高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第2课时学案设计

第2课时　杂化轨道理论简介

必备知识·自主学习

杂化轨道理论简介

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2s轨道和3个2p轨道发生混杂，得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的4个顶角，夹角109°28′，称为sp3杂化轨道，碳原子以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，呈现正四面体的空间结构。

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

(2)sp2杂化轨道

(3)sp杂化轨道

①sp、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。

②双原子分子中(如HCl)，不存在杂化过程。

(4)VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型

(1)(思维升华)凡AB3型的共价化合物，其中心原子A是否均采用sp3杂化轨道成键？

提示：不一定。例如SO3是采用sp2杂化轨道成键。

(2)(教材二次开发)ClO、ClO、ClO中，中心原子Cl是以哪种杂化轨道方式与O原子成键？它们的空间结构如何？

提示：由VSEPR模型可知，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。它们的空间结构分别是V形、三角锥形、正四面体形。

关键能力·合作学习

知识点　杂化类型及分子空间结构的判断

1．原子轨道的杂化过程

2．杂化类型与分子构型

(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时

(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时由于孤电子对参与互相排斥，会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。在杂化轨道的基础上，略去孤电子对，即为分子的立体构型。

3．中心原子轨道杂化类型的判断

(1)利用价层电子对互斥理论、杂化轨道理论判断成为分子构型的思路：

价层电子对VSEPR模型杂化轨道构型。

(2)根据VSEPR模型判断：

(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。

4．等电子原理：原子总数相同、价电子总数相同的分子，具有相似的化学键特征，它们的许多性质是相近的。满足等电子原理的分子称为等电子体。例如CO和N2具有相同的原子总数和相同的价电子总数，属于等电子体。

(1)(思维升华)2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道？

提示：不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道。2s与3p不在同一能级，能量相差较大，不能形成杂化轨道。

(2)(教材二次开发)CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法？

提示：CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子的孤电子对数依次为0个、1个、2个。孤电子对数越多，排斥作用越大，键角越小。

(3)(前后联系)氧原子的价电子排布式为2s22p4，2p轨道有两个未成对电子，可分别与一个H原子的1s电子形成一个σ键，不用杂化。但事实是氧原子形成了四个sp3杂化轨道，且键角是104.5°，空间结构为角形，为什么？

提示：在形成水分子时，O的2s轨道和2p轨道发生了sp3杂化，形成四个sp3杂化轨道，呈正四面体形。其中两个sp3杂化轨道中各有一个未成对电子，另外两个sp3杂化轨道已有两对孤电子对，不再成键。氧原子与氢原子化合时，O的sp3杂化轨道与H的1s轨道重叠，形成两个σ键。由于两对孤电子对的电子云密集在O的周围，对两个成键的电子对有更大的排斥作用，使O—H键之间的键角被压缩，因此H2O分子的空间结构为角形。

【典例】(2021·北京朝阳区高二检测)下列中心原子的杂化轨道类型和分子立体构型不正确的是(　　)

A．PCl3中P原子sp3杂化，为三角锥形

B．NH中N原子sp3杂化，为正四面体形

C．H2S中S原子sp杂化，为直线形

D．SO2中S原子sp2杂化，为V形

【思维建模】

(1)根据杂化轨道的立体构型判断：

(2)根据杂化夹角判断：

【解析】选C。该分子中P原子价层电子对数＝3＋＝4且含有一个孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断其中心原子杂化类型是sp3，实际空间构型为三角锥形，故A正确；该离子中N原子价层电子对数＝4＋＝4且不含孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断N原子为sp3杂化，为正四面体形，故B正确；该分子中S原子价层电子对数＝2＋＝4且含有两个孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断S原子采用sp3杂化，为V形结构，故C错误；该分子中S原子价层电子对数＝2＋＝3且含有一个孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断S原子为sp2杂化，为V形，故D正确。

