2.2.1 分子空间结构的理论分析 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （鲁科版2019，鲁琼）

第1课时　分子空间结构的理论 分析 第2章　第2节 1.了解常见分子的空间结构。 2.理解杂化轨道理论的主要内容，并能用杂化轨道理论解释或预测某些分子或 离子的空间结构。 核心素养 发展目标 一、杂化轨道理论 二、典型分子的空间结构 课时对点练 内容索引 3 杂化轨道理论 一 1.杂化轨道理论的提出 (1)基态碳原子的价电子排布及原子轨道图 (2)杂化轨道理论的提出 研究事实：甲烷(CH4)—正四面体形结构，H—C—H键角为109°28′。分子结构如图： 根据价键理论，碳原子的价电子中只有两个未成对的2p电子。若碳原子与氢原子结合，应形成CH2而不是CH4，即使碳原子的一个2s电子受外界条件影响跃迁到2p空轨道，使碳原子具有四个未成对电子，但这四个价电子的原子轨道是3个相互垂直的2p轨道与1个球形的2s轨道，它与四个氢原子形成的分子也不应当具有规则的正四面体形结构。为了解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论。 2.甲烷(CH4)分子中碳原子的杂化类型 能量相同 2s 2p 3.杂化轨道的形成及其特点 空间取向 增强 相近 相同 等于 4.杂化轨道的类型 杂化类型 sp sp2 sp3 用于杂化的原 子轨道及数目 ns __ __ __ np __ __ __ 杂化轨道的数目 __ __ __ 杂化轨道间的夹角 _____ _____ _________ 1 2 3 2 3 4 1 1 1 180° 120° 109°28′ 1.正误判断 (1)任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道 (2)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道 (3)杂化轨道能量相同 (4)sp2杂化后轨道数目是2 (5)sp杂化轨道是直线形，夹角为180° × √ × √ 应用体验 √ 应用体验 2.下列有关杂化轨道的说法不正确的是 A.原子中能量相近的某些轨道，在成键时能重新组合成能量相等的新 轨道 B.轨道杂化前后轨道数目可以相等，也可以不等 C.杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理 D.杂化轨道可分为sp、sp2、sp3杂化等 √ 原子中能量相近的某些轨道，在成键时能重新组合成能量相等的新轨道，轨道数不变，轨道形状发生变化，A正确、B错误； 杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理，这样形成的分子才能最稳定，C正确。 应用体验 3.ns轨道和np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 √ p能级只有3个轨道，不可能有sp4杂化。 杂化轨道理论四要点 (1)能量相近 原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。 (2)数目不变 形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。 归纳总结 归纳总结 (3)成键能力增强 杂化改变原有轨道的空间取向，使原子形成的共价键更牢固。 (4)排斥力最小 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。 返回 典型分子的空间结构 二 1.CH4分子的空间结构 CH4分子中碳原子的杂化过程如图： 四个杂化轨道的未成对电子与四个氢原子的1s电子配对形成 键。因为四个共价键的键长、键角均相同，所以CH4分子的空间结构为_____ _______。 σ 正四 面体形 2.乙烯分子的空间结构 乙烯分子中碳原子的杂化过程如图： 乙烯分子中每个碳原子的杂化轨道中含一个未成对电子，两个碳原子各以一个sp2杂化轨道形成一个 键，每个碳原子都以另外两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个 键，剩下的一个未参与杂化的2p轨道以“ ”的方式重叠，形成一个 键。 σ σ 肩并肩 π 3.乙炔分子的空间结构 乙炔分子中碳原子的杂化过程如图： 乙炔分子中碳原子的杂化轨道中各含一个未成对电子，两个碳原子各用一个sp杂化轨道形成一个 键，再用另外一个sp杂化轨道分别与氢原子的1s轨道形成一个 键，剩下的两个未参与杂化的2p轨道以 “ ”的方式重叠，形成 个 键。 σ σ 肩并肩 两 π 4.苯分子的空间结构与大π键 sp2 σ 5.NH3分子的空间结构 (1)NH3分子为三角锥形，分子中N—H键的键角为107.3°，分子空间结构如图： (2)NH3分子中N原子的杂化类型及成键情况： 氮原子的2s和2p轨道发生杂化，形成4个sp3杂化轨道，夹角应为 。其中3个sp3杂化轨道与H原子的1s轨道形成3个sp3-s σ键，剩余一个杂化轨道，存在一对未成键电子，称为孤电子对。它对成键电子对的排斥作用较强，使3个N—H键的键角减小，空间结构发生变化。 109°28′ 6.杂化轨道类型与分子空间结构的关系 (1)当杂化轨道全部用于形成σ键时 杂化类型 sp sp2 sp3 参与杂化的原子轨道及数目 ns __ __ __ np __ __ __ 空间结构 _______ ___________ ___________ 实例 CO2、BeCl2、CH≡CH BF3、SO3 CH4、CCl4 1 1 1 1 2 3 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，由于孤电子对的排斥作用，会使分子的空间结构，如H2O和NH3，O与N原子的杂化类型都为____杂化，孤电子对数分别为 、 ，分子空间结构分别为 、_________。 