高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第二课时导学案及答案

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第二课时　杂化轨道理论简介
[明确学习目标]　1.能从微观角度理解中心原子的杂化轨道类型对分子空间结构的影响。2.掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。




1．杂化轨道理论
杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。
2．杂化轨道的类型
(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)。

3．VSEPR模型与中心原子杂化轨道类型

杂化轨道类型
VSEPR模型
VSEPR模型名称
典型分子
分子空间结构
sp

直线形
CO2
直线形
sp2

平面三角形
SO2
V形
sp3

四面体形
H2O
V形
sp2

平面三角形
SO3
平面三角形
sp3

四面体形
NH3
三角锥形
sp3

正四面体形
CH4
正四面体形



1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)杂化轨道全部参加形成化学键。(　　)
(2)杂化前后的轨道数不变，但杂化后轨道的形状发生了改变。(　　)
(3)sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°。(　　)
(4)烷烃分子中碳原子均采用sp3杂化。(　　)
(5)2s轨道可以和3p轨道形成sp2杂化轨道。(　　)
(6)NCl3中N原子是sp3杂化，BCl3中B原子也是sp3杂化。(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×
解析　(1)杂化轨道可以部分参加形成化学键，如NH3中N发生sp3杂化，形成了4个sp3杂化轨道，但是只有3个参与形成化学键。
(5)2s轨道和3p轨道的能量相差较大，无法形成sp2杂化轨道。
(6)NCl3的中心原子N原子有4对价层电子对，所以是sp3杂化，而BCl3的中心原子B原子只有3对价层电子对，应该是sp2杂化。
2．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　np轨道有三个：npx、npy、npz，当s轨道和p轨道杂化时只有三种类型：①sp杂化，即一个s轨道和一个p轨道的杂化；②sp2杂化，即一个s轨道和两个p轨道的杂化；③sp3杂化，即一个s轨道和三个p轨道的杂化。
3．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
答案　A
解析　sp杂化轨道的空间结构是直线形，夹角为180°；sp3杂化轨道的空间结构为正四面体，夹角是109°28′；sp2杂化轨道的空间结构为平面三角形，夹角是120°，因此sp杂化轨道的夹角最大，A正确。
4．下列说法正确的是(　　)
A．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四面体形
B．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轨道混合而形成的
C．乙炔分子中，两个碳原子均采用sp2杂化
D．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的1个s轨道和3个p轨道杂化形成的一组能量相等的新轨道
答案　D
解析　中心原子采取sp3杂化的分子，VSEPR模型是四面体形，但其空间结构不一定是四面体形，如水和氨气分子中的中心原子均采取sp3杂化，但H2O是V形分子，NH3是三角锥形分子，A错误；甲烷分子中碳原子形成4个σ键且不含孤电子对，碳原子采取sp3杂化，这4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C—H σ键，B错误；乙炔分子中每个C原子形成2个σ键和2个π键。价层电子对数是2，且不含孤电子对，故C原子均为sp杂化，C错误；同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化可形成一组能量相等的新轨道，D正确。

知识点　杂化轨道理论与分子空间结构的关系


1．分子中中心原子的杂化类型
(1)根据杂化轨道的空间分布结构判断

空间结构
杂化类型
若杂化轨道在空间的分布为正四面体形
sp3杂化
若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形
sp2杂化
若杂化轨道在空间的分布呈直线形
sp杂化

(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′，则分子的中心原子采取sp3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则分子的中心原子采取sp2杂化；若杂化轨道之间的夹角为180°，则分子的中心原子采取sp杂化。
(3)根据杂化轨道数判断
因为杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对，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，由杂化轨道数可判断杂化轨道类型。

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．分子的空间结构与杂化类型的关系
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。

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



分子空间结构
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，会使分子或离子的空间结构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
空间结构
实例
AB2
sp2
1
V形
SO2
AB3
sp3
1
三角锥形
NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2(B2A)
2
V形
H2S、NH



