2.2.1分子空间结构的理论分析 学案 -2024-2025学年高二下学期化学鲁科版（2019） 选择性必修2

第2节　共价键与分子的空间结构 第1课时　分子空间结构的理论分析 ［核心素养发展目标］　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。 一、杂化轨道理论 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 研究证实，甲烷(CH4)—　　　　　　　形结构，H—C—H键角为　　。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 3.杂化轨道的形成及其特点 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.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)甲烷分子中杂化轨道能量相同(　　) (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°(　　) 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 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 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。 (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。 二、典型分子的空间结构 　　　　　　　　　　　　　　　　 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　　　，所以CH4分子的空间结构为　　　　　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杂化轨道重叠形成一个　　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。  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。  4.苯分子的空间结构与大π键 5.NH3分子的空间结构 (1)NH3分子为　　　　形，分子中N—H键的键角为　　　　，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　　　　　　　。它对成键电子对的排斥作用较强，使3个N—H键的键角　　　　　　，空间结构发生变化。  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 (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　　形、　　　　形。  1.如何用杂化轨道理论解释BeCl2分子的空间结构？ 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？ 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(　　) 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 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 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.N中N原子为sp3杂化，是四边形结构 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 ①H3 ②CH2H2 ③Cl4 ④Cl3 ⑤H3 1.有机物中碳原子的杂化类型判断 (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。 2.杂化轨道类型的判断方法 (1)根据轨道夹角判断 (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：n= 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。 答案精析 一、 1.(2)正四面体　109°28' 2.2s　2p　能量相同 3.相近　相同　等于　空间取向　大　牢固 4.1　1　1　1　2　3　2　3　4　180°　120°　109°28' 应用体验 1.(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√ 2.B　［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。］ 3.D　［p能级只有3个轨道，不可能有sp4杂化。］ 二、 1.σ　相同　正四面体 2.σ　σ　肩并肩　π 3.σ　σ　肩并肩　两　π 4.sp2　σ　平面正六边　12 5.(1)三角锥　107.3°　(2)109°28'　孤电子对　减小 6.(1)1　1　1　1　2　3　直线形　平面三角形　正四面体形　(2)sp3　2　1　角　三角锥 深度思考 1.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。 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.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。 应用体验 1.(1)√　(2)√　(3)√ 2.C　［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。］ 3.C　4.C 5.①4　sp3　②3　sp2　③4　sp3　④4　sp3 ⑤4　sp3 解析　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。 学科网（北京）股份有限公司 $$