化学人教版 (2019)第二节 分子的空间结构第2课时学案

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1．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4个能量相等的sp3杂化轨道。4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个C—Hσ键，所以4个C—H是等同的。
2．杂化轨道的形成及其特点
3．杂化轨道类型及其空间结构
(1)sp3杂化轨道
sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是109°28′，空间结构为正四面体形(如下图所示)。
(2)sp2杂化轨道
sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是120°，呈平面三角形(如下图所示)。
(3)sp杂化轨道
sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是180°，呈直线形(如下图所示)。
微点拨：sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
(4)VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)杂化轨道与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。(×)
下列关于杂化轨道的叙述不正确的是( )
A．分子的中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不一定为正四面体形
B．杂化轨道可用于形成σ键、π键或用于容纳未参与成键的孤电子对
C．杂化前后原子轨道数目不变，但轨道的形状发生了变化
D．sp3、sp2、sp杂化轨道间的夹角分别为109°28′、120°、180°
B [分子的中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不一定为正四面体形，可能是三角锥形或V形，如NH3是三角锥形、H2O是V形，故A正确。杂化轨道用来形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对，不能用于形成π键，未参与杂化的轨道可用来形成π键，故B错误。杂化前后原子轨道数目不变，但杂化后轨道形状发生变化，故C正确。sp3、sp2、sp杂化轨道间的夹角分别为109°28′、120°、180°，故D正确。]
用价层电子对互斥模型只能解释分子的空间结构，却无法解释许多深层次的问题，如无法解释甲烷分子中四个C—H的键长、键能相同及H—C—H的键角为109°28′。按照我们已经学过的价键理论，甲烷分子的4个C—H都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体形的甲烷分子。为了解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论。
[问题1] 写出碳原子的价电子排布式，这些价电子的能量是否相同？
提示：2s22p2，这些价电子的能量不完全相同，2s电子与2p电子的能量不同。
[问题2] 碳原子的2s电子的能量与2p电子的能量是否有很大的差别？
提示：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。
[问题3] 碳原子的2s轨道电子能进入2p轨道吗？
提示：能。2s轨道的电子激发后可以进入2p轨道。
1．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。
2．中心原子杂化轨道类型的判断
(1)利用价层电子对互斥模型、杂化轨道理论判断分子构型的思路：
价层电子对eq \(――→,\s\up10(判断))杂化轨道数eq \(――→,\s\up10(判断))杂化类型eq \(――→,\s\up10(判断))杂化轨道构型。
(2)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。
(3)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。
1．下列分子中中心原子的杂化方式和分子的空间结构均正确的是( )
A．C2H2：sp2、直线形B．SOeq \\al(2－,4)：sp3、三角锥形
C．H3O＋：sp3、V形D．BF3：sp2、平面三角形
D [乙炔的结构式为H—C≡C—H，每个碳原子价层电子对个数是2且不含孤电子对，所以C原子采用sp杂化，为直线形结构；SOeq \\al(2－,4)中硫原子的价层电子对数＝4，孤电子对数为0，采取sp3杂化，为正四面体形；H3O＋中氧原子的价层电子对数＝3＋1＝4，所以中心原子原子轨道为sp3杂化，该离子中含有一个孤电子对，所以其空间结构为三角锥形；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，所以其空间结构为平面三角形。]
2．已知三聚氰胺的结构简式如下图所示：
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、三聚氰胺环上的氮原子和氨基中的氮原子，这三种氮原子的杂化方式分别是__________、__________、__________。