[解析]　PCl3中P原子形成3个σ键，孤电子对数为1，则为sp3杂化，为三角锥形，A正确；NH中N原子形成4个σ键，孤电子对数为0，则为sp3杂化，为正四面体形，B正确；H2S分子中S原子形成2个σ键，孤电子对数为2，则为sp3杂化，为V形，C错误；SO2中S原子形成2个σ键，孤电子对数为1，则为sp2杂化，为V形，D正确。
[答案]　C
易错警示
杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同，中心原子杂化类型相同时孤电子对越多，键角越小。例如，NH3中的氮原子与CH4中的碳原子均为sp3杂化，但键角分别为107°和109°28′。

[练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．杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对
答案　A
解析　参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A错误。
[练2]　下列说法正确的是(　　)
A．乙炔分子中，每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键
B．sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合形成的4个能量不同的sp3杂化轨道
C．凡中心原子采取sp2杂化的分子，其分子空间结构都是平面三角形
D．氨分子中有1对未参与杂化的孤电子对
答案　A
解析　乙炔分子的结构式为CHCH，中心原子碳原子采取sp杂化，每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键，A正确；sp3杂化轨道是指同一电子层内能量相近的1个s轨道和3个p轨道进行重新组合，形成能量相同的4个sp3杂化轨道，B错误；中心原子采取sp2杂化的分子，不含孤电子对的，其分子空间结构都是平面三角形，否则不是，如二氧化硫分子中，硫原子采取sp2杂化，含有1对孤电子对，所以空间结构为V形，C错误；氨分子中，氮原子为sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道，其中1个sp3杂化轨道已有2个电子，属于孤电子对，D错误。

本课归纳总结





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
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、sp 3种，不可能出现sp4杂化。
2．有机物中标有“”的碳原子的杂化方式依次为(　　)
A．sp、sp2、sp3 B．sp3、sp、sp2
C．sp2、sp、sp3 D．sp3、sp2、sp
答案　D
解析　根据价层电子对互斥模型可判断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。
3．氨分子的空间结构是三角锥形，而甲烷分子的空间结构是正四面体形，这是因为(　　)
A．两种分子的中心原子的杂化轨道类型不同，NH3中氮原子为sp2杂化，而CH4中碳原子为sp3杂化
B．NH3分子中氮原子形成3个杂化轨道，CH4分子中碳原子形成4个杂化轨道
C．NH3分子中有一对未成键的孤电子对
D．氨分子是4原子化合物，甲烷分子是5原子化合物
答案　C
解析　NH3和CH4的中心原子都是sp3杂化，均形成4个杂化轨道，故A、B错误；分子的空间结构与分子中原子个数无关，故D错误。
4．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
答案　B
解析　H2O2分子中O原子形成2个σ键，含有2对孤电子对，所以O为sp3杂化，A错误；CO2分子为直线形结构，C原子为sp杂化，B正确；BF3分子中B与F形成3个σ键，孤电子对数为0，B原子为sp2杂化，C错误；CH3COOH分子羧基中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。
5．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
答案　B
解析　A项，H2O中氧原子为sp3杂化，分子的空间结构为V形，SO2中硫原子为sp2杂化，分子的空间结构为V形；B项，BeCl2和CO2的中心原子都是sp杂化，分子的空间结构为直线形；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。
6．利用杂化轨道理论填写下表。

分子
中心原子杂化类型
空间结构
CO2


SiF4


BCl3


NF3


苯



答案　
分子
中心原子杂化类型
空间结构
CO2
sp
直线形
SiF4
sp3
正四面体形
BCl3
sp2
平面三角形
NF3
sp3
三角锥形
苯
sp2
平面正六边形

