内容正文:
第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
第2课时 杂化轨道理论
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[能力提升训练]
[学习目标]
1.了解杂化轨道理论的基本内容。
2.能根据杂化轨道理论判断简单分子或离子的空间结构。
[思维导图]
[核心知识梳理]
一、杂化轨道理论简介
1.杂化轨道理论
(1)杂化轨道理论是一种价键理论,是 为了解释分子的空间结构提出的。
(2)用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
在形成CH4分子时,碳原子的一个 轨道和三个 轨道发生混杂,形成四个能量相等
的 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个等同的C—Hσ键,因此呈正四面体形的空间结构。可表示如下:
2.杂化轨道的类型
(1)sp3杂化:同一个原子中能量相近的一个ns轨道与三个np轨道进行混合重新组四个新的原子轨道,即sp3杂化轨道,杂化轨道的夹角为109°28′,呈 。如CH4分子中sp3杂化轨道形成示意图:
(2)sp2杂化:同一个原子中能量相近的一个ns轨道与两个np轨道进行杂化组合成三个新的sp2杂化轨道,杂化轨道的夹角为120°,呈 。如C2H4分子中sp2杂化轨道形成示意图:
(3)sp杂化:同一个原子中能量相近的一个ns轨道与一个np轨道进行杂化组合成两个新的sp杂化轨道,杂化轨道的夹角为180°,呈 。如C2H2分子中sp杂化轨道形成示意图:
【注意】sp2杂化与sp杂化形式中还有未参与杂化的p轨道,可用于形成π键,而杂化轨道则用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。
3.VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型
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
CO2
sp2
SO2
sp3
H2O
sp2
SO3
sp3
NH3
sp3
CH4
4.杂化轨道理论要点
(1)原子在成键时,同一原子中能量相近(如2s、2p)的原子轨道可重新组合成杂化轨道,原子轨道的杂化只有在形成分子时才会发生。
(2)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量相同。
(3)杂化改变了原子轨道的形状、伸展方向,杂化使原子的成键能力增加。
(4)为使相互间的排斥最小,杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同,但形状完全相同。
二、分子的中心原子杂化类型判断方法
1.根据杂化轨道的空间分布结构判断
空间分布结构
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=中心原子价层对子对数=中心原子上的孤电子对数+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
【注意】有机物中碳原子杂化类型的判断方法
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。
【知识拓展】大π键的相关理解和判断
概念
在多原子分子中如有相互平行的p轨道,它们连贯重叠在一起构成一个整体,p电子在多个原子间运动形成π型化学键,这种不局限在两个原子之间的π键称为离域π键或共轭大π键,简称大π键
形成条件
①这些原子多数处于同一平面上;②这些原子有相互平行的p轨道;③p轨道上的电子总数小于p轨道数的2倍
实例(苯中的大π键)
在苯分子中,六个碳原子和六个氢原子完全相同,且实验表明苯分子中的六个碳碳键也完全相同。杂化轨道理论认为,苯分子中的每个碳原子都采取sp2杂化,3个杂化轨道有2个形成碳碳σ键,另一个与氢原子形成σ键;每个碳原子中,还有一个未杂化的p轨道,这6个p轨道一起形成π键,由于苯分子中的π键是多个原子形成的,一般称为大π键。处在p轨道上的电子不再只属于一个原子所有,而是在整个大π键上运动,是离域的,因此又称为离域π键。分子或离子中的大π键可表示为Π,其中x表示参与形成大π键原子总数,y表示π电子数。所以苯中的大π键可以表示为Π。含有大π键的分子很多,如CO、NO2、1,3-丁二烯等都含有大π键
[典例分析]
知识点一 分子的中心原子杂化类型的判断
[典例1]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,还可用来容纳未参与成键的孤电子对
B.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个p轨道与H原子的s轨道杂化而成的
C.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
D.凡中心原子采取sp3杂化的分子,其分子立体构型都是四面体或正四面体
[变式1]我们平常所说的“五氧化二磷”,其分子组成实为“P4O10”,分子结构呈“笼”状,磷原子的杂化方式是
(图中●代表磷原子,○代表氧原子)
