
分子式
CH4
NH3
CO2
SCl2
VSEPR模型
正四面体形
四面体形
直线形
四面体形
分子的立体构型
正四面体形
平面三角形
直线形
V形
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 利用杂化轨道理论判断分子立体构型
答案 B
解析 A项,C原子形成了4个σ键,孤电子对数为0,VSEPR模型及分子的立体构型均是正四面体形,正确;B项,N原子有1对孤电子对且形成了3个σ键,VSEPR模型为四面体形,分子的立体构型为三角锥形,错误;C项,C原子的价层电子对数为2+
×(4-2×2)=2,VSEPR模型为直线形,分子的立体构型也为直线形,正确;D项,S原子有2对孤电子对且形成了2个σ键,VSEPR模型为四面体形,分子的立体构型为V形,正确。
5.ClO-、ClO
、ClO
、ClO
中,中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键,则ClO-的立体构型是________;ClO
的立体构型是________;ClO
的立体构型是__________;ClO
的立体构型是______________。
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 利用杂化轨道理论判断分子立体构型
答案 直线形 V形 三角锥形 正四面体形
解析 ClO-的组成决定其立体构型为直线形。
其他3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化,中心原子的孤电子对数分别为2、1、0,由此判断其立体构型依次类似于H2O、NH3、CH4(或NH
)。
题组一 原子轨道杂化与杂化轨道
1.下列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°28′、120°、180°
C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释
D.杂化轨道全部参与形成化学键
【考点】 杂化轨道理论
【题点】 杂化轨道理论的理解
答案 D
解析 杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对。
2.(2018·福建厦门月考)如图是乙烯分子的模型,对乙烯分子中的化学键分析正确的是( )
A.sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键
B.sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键
C.C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、C之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键
D.C、C之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、H之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键
【考点】 杂化轨道理论
【题点】 杂化轨道理论的理解
答案 A
解析 乙烯分子中存在4个C—H键和1个C==C键,C原子上孤电子对数为0,σ键电子对数为3,则C原子采取sp2杂化,C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、C之间有1个是sp2杂化轨道形成的σ键,还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键。
3.下列关于原子轨道的说法正确的是( )
A.杂化轨道形成共价键时,只能形成σ键不能形成π键
B.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.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其立体构型都是正四面体形
D.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
【考点】杂化轨道理论
【题点】杂化轨道理论的理解
答案 A
解析 中心原子采取sp3杂化,轨道形状可能是正四面体,如果中心原子还有孤电子对,分子的立体构型则不是正四面体;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。
题组二 杂化轨道类型与分子立体构型的判断
4.(2019·延安高二调研)在BrCH==CHBr分子中,C—Br键采用的成键轨道是( )
A.sppB.sp2s
C.sp2pD.sp3p
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 中心原子杂化类型的判断
答案 C
解析 分子中的两个碳原子都是采取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.原子轨道的杂化不但出现在分子中,原子团中同样存在原子轨道的杂化。
在SO
中S原子的杂化方式为( )
A.spB.sp2C.sp3D.无法判断
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 中心原子杂化类型的判断
答案 C
解析 在SO
中S原子的孤电子对数为0,与其相连的原子数为4,所以根据杂化轨道理论可推知中心原子S的杂化方式为sp3杂化,立体构型为正四面体形,类似于CH4。
6.(2018·四川资阳伍隍中学高二月考)sp3杂化形成的AB4型分子的立体构型是( )
A.平面四方形B.正四面体形
C.三角锥形D.平面三角形
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 利用杂化轨道理论判断分子立体构型
答案 B
7.在SO2分子中,分子的立体构型为V形,S原子采用sp2杂化,那么SO2的键角( )
A.等于120°B.大于120°
C.小于120°D.等于180°
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 利用杂化轨道理论解释分子的立体构型
答案 C
解析 由于SO2分子的VSEPR模型为平面三角形,从理论上讲其键角应为120°,但是由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对,对其他的两个化学键存在排斥作用,因此分子中的键角要小于120°。
8.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )
A.SO3与SO2B.BF3与NH3
C.BeCl2与SCl2D.H2O与SO2
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 中心原子杂化类型的判断
答案 A
解析 SO3中S原子杂化轨道数为3,采取sp2杂化方式,SO2中S原子杂化轨道数为3,采取sp2杂化方式,A正确;BF3中B原子杂化轨道数为3,采取sp2杂化方式,NH3中N原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化方式,B错误;BeCl2中Be原子杂化轨道数为2,采取sp杂化方式,SCl2中S原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化方式,C错误;H2O中O原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化方式,SO2中S原子采取sp2杂化方式,D项错误。