解析　CO2中C原子有2对σ键电子对，孤电子对数为＝0，则C原子采取sp杂化，CO2为直线形分子。SiF4中Si原子有4对σ键电子对，孤电子对数为＝0，则Si原子采取sp3杂化，SiF4为正四面体形分子。BCl3中B原子有3对σ键电子对，孤电子对数为＝0，则B原子采取sp2杂化，BCl3为平面三角形分子。NF3中N原子有3对σ键电子对，孤电子对数为＝1，则N原子采取sp3杂化，NF3为三角锥形分子。苯中每个C原子有3对σ键电子对，不含孤电子对，碳原子采取sp2杂化，苯为平面正六边形分子。

课时作业
一、选择题(本题共7小题，每小题只有1个选项符合题意)
1．下列有关ABn分子中杂化轨道的说明正确的是(　　)
A．杂化轨道的空间伸展方向、能量各不相同
B．杂化轨道的空间伸展方向、能量都相同
C．杂化轨道的数目与参与杂化的轨道数目相等
D．参与杂化的轨道上的电子均参与成键
答案　C
解析　杂化轨道的空间伸展方向不同，但能量相同，A、B错误；参与杂化的轨道上的电子不一定均参与成键，如H2O分子中的氧原子上有2对孤电子对没有参与成键，D错误。
2．下列图形属于sp杂化轨道的是(　　)

答案　D
解析　sp杂化轨道夹角为180°，C项属于未杂化的p轨道。
3．下列有关sp2杂化轨道的说明错误的是(　　)
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杂化轨道由1个s轨道与2个p轨道杂化形成
D．sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
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正确；同种类型的杂化轨道能量相同，B正确；sp2杂化轨道是由1个s轨道与2个p轨道杂化而成的，C正确；sp2杂化轨道最多可形成3个σ键，D错误。
4．有关苯分子的化学键描述正确的是(　　)
A．每个碳原子sp2杂化轨道中的其中一个形成π键
B．每个碳原子未参加杂化的2p轨道形成π键
C．碳原子的三个sp2杂化轨道与其他原子形成一个σ键，两个π键
D．碳原子未参加杂化的2p轨道与其他原子形成σ键
答案　B
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π键。
5．在COCH3CH3分子中，羰基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；sp3杂化
答案　C
解析　在CH3COCH3(丙酮)分子中，羰基碳原子含有3个σ键且不含孤电子对，所以采用sp2杂化；甲基碳原子含有4个σ键且不含孤电子对，所以采用sp3杂化，C正确。
6．下列分子的空间结构可以用sp2杂化轨道来解释的是(　　)
①BF3　②CH2===CH2　③　④HCCH
⑤NH3　⑥CH4
A．①②③ B．①⑤⑥
C．②③④ D．③⑤⑥
答案　A
解析　sp2杂化形成夹角为120°的平面三角形杂化轨道，①BF3为平面三角形且B—F键夹角为120°；②C2H4中碳原子为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。
7．下列分子或离子中，中心原子杂化轨道的空间结构为正四面体形且分子或离子的空间结构为V形的是(　　)
A．NH B．PH3
C．H3O＋ D．OF2
答案　D

微粒
中心原子价电子对数
杂化类型及杂化轨道空间结构
分子或离子空间结构
NH
4＋0
sp3，正四面体形
正四面体形
PH3
3＋1
sp3，正四面体形
三角锥形
H3O＋
3＋1
sp3，正四面体形
三角锥形
OF2
2＋2
sp3，正四面体形
V形

