化学选择性必修2第2节 共价键与分子的空间结构第1课时导学案

第1课时　杂化轨道理论

课程标准

1．了解典型的分子空间构型，能够制作典型分子的空间模型。

2．了解杂化轨道理论，掌握常见的杂化轨道类型。

3．能够应用杂化轨道理论解释典型分子的空间构型。

学法指导

1.通过甲烷分子的空间构型，认识杂化轨道的形成，从而利用杂化轨道理论解释一些分子的空间构型。

2．通过杂化轨道理论可以推得一些常见分子的空间构型，同样也可以根据一些常见分子的空间构型倒推杂化轨道的类型，从而建立一种二者的互推方法。

必备知识·自主学习——新知全解一遍过

知识点一杂化轨道理论

1.甲烷分子的组成和结构

2.杂化轨道理论

(1)杂化原子轨道(杂化轨道)

①原子轨道的杂化：原子内部____________的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程。

②杂化轨道：原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道叫杂化原子轨道，简称____________。

③特点：形成杂化轨道可以使原子与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度________，形成的共价键更牢固。

(2)甲烷中碳原子的杂化类型

学思用

1．下面是甲烷分子的几种结构示意图、球棍模型和空间填充模型，它们都是甲烷分子构型的几种直观表示方式：

甲烷分子为什么是正四面体形的分子？

甲烷分子的中心碳原子采用的是什么杂化类型？

2．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。(　　)

(2)杂化轨道用于形成π键。(　　)

知识点二杂化轨道类型及典例分析

1.杂化轨道的类型

2.苯分子的空间构型分析

(1)苯的空间构型

(2)苯分子中的大π键：六个碳原子上各有一个未参与杂化的垂直于碳环平面的________轨道，这六个轨道以“________”的方式形成含有六个电子、属于六个碳原子的________。

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。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)1个s轨道和2个p轨道能形成sp杂化轨道。(　　)

(2)轨道杂化的目的是使原子轨道重叠程度更大，因此杂化前后轨道的形状、轨道的伸展方向及轨道的个数均发生改变。(　　)

(3)杂化轨道间的夹角与分子的键角一定一致。(　　)

(4)乙烯分子中的碳原子上的价电子全部参与杂化。(　　)

(5)在乙烯分子和苯分子中，成键碳原子都采用sp2杂化方式，因此两者的化学性质相同。(　　)

2．下列各项中分子的中心原子形成的杂化轨道类型相同的是(　　)

A．CO2与H2O        B．CH4与NH3

C．BeCl2与BF3        D．C2H2与C2H4

关键能力·课堂探究——学科素养全通关

提升点杂化轨道与分子空间构型的关系

1.判断中心原子杂化轨道类型的方法

2.分子的空间构型与杂化轨道的关系(当杂化轨道全部用于形成σ键时)

3.杂化轨道的特点

(1)形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。

(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)杂化前后轨道数目不变。

(4)杂化后轨道伸展方向、形状发生改变。

(5)只有能量相近的轨道才能杂化(如ns、np)。

互动探究

有机化合物是自然界中存在最多的一类化合物。

问题1　烷烃分子中碳原子杂化方式是否相同？采用的杂化轨道类型有哪些？

问题2　甲苯分子中所有碳原子的杂化方式是否相同？采用何种杂化方式？

问题3　烯烃的碳碳双键和炔烃的碳碳三键上的碳原子的杂化方式是否相同？若不相同，则各是什么杂化方式(若相同，此问不回答)?