(3)一个三聚氰胺分子中有__________个σ键。
[解析] (2)—C≡N中的N原子、三聚氰胺环上的N原子、—NH2中的N原子分别参与形成1、2、3个σ键且均有一对未成键的孤电子对，所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。
(3)三聚氰胺分子中除每个双键上有1个σ键外，其余共价单键均为σ键。
[答案] (1)1s22s22p2 (2)sp sp2 sp3 (3)15
根据分子的空间结构判断中心原子杂化轨道类型的方法
1若分子的空间结构为正四面体形或三角锥形，则分子的中心原子采取sp3杂化。
2若分子的空间结构为平面三角形，则分子的中心原子采取sp2杂化。
3若分子的空间结构为直线形，则分子的中心原子采取sp杂化。
4若分子的空间结构为V形，则分子的中心原子采取sp2杂化或sp3杂化。
1．下列关于杂化轨道的说法错误的是( )
A．并不是所有的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．杂化轨道都用来成键
D [参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p的能量相差太大，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、B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，可使电子云的重叠程度更大，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成键，也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成)，故D项错误。]
2．三氯化磷分子中的中心原子以sp3杂化，下列有关叙述正确的是( )
①3个P—Cl键长、键角均相等
②空间结构为平面三角形
③空间结构为正四面体形
④空间结构为三角锥形
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
D [PCl3中P原子采取sp3杂化，有一对孤电子对，结构类似于NH3分子，3个P—Cl键长、键角均相等，空间结构为三角锥形。]
3．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分子中的O原子为sp2杂化
B．CO2分子中的C原子为sp杂化
C．BF3分子中的B原子为sp3杂化
D．CH3COOH分子中的C原子均为sp2杂化
B [H2O2分子中O原子形成2个σ键，含有2对孤电子对，所以O原子为sp3杂化，A错误；CO2分子为直线形，C原子为sp杂化，B正确；BF3分子中B原子形成3个σ键，没有孤电子对，B原子为sp2杂化，C错误；CH3COOH分子的羧基中C原子形成3个σ键，没有孤电子对，采取sp2杂化，但甲基中C原子形成4个σ键，没有孤电子对，采取sp3杂化，D错误。]
4．以硼酸(H3BO3)为原料可制得硼氢化钠(NaBH4)，NaBH4是有机合成中重要的还原剂，可将羧酸直接还原成醇。
(1)BHeq \\al(－,4)中B原子的杂化类型为__________，BHeq \\al(－,4)的空间结构为__________。
(2)乙酸分子()中键角1大于键角2，其原因为___________。
[解析] (1)BHeq \\al(－,4)中B原子的σ键电子对数为4，孤电子对数＝eq \f(3＋1－4×1,2)＝0，价层电子对数为4，故B原子采取sp3杂化，BHeq \\al(－,4)的空间结构为正四面体形。
(2)由于双键对单键的斥力大于单键对单键的斥力，所以乙酸分子中键角1大于键角2。
[答案] (1)sp3 正四面体形 (2)C===O对C—C的斥力大于C—O对C—C的斥力
5．写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原子采取__________杂化，分子的结构式为__________，空间结构呈__________。
(2)HCHO中的C原子采取__________杂化，分子的结构式为__________，空间结构呈__________。
(3)H2S分子中的S原子采取__________杂化，分子的结构式为__________，空间结构呈__________。
[解析] (1)CO2分子中C原子的价层电子对数＝2＋eq \f(4－2×2,2)＝2，C原子采取sp杂化，分子的空间结构为直线形。(2)HCHO中C原子与2个H原子形成2个σ键，与O原子形成1个σ键和1个π键，无孤电子对，故中心原子的杂化轨道数为3，采取sp2杂化，分子的空间结构为平面三角形。(3)H2S分子中S原子的价层电子对数＝2＋eq \f(6－2×1,2)＝4，S原子采取sp3杂化，VSEPR模型为四面体形，S原子上孤电子对数为2，故H2S分子的空间结构为V形。
[答案] (1)sp O===C===O 直线形
(2)sp2 平面三角形
(3)sp3 H—S—H V形
学 习 任 务
1．知道杂化轨道理论的基本内容。
2．能根据杂化轨道理论确定简单分子的空间结构。
杂化轨道类型
VSEPR模型
典型分子
空间结构
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
杂化轨道理论要点及中心原子的杂化轨道类型的判断