sp3 2 1 角形 三角锥形 1.如何用杂化轨道理论解释BeCl2分子的空间结构？ 深度思考 提示　基态铍原子的核外电子排布式为1s22s2，从表面上看铍原子似乎不能形成共价键，但是在激发态下，铍原子2s轨道上的一个电子可以进入2p空轨道，经过杂化形成两个sp杂化轨道，如图1所示。 深度思考 铍原子的两个sp杂化轨道分别与两个氯原子的3p轨道重叠形成两个sp-p σ键。由于杂化轨道间的夹角为180°，所以BeCl2分子的空间结构为直线形，如图2所示。 2.NH3、CH4两分子中，N、C原子都采用sp3杂化，为什么NH3分子空间结构是三角锥形，CH4分子是正四面体形？ 深度思考 提示　形成的4个sp3杂化轨道中，NH3分子中只有三个杂化轨道与H原子的1s轨道重叠成键。另1个杂化轨道中有一对孤电子对不参与成键，但对成键电子对有较强的排斥作用，使三个N—H键键角变小，成为三角锥形。而CH4分子中4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成共价键，轨道间夹角＝共价键键角＝109°28′，故CH4为正四面体形。 1.正误判断 (1)ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道 (2)孤电子对有可能参与杂化 (3)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，未参与杂化的p轨道可用于形成π键 √ 应用体验 √ √ 应用体验 2.下列关于NH3和CO2的说法正确的是 A.都是直线形结构 B.中心原子都采取sp杂化 C.NH3为三角锥形结构，CO2为直线形结构 D.N原子和C原子上都没有孤电子对 √ NH3和CO2分子的中心原子分别采取sp3杂化、sp杂化，但NH3分子的N原子上有1对孤电子对未参与成键，根据杂化轨道理论，NH3的空间结构应为三角锥形，CO2的空间结构为直线形。 应用体验 3.在 中，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是 A.sp2　sp2 B.sp3　sp3 C.sp2　sp3 D.sp 　sp3 √ 应用体验 4.(2023·青岛高二质检)下列说法正确的是 A.CHCl3是正四面体形结构，中心原子为sp3杂化 B.H2O分子中氧原子为sp2杂化，其分子空间结构为角形 C.二氧化碳中碳原子为sp杂化，为直线形分子结构 D. 中N原子为sp3杂化，是四边形结构 √ 应用体验 5.判断下列中心原子的杂化轨道类型(标“·”的原子为中心原子)。 微粒 杂化轨道数 杂化轨道类型                     4 sp3 3 sp2 4 sp3 4 sp3 4 sp3 杂化轨道数为2时杂化方式为sp，杂化轨道数为3时杂化方式为sp2，杂化轨道数为4时杂化方式为sp3，类比H2O、NH3、CH4等分子中中心原子的杂化类型可得出正确答案。 1.杂化轨道类型的判断方法 方法规律 (2)根据分子(或离子)的空间结构判断 空间结构 中心原子杂化类型 正四面体形 sp3杂化 三角锥形 sp3杂化 平面三角形 sp2杂化 直线形 sp杂化 (3)对于ABm型分子，中心原子A的杂化方式判断方法： 方法规律 说明：①n为中心原子杂化轨道数目，n＝2时，为sp杂化，n＝3时，为sp2杂化，n＝4时，为sp3杂化。 ②配位原子B为氧原子或硫原子时，成键电子数为0；配位原子为氢原子或ⅦA族元素时，每个配位原子有一个成键电子。 2.有机物中碳原子的杂化类型 (1)根据碳原子形成的σ键数目判断 有机物中，碳原子杂化轨道形成σ键，未杂化轨道形成π键。 (2)由碳原子的饱和程度判断 ①饱和碳原子采取sp3杂化； ②双键上的碳原子或苯环上的碳原子采取sp2杂化； ③三键上的碳原子采取sp杂化。 方法规律 返回 课时对点练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 题组一　杂化轨道理论 1.(2023·济南高二期末)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 √ 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 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，形成的化学键更牢固，故C正确； 并不是所有的杂化轨道都成键，也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成)，故D错误。 16 2.下列关于原子轨道的说法正确的是 A.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是正四面 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 合起来而形成的 C.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轨道重新组 合而形成的一组能量相同的新轨道 D.凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化成键 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 √ 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 中心原子采取sp3杂化，但如果中心原子还有孤电子对，分子的空间结构则不是正四面体形；CH4分子中的sp3杂化轨道是由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。 