典例示范

[典例]　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

素养训练

[训练]　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．1 mol A分子中所含σ键为10 mol

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

课 堂 总 结

[知识导图]

[误区警示]

1．形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。

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．杂化前后轨道数目不变。

4．杂化后轨道的伸展方向及形状发生改变。

5．只有能量相近的轨道才能杂化(ns、np)。

6．sp杂化和sp2杂化的两种形式中，原子还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。

随堂检测·强化落实——基础知能练到位

1．sp3杂化形成的AB4型分子的空间构型(　　)

A．平面四方形        B．正四面体

C．四角锥形        D．平面三角形

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

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．杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对

C．NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个2p轨道与H原子的1s轨道杂化而成的

D．在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道分别与3个氢原子的1s轨道重叠形成3个C—H σ键

4．下列有关苯分子的说法不正确的是(　　)

A．苯分子中C原子均以sp2杂化方式成键，形成夹角为120°的三个sp2杂化轨道，故为正六边形的碳环

B．每个碳原子还有一个未参与杂化的2p轨道，垂直碳环平面，相互重叠，形成大π键

C．大π键中6个电子被6个C原子共用，故称为6中心6电子大π键

D．苯分子中共有六个原子共面，六个碳碳键完全相同

5．如图是甲醛分子的空间填充模型和球棍模型(棍代表单键或双键)。根据图示和所学化学键知识回答下列问题：

(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    ④σ键和π键

第1课时　杂化轨道理论

必 备 知 识·自 主 学 习

[知识点一]

2．(1)能量相近　杂化轨道　更大　(2)s　sp3　p

[学思用]

1．答案：甲烷分子是正四面体形的主要原因是甲烷分子的中心碳原子采用的是sp3杂化类型，其杂化轨道的空间构型是正四面体形，每个杂化轨道与氢原子的1s轨道形成四个共价键，故其为正四面体结构。

2．解析：(1)杂化轨道的个数与参与杂化的轨道的个数是相等的。(2)杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键，π键一般是未参与杂化的原子轨道之间形成。

答案：(1)√　(2)×

[知识点二]

1．1　1　1　2　1　3　2　3　4　直线　平面三角　正四面体

2．(1)sp2—sp2　sp2—s　(2)2p　肩并肩　大π键

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×

2．解析：C2H2、CO2和BeCl2的中心原子都是采取sp杂化，C2H4、BF3的中心原子都是采取sp2杂化，CH4、H2O和NH3的中心原子都是采取sp3杂化。故B项正确。

答案：B

关 键 能 力·课 堂 探 究

提升点

[互动探究]

提示1：由于碳原子的成键方式均是与其他原子形成单键，所以杂化方式相同，均采用sp3杂化成键。

提示2：甲苯分子中碳原子的杂化方式不全相同。其中甲基上的碳原子采用sp3杂化成键，苯环上的所有碳原子均是sp2杂化成键。

提示3：不相同。碳碳双键上的碳原子采用的杂化方式是sp2杂化，碳碳三键上碳原子是sp杂化成键。

[典例]　解析：乙炔分子的结构式为H—C≡C—H，中心原子碳原子采取sp杂化，每个碳原子都有2个未参与杂化的2p轨道形成π键，A项正确；sp3杂化轨道是指能量相近的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项错误；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个孤电子对，所以空间结构为角形，C项错误；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项错误。

答案：A

[训练]　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个共用电子对、11个σ键，C项错误；由于氮原子为sp3杂化，故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。

答案：B

随 堂 检 测·强 化 落 实

1．解析：sp3杂化形成的AB4型分子中，四个杂化轨道均参与形成σ键，故空间构型为正四面体形。

答案：B

2．解析：—CH3中C原子为饱和C原子，采用sp3杂化；碳碳双键中的C原子形成3个σ键，则该C原子采用sp2杂化；碳碳三键中的C原子形成2个σ键，则该C原子采用sp杂化。

答案：D

3．解析：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，不能用来形成π键，A项错误，B项正确；NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的1个2s轨道和3个2p轨道杂化而成的，C项错误；在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道分别与2个氢原子的1s轨道重叠形成2个C—H σ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—C σ键，D项错误。

答案：B

4．解析：苯分子中共有12个原子共面。

答案：D

5．解析：(1)由图可知，甲醛分子的空间结构为平面三角形，所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。(2)甲醛分子中的碳氧键是双键，双键有1个σ键和1个π键。

答案：(1) sp2杂化　甲醛分子的空间结构为平面三角形

(2)②④