A.sp杂化 B.sp2杂化 C.sp3杂化 D.sp4杂化
[变式2]下列微粒中,中心原子的杂化轨道类型与其它三个不相同的是
A. B. C. D.
[变式3]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
知识点二 杂化轨道类型与分子(或离子)空间结构的关系
[典例2]如表中各粒子、粒子对应的空间结构及解释均正确的是
分子
空间结构
原因
A
水合氢离子()
平面三角形
O原子采用杂化
B
二氧化硫()
V型
S原子采用杂化
C
乙炔()
直线型
C原子采用sp杂化且C原子的价电子均参与成键
D
硝酸根离子()
三角锥型
N原子采用杂化
A.A B.B C.C D.D
[变式1]简单分子的空间结构可以用价层电子对互斥模型预测,用杂化轨道理论解释。下列表格中说法错误的是
选项
分子
中心原子的价层电子对数
VSEPR模型
空间结构
中心原子的杂化轨道类型
A
4
四面体形
V形
B
3
四面体形
三角锥形
C
HCN
2
直线形
直线形
sp
D
3
平面三角形
平面三角形
A.A B.B C.C D.D
[变式2]在1个乙烯分子中有5个σ键和1个π键,下列说法正确的是
A.sp2杂化轨道形成σ键,未参与杂化的2p轨道形成π键
B.sp2杂化轨道形成π键,未参与杂化的2p轨道形成σ键
C.C—H是sp2杂化轨道形成的σ键, C=C键是未参与杂化的2p轨道形成的
D.C=C键是sp2杂化轨道形成的σ键,C—H是未参与杂化的2p轨道形成的π键
[变式3]下列中心原子的杂化轨道类型和粒子空间结构不正确的是
A.PCl3中P原子为sp3杂化,为三角锥形
B.NH中N原子为sp3杂化,为正四面体形
C.H2S中S原子为sp杂化,为直线形
D.SO2中S原子为sp2杂化,为V形
[基础达标训练]
1.关于原子轨道杂化的说法正确的是
A.CH4分子的键角与其分子中杂化轨道间的夹角相同
B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子中的1s轨道和2p轨道重新混杂,形成的一组能量相同的新轨道
C.CH4分子中的碳原子通过sp3杂化改变了原子轨道的形状、方向和数目,使原子的成键能力增强
D.杂化轨道可用于形成σ键、π键和容纳孤电子对
2.下列分子中,杂化类型相同,空间结构也相同的是
A.H2O、SO2 B.BeCl2、CO2
C.H2O、NH3 D.NH3、HCHO
3.下列分子的中心原子的杂化方式为杂化,分子的空间构型为直线形且分子中没有形成键的是
A. B. C. D.
4.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.杂化轨道中不一定有电子
5.下列分子中,中心原子采取sp3杂化并形成正四面体空间结构的是
①CH4 ②NH3 ③CF4 ④SiH4 ⑤C2H4 ⑥CO2 ⑦CH2Cl2
A.①②③⑥ B.①③④ C.②④⑤⑦ D.①③⑤
6.下列关于原子杂化类型的说法中,正确的是
A.晶体硅和石英()晶体中的硅原子均采用杂化
B.中的两个碳原子与中的硼原子均采用杂化
C.中的铍原子与中的氧原子均采用杂化
D.中的碳原子与中的两个碳原子均采用杂化
7.下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是
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杂化轨道中s能级成分占三分之一
D. sp2杂化轨道最多可形成2个键
8.分子中存在π键,且碳原子全部以sp杂化轨道成键的是
A.乙烷 B.乙烯 C.乙炔 D.苯
9.下列关于丙烯()分子的说法中,错误的是
A.有8个σ键,1个π键 B.有2个碳原子是杂化
C.3个碳原子在同一平面上 D.所有原子都在同一平面上
10.下列分子或离子中,其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.:、直线形 B.:、三角锥形
C.:、V形 D.:、平面三角形
[能力提升训练]
11.有关杂化轨道的说法不正确的是
A.杂化前后的轨道数不变,但轨道的形状发生了改变
B.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释
D.杂化轨道全部参与形成化学键
12.下列分子中,在形成共价键时中心原子采用sp3杂化的分子有
①H2O ②NH3 ③CH4 ④PCl3 ⑤CO2 