16 3.(2023·长沙南雅中学高二检测)能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为 A. B. C. D. √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个相同的杂化轨道，因此碳原子4个价电子分占在4个sp3杂化轨道上，且自旋状态相同。 16 4.s轨道与s轨道重叠形成的共价键可用符号表示为s-s σ键，p轨道与p轨道以“头碰头”方式重叠形成的共价键可用符号表示为p-p σ键，请你指出下列分子中含有s-sp2 σ键的是 A.N2 B.C2H4 C.C2H2 D.HCl √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 N2存在p-p σ键和π键，A项错误； C2H4中，C原子为sp2杂化，存在s-sp2 σ键，B项正确； C2H2中中心C原子发生sp杂化，存在s-sp σ键，C项错误； HCl中只存在s-p σ键，D项错误。 16 47 5.下列分子所含碳原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是 A.乙醛( ) B.丙烯腈( ) C.甲醛( ) D.丙炔( ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 甲基中C原子为sp3杂化，—CHO中C原子为sp2杂化，A项正确； 碳碳双键中C原子为sp2杂化，—CN中C原子为sp杂化，B项错误； —CHO中C原子为sp2杂化，C项错误； 甲基中C原子为sp3杂化，碳碳三键中C原子为sp杂化，D项错误。 16 题组二　常见分子的空间结构 6.下列分子的空间结构是正四面体形的是 ①CH4　②NH3　③CF4　④SiH4　⑤C2H4 A.①②③ B.①③④ C.②④⑤ D.①③⑤ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 √ 16 7.甲醛分子的结构式为 ，下列描述正确的是 A.甲醛分子中有4个σ键 B.甲醛分子中的碳原子为sp3杂化 C.甲醛分子中的氧原子为sp杂化 D.甲醛分子为平面三角形，有一个π键垂直于三角形平面 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 甲醛分子为平面三角形，所以中心原子碳应为sp2杂化，形成三个杂化轨道，分别与氧原子和两个氢原子形成σ键，还有一个未参与杂化的p轨道与氧原子形成π键，该π键垂直于杂化轨道的平面。 16 8.下列关于 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.三种微粒的空间结构相同 D.键角大小关系： √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 9.下列说法正确的是 A.含有四个原子的分子的空间结构不可能为正四面体形 B.分子式为AB2的分子的空间结构一定为角形 C.在 中硫原子的杂化方式为sp2，是正四面体形结构 D. 中中心碳原子的孤电子对数为0，故其结构为平面三角形 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 P4分子的空间结构是正四面体形，A错误； BeCl2中铍原子成键电子对数是2，无孤电子对，是sp杂化，分子是直线形，B错误； 在 中硫原子的孤电子对数是0，与其相连的原子数为4，根据杂化轨道理论可推知硫原子为sp3杂化， 的空间结构是正四面体形，C错误； 中中心碳原子的成键电子对数为3，孤电子对数为0，该离子是平面三角形结构，D正确。 16 10~13题有一个或两个选项符合题目要求。 10.下列关于丙烯(CH3—CH==CH2)的说法正确的是 A.丙烯分子有8个σ键，1个π键 B.丙烯分子中3个碳原子都是sp3杂化 C.丙烯分子中存在非极性键 D.丙烯分子中3个碳原子不在同一平面 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 √ 11.下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是 A.键角为180°的分子，空间结构是直线形 B.键角为120°的分子，空间结构是平面三角形 C.键角为60°的分子，空间结构可能是正四面体形 D.键角为90°～109°28′的分子，空间结构可能是角形 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 键角为180°的分子，空间结构是直线形，如CO2分子是直线形，A项正确； 苯分子的空间结构是平面正六边形，键角为120°，B项错误； 白磷分子的键角为60°，空间结构为正四面体形，C项正确； 水分子的键角为104.5°，空间结构为角形，D项正确。 16 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.1 mol A分子中所含σ键数为11NA 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 √ 15 综合强化 16 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 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错误、B正确； 1个A分子中有11个σ键，C正确； 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错误。 16 13.下列说法错误的是 A.H2SO4分子中S原子以杂化轨道成键 B. 