【母题追问】H2S与H2O杂化方式和分子构型相同吗？键角相同吗？

提示：H2S与H2O中心原子都是sp3杂化，分子构型均为V形，键角H2O＞H2S。

键角大小比较

(1)比较键角时，先看中心原子杂化类型，杂化类型不同时一般键角按sp、sp2、sp3顺序依次减小；

(2)杂化类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。

硫及其化合物在化工生产中的应用非常广泛。蓝矾具有催吐、祛腐、解毒；治风痰壅塞、喉痹、癫痫、牙疳、口疮、烂弦风眼、痔疮、肿毒的功效并且有一定的副作用。三氧化硫在表面活性剂和离子交换树脂生产中，广泛用作反应剂、染料中间体的生产、石油润滑馏分的磺化和酸精制、可用于合成磺胺、硫酸、氯磺

酸、氨基磺酸、硫酸二甲酯、洗涤剂等。

(1)蓝矾(CuSO4·5H2O)的结构如图所示：

SO的空间结构是__________，其中S原子的杂化轨道类型是__________。

(2)气态SO3分子的空间结构为________；将纯液态SO3冷却到289.8 K时凝固得到一种螺旋状单链结构的固体，其结构如图，此固态SO3中S原子的杂化轨道类型是__________。

提示：(1)SO中S有4个σ键，孤电子对数是＝0，因此价层电子对数为4，空间结构是正四面体形，杂化轨道数＝价层电子对数＝4，即杂化类型为sp3杂化。(2)SO3中价层电子对数为3，没有孤电子对，空间结构为平面三角形；图中固态SO3中S原子形成4个共价单键，其杂化轨道类型是sp3杂化。

答案：(1)正四面体形　sp3杂化　(2)平面三角形　sp3杂化

三言两语话重点

1．杂化轨道理论：能量相近的原子轨道才能杂化。

2．必记的三个对应关系

(1)价层电子对VSEPR模型杂化轨道构型。

(2)价层电子对数与杂化轨道构型的对应关系：2～sp、3～sp2、4～sp3。

(3)有机物中碳原子杂化类型饱和碳原子采取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。

课堂检测·素养达标

1．(2021·济南高二检测)下列有关杂化轨道理论的说法中正确的是(　　)

A．NCl3分子呈三角锥形，这是氮原子采取sp2杂化的结果

B．sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道

C．中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或V形

D．AB3型的分子空间结构必为平面三角形

【解析】选C。NCl3分子中氮原子上的价层电子对数＝3＋＝4，因此NCl3分子中氮原子采取sp3杂化，A错误；sp3杂化轨道是原子最外电子层上的s轨道和3个p轨道“混杂”起来，形成能量相等、成分相同的4个轨道，B错误；一般中心原子采取sp3杂化的分子所得到的VSEPR模型为四面体形，如甲烷分子，若中心原子有孤电子对，则空间结构发生变化，如NH3、PCl3分子是三角锥形，D错误，C正确。

2．(2021·武汉高二检测)下列四种分子中，中心原子的杂化方式与其他三种不同的是(　　)

A．SOCl2　　　　  B．BF

C．CH2Br2        D．AlCl3

【解析】选D。SOCl2、BF、CH2Br2中中心原子的价层电子对数均为4，均采取sp3杂化，而AlCl3中中心原子的价层电子对数为3，采取sp2杂化，故选D。

3．下列分子中中心原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间结构为直线形且分子中没有形成π键的是(　　)

A．C2H2       B．CO2

C．BeCl2       D．SO

【解析】选C。C2H2的结构简式为CH≡CH，分子中含有三键而有π键，A错误；CO2的结构式为O=C=O，分子中含有π键，B错误；BeCl2分子中，铍原子形成两个共价单键，不含孤电子对，中心原子采取sp杂化轨道成键，分子的空间结构为直线形，分子中不含π键，C正确；SO中S原子的价层电子对数为4，采取sp3杂化，D错误。