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)
8．下列分子中的中心原子杂化轨道类型相同的是(　　)
A．CO2与SO2 B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H4与苯(C6H6)
答案　BD
解析　CO2中碳原子为sp杂化，SO2中硫原子为sp2杂化，二者不相同，故A不符合题意；CH4中碳原子为sp3杂化，NH3中氮原子为sp3杂化，二者相同，故B符合题意；BeCl2中铍原子为sp杂化，BF3中硼原子为sp2杂化，二者不相同，故C不符合题意；C2H4中碳原子为sp2杂化，C6H6中碳原子为sp2杂化，二者相同，故D符合题意。
9．下列说法正确的是(　　)
A．CS2为V形分子
B．ClO的空间结构为平面三角形
C．SF6中有6对完全相同的成键电子对
D．SiF4和SO的中心原子均采取sp3杂化
答案　CD
解析　CS2中碳原子为sp杂化，为直线形分子，A错误；ClO中Cl的价层电子对数＝3＋×(7＋1－2×3)＝4，含有1对孤电子对，则ClO的空间结构为三角锥形，B错误；SF6中含有6个S—F键，每个S—F键含有1对成键电子对，则SF6分子中有6对完全相同的成键电子对，C正确；SiF4中Si的价层电子对数＝4＋×(4－1×4)＝4，SO中S的价层电子对数＝3＋×(6＋2－2×3)＝4，则SiF4和SO的中心原子均采取sp3杂化，D正确。
10．下列分子或离子中中心原子的杂化方式和分子或离子的空间结构均正确的是(　　)
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
答案　D
解析　乙炔的结构式为CHCH，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。
11．下列说法正确的是(　　)
A．PCl3分子是三角锥形，这是因为磷原子采用sp2杂化
B．乙烯分子中的碳氢键是由氢原子的1s轨道和碳原子的一个sp3杂化轨道形成的
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
答案　C
解析　PCl3分子中P采用sp3杂化，但有一对孤电子对，所以PCl3分子是三角锥形，A错误；乙烯分子中碳原子采用sp2杂化，形成的C—H键为s－sp2σ键，B错误；中心原子采用sp3杂化的CH4、NH3、H2O的空间结构分别为正四面体形、三角锥形、V形，C正确；NH3为AB3型，但是NH3的空间结构为三角锥形，D错误。
三、非选择题(本题共3小题)
12．已知三聚氰胺的结构式如下图所示：

三聚氰胺是氰胺(CH2NN)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CN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方式分别是________、________、________。
(3)一个三聚氰胺分子中有________个σ键。
答案　(1)1s22s22p2　(2)sp　sp2　sp3　(3)15
解析　(2)CN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键且均有一对孤电子对，所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。
(3)除每个双键上有1个σ键，1个π键外，其余均为σ键。
13．指出下列原子的杂化轨道类型及分子或离子的空间结构。
(1)CO2中的C采取________杂化，分子空间结构为________；
(2)SiF4中的Si采取________杂化，分子空间结构为________；
(3)BCl3中的B采取________杂化，分子空间结构为________；
(4)NF3中的N采取________杂化，分子空间结构为________；
(5)NO中的N采取________杂化，离子空间结构为________。
答案　(1)sp　直线形　(2)sp3　正四面体形　(3)sp2　平面三角形　(4)sp3　三角锥形　(5)sp2　V形
解析　(1)CO2分子中C原子以两个sp杂化轨道分别与两个O原子形成σ键，C原子上另两个未杂化的2p轨道分别与两个O原子上的p轨道形成π键，分子空间结构为直线形。
(2)SiF4中Si以四个sp3杂化轨道分别与四个F形成σ键，分子空间结构为正四面体形。
(3)BCl3中B采取sp2杂化，三个杂化轨道分别与三个Cl形成σ键，分子空间结构为平面三角形。
(4)NF3中N采取sp3杂化，其中一个杂化轨道上有一对孤电子对，不参与成键，另外三个杂化轨道分别与三个F形成σ键，由于一对孤电子对的存在，三个F不可能与孤电子对平均分占N周围的空间，而是被孤电子对排斥到一侧，形成三角锥形结构。
(5)NO中N采取sp2杂化，其中两个杂化轨道分别与两个O形成σ键，另一个杂化轨道有一对孤电子对，形成V形分子结构。

14．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[H3O]＋[BHOFFF]－中阳离子的空间结构为________，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________。

答案　(1)sp3、sp2　(2)sp2　(3)三角锥形　sp3　(4)sp3　(5)sp3
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)COH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。