9.下表中各粒子对应的立体构型及杂化方式均正确的是( )
选项
粒子
立体构型
杂化方式
A
SO3
平面三角形
S原子采取sp杂化
B
SO2
V形
S原子采取sp3杂化
C
CO
三角锥形
C原子采取sp2杂化
D
C2H2
直线形
C原子采取sp杂化
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 杂化轨道理论的综合应用
答案 D
解析 A项,SO3分子中硫原子的价层电子对数=3+
×(6-3×2)=3,不含孤电子对,采取sp2杂化,立体构型为平面三角形,错误;B项,SO2分子中硫原子的价层电子对数=2+
×(6-2×2)=3,含1对孤电子对,采取sp2杂化,立体构型为V形,错误;C项,CO
中碳原子价层电子对数=3+
×(4+2-3×2)=3,不含孤电子对,采取sp2杂化,立体构型为平面三角形,错误;D项,乙炔(CH≡CH)分子中每个碳原子均形成2个σ键和2个π键,价层电子对数是2,为sp杂化,立体构型为直线形,正确。
10.根据价层电子对互斥理论,判断下列分子或离子的立体构型正确的是( )
编号
分子式
价层电子对互斥模型
分子或离子的立体构型
①
AsCl3
四面体形
三角锥形
②
HCHO
平面三角形
三角锥形
③
NF3
四面体形
平面三角形
④
NH
正四面体形
正四面体形
A.①②B.②③C.②④D.①④
【考点】 价层电子对互斥理论
【题点】 价层电子对互斥(VSEPR)模型与分子立体构型的对比
答案 D
解析 AsCl3分子的价层电子对数为4,价层电子对互斥模型为四面体形,含有一对孤电子对,分子立体构型为三角锥形,①正确;甲醛(H2C==O)分子的价层电子对数为3,价层电子对互斥模型为平面三角形,没有孤电子对,分子的立体构型为平面三角形,②错误;NF3分子的价层电子对数为4,价层电子对互斥模型为四面体形,含有一对孤电子对,分子的立体构型为三角锥形,③错误;NH
的价层电子对数为4,价层电子对互斥模型为正四面体形,没有孤电子对,离子的立体构型为正四面体形,④正确。
题组三 分子结构的综合分析
11.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.三种微粒的立体构型相同
D.键角大小关系:
NH
>NH3>NH
【考点】 分子结构的综合考查
【题点】 分子结构的综合考查
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
立体构型为正四面体形,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。
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.1molA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
【考点】 分子结构的综合考查
【题点】 分子结构的综合考查
答案 B
解析 A分子中碳、氮原子各形成了3个σ键,氮原子有一对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;A分子中有一个碳氧双键,故有12对共用电子对、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.
(1)X射线衍射测定等发现,I3AsF6中存在I
。
I
的立体构型为__________________,中心原子的杂化方式为________________。
(2)从结构角度分析,NH
和H3O+两种阳离子的相同之处为__________,不同之处为__________(填字母)。
A.中心原子的杂化轨道类型
B.中心原子的价层电子对数
C.立体构型
D.共价键类型
(3)CO2和CH3OH分子中C原子的杂化方式分别为________和________。
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 杂化轨道理论的综合应用
答案
(1)V形 sp3
(2)ABD C (3)sp sp3
解析
(1)I
中I原子为中心原子,其价层电子对数=2+
=4,则中心原子采取sp3杂化,I
的立体构型为V形。
(2)NH
中N原子的价层电子对数=4+
=4,采取sp3杂化,立体构型为正四面体形;H3O+中O原子的价层电子对数=3+
=4,采取sp3杂化,立体构型为三角锥形;两离子中均只含极性共价键,共价键类型相同。
(3)CO2中C原子的价层电子对数=2+
=2,采取sp杂化。
由甲醇的结构式可知,C原子形成四个共价单键,故C原子采取sp3杂化。
14.磷与氯气在一定条件下反应,可以生成PCl3、PCl5。
(1)写出磷原子的电子排布式:
__________________________________________________。
(2)PCl3分子中磷原子采用的杂化方式是__________,分子的立体构型为________________。
(3)磷原子在形成PCl5分子时,除最外层s、p轨道参与杂化外,其3d轨道也有1个轨道参与了杂化,称为sp3d杂化。
成键电子对数与孤电子对数总和为5的原子常采用sp3d杂化。
磷原子中5个杂化轨道分别与5个氯原子的3p轨道配对成键,PCl5的立体构型为三角双锥形(如图所示)。
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
D.SF4分子中S原子也采用sp3d杂化
(4)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,不能形成NCl5,原因是_____________________________________________________。
【考点】 分子结构的综合考查
【题点】 分子结构的综合考查
答案
(1)1s22s22p63s23p3
(2)sp3杂化 三角锥形
(3)ABD (4)N原子最外层无d轨道,不能发生sp3d杂化,故无NCl5
15.按要求回答下列问题:
(1)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型为________。
(2)醛基中碳原子的杂化轨道类型是________。
(3)化合物
中阳离子的立体构型为____________,阴离子的中心原子轨道采用__________杂化。
(4)X的单质与氢气可化合生成气体G,其水溶液pH>7。
G分子中X原子的杂化轨道类型是__________。
(5)S单质的常见形式为S8,其环状结构如图所示,S原子采用的轨道杂化方式是__________。
(6)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_________________________________________________。
【考点】 杂化轨道理论的应用
【题点】 杂化轨道理论的综合应用
答案
(1)sp3、sp2
(2)sp2 (3)三角锥形 sp3 (4)sp3
(5)sp3 (6)sp3 H3O+中O原子只有1对孤电子对,H2O中O原子有2对孤电子对,前者σ键电子对与孤电子对的排斥力较小,因而键角大
解析
(1)CH3COOH分子中,—CH3和—COOH上的碳原子的杂化轨道类型分别是sp3和sp2。
(2)
上的碳原子形成3个σ键和1个π键,是sp2杂化。
(4)G是NH3分子,N原子采取sp3杂化。
(5)硫原子形成2个S—S键,还有2对孤电子对,杂化方式为sp3。
(6)H2O和H3O+中的氧原子均采取sp3杂化,其键角的差异是由σ键电子对与孤电子对的斥力差异所造成的。
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