4．(教材二次开发·教材习题改编)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、四面体形

B．HClO：sp、直线形

C．H3O＋：sp3、V形

D．BF3：sp2、平面三角形

【解析】选D。乙炔的结构式为H—C≡C—H，C原子采取sp杂化，为直线形结构，A错误；HClO分子的结构式为H—O—Cl，氧原子采取sp3杂化，分子结构为角形，B错误；H3O＋中氧原子的价层电子对数是4，中心原子采取sp3杂化，空间结构为三角锥形，C错误；BF3分子中硼原子价层电子对数是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，D正确。

5．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

【解析】选C。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项错误；NH、NH3、NH三种微粒的键角大小关系为NH>NH3>NH，D正确。

6．(2021·广州高二检测)氮的最高价氧化物为无色晶体，它由两种离子构成，已知其阴离子构型为平面三角形，则其阳离子的构型和阳离子中氮的杂化方式为(　　)

A．平面三角形　sp2杂化　

B．V形　sp2杂化

C．三角锥形　sp3杂化　

D．直线形　sp杂化

【解析】选D。氮的最高价氧化物为N2O5，由两种离子构成，其中阴离子构型为平面三角形，化学式应为NO，则其阳离子的化学式为NO，其中心N原子价层电子对数为2＋(5－1－2×2)＝2，所以其中的氮原子按sp方式杂化，阳离子的构型为直线形。

7．白磷是一种能自燃的单质，其分子的球棍模型如图所示，下列叙述错误的是(　　)

A．每个磷原子形成3个σ键，磷原子为sp2杂化

B．每个磷原子的价层电子对数为4，磷原子均为sp3杂化

C．1 mol白磷中共含6 mol σ键

D．白磷的分子构型为正四面体形

【解析】选A。由白磷分子的球棍模型图可知，每个磷原子均形成了3个σ键，且每个磷原子还有一对孤电子对，故价层电子对数为4，磷原子为sp3杂化，A错误，B正确；由图可知C、D正确。

8．(2021·湖南选择考节选)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。SiCl4与N­甲基咪唑()反应可以得到M2＋，其结构如图所示：

N­甲基咪唑分子中碳原子的杂化轨道类型为___________，H、C、N的电负性由大到小的顺序为____________，1个M2＋中含有____________个σ键。

【解析】由M2＋的结构可知，离子中含有杂化方式为sp3杂化的单键碳原子和sp2杂化的双键碳原子；元素的非金属性越强，其电负性越大，元素的非金属性强弱顺序为N>C>H，则元素电负性的大小顺序为N>C>H；M2＋的结构中含有单键、双键和配位键，单键和配位键都是σ键，双键中含有1个σ键，则离子中含有54个σ键。

答案：sp2、sp3　N>C>H　54

素养新思维

9．三聚氰胺由于含氮量高，常被不法商人用作食品添加剂，以提升检测中的蛋白质含量指标。但人体长期摄入三聚氰胺，可造成生殖、泌尿系统的损害。三聚氰胺是氰胺(H2N—C≡N)的三聚体，已知三聚氰胺的结构简式如图所示。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、三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子，这三种氮原子的杂化轨道类型分别是____________、____________、____________。

(3)一个三聚氰胺分子中有____________个σ键。

(4)三聚氰胺与三聚氰酸()分子相互结合，在肾脏内易形成结石。三聚氰酸分子中碳原子采取__________________________________

杂化。该分子的结构简式中，形成双键的两个原子之间的共价键是____________(填字母)。

A．两个σ键

B．两个π键

C．一个σ键，一个π键

【解析】(1)基态碳原子的电子排布式为1s22s22p2。

(2)—C≡N中的氮原子、三聚氰胺分子中环上的氮原子、—NH2中的氮原子分别形成1、2、3个σ键且均有一对孤电子对，所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。

(3)除每个双键中有一个π键外，其余均为σ键，共15个。(4)由于该分子中碳原子形成双键，则应采取sp2杂化。形成双键的两个原子之间有一个σ键、一个π键。

答案：(1)1s22s22p2　(2)sp　sp2　sp3　(3)15　　(4)sp2　C