的电子式为 ，该离子呈正四面体形 C.CH4分子中的4个C—H键都是由氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道重叠 形成的 D.CH4分子中碳原子的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键 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 CH4分子中碳原子的1个2s轨道与3个2p轨道进行杂化形成4个sp3杂化轨道，然后碳原子的sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道重叠形成C—H σ键，C项错误、D项正确。 16 14.小明同学上网查阅了如下资料： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 中心原子杂化类型的判断方法： 说明：配位原子为氧原子或硫原子时，成键电子数为0；当电荷数为正值时，公式中取“－”号，当电荷数为负值时，公式中取“＋”号。 (2)根据n值判断杂化类型：,当n＝2时为sp杂化；当n＝3时为sp2杂化；当n＝4时为sp3杂化。 16 请运用该方法计算下列微粒的n值，并判断中心原子的杂化类型。 (1)NH3：n＝_____，_____杂化。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 4 sp3 (2) ：n＝_____，_____杂化。 3 sp2 16 (3) ：n＝_____，_____杂化。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 4 sp3 (4)SO2：n＝_____，_____杂化。 3 sp2 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15.已知：①红磷在氯气中燃烧可以生成两种化合物——PCl3和PCl5，氮与氢也可形成两种化合物——NH3和NH5。 ②PCl5分子中，P原子的1个3s轨道、3个3p轨道和1个3d轨道发生杂化形 成5个sp3d杂化轨道，PCl5分子呈三角双锥形( )。 15 综合强化 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (1)NH3、PCl3和PCl5分子中，所有原子的最外层电子数都是8个的是______(填分子式)，该分子的空间结构是__________。 (2)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 15 综合强化 PCl3 三角锥形 AB 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (3)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，而不能形成NCl5，原因是__________________________ ________________________。 (4)经测定，NH5中存在离子键，N原子最外层电子数是8，所有氢原子的最外层电子数都是2，则NH5中H元素的化合价为______和______；该化合物中N原子的杂化方式为_____杂化。 15 综合强化 N原子最外层无d轨道，不能 发生sp3d杂化，故无NCl5 ＋1 －1 sp3 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16.已知三聚氰胺的结构简式如图所示。三聚氰胺是氰胺(H2N—C≡N)的三聚体，请回答下列问题： 15 综合强化 (1)写出基态碳原子的电子排布式：__________。 1s22s22p2 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (2)三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子，这两种氮原子的杂化轨道类型分别是______、______。 15 综合强化 sp2 sp3 三聚氰胺环上的N原子、—NH2中的N原子分别形成2、3个σ键且均有一个孤电子对，所以分别采取sp2、sp3杂化。 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (3)一个三聚氰胺分子中有______个σ键。 15 综合强化 15 除每个双键上有1个π键外，其余均为σ键，共15个。 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (4)三聚氰胺与三聚氰酸( )分子相互之间通过氢键结合，在肾 脏内易形成结石。三聚氰酸分子中C原子采取______杂化。该分子的结构简式中，每个碳氧原子之间的共价键是_____(填字母)。 A.2个σ键　　　　　　B.2个π键 C.1个σ键，1个π键 15 综合强化 由于该分子中C与O形成双键，则C原子应采取sp2杂化方式成键，sp2杂化的碳原子与氧原子间有1个σ键、1个π键。 sp2 C 返回 16 NH ⑤H3 ①H3＋ ②CH2==H2 ③Cl4 ④Cl3 (1)根据轨道夹角判断 n＝ NH、NH3、NH  NH>NH3>NH NH、NH3、NH中含有的电子数均为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为正四面体形，NH3为三角锥形，NH为角形，则键角大小关系为NH>NH3>NH，C错误、D正确。 SO CO SO CO SO NH 1公式：n＝。 NH3中n＝＝4，N为sp3杂化。 NO NO中n＝＝3，N为sp2杂化。 NH中n＝＝4，N为sp3杂化。 SO2中n＝＝3，S为sp2杂化。 NH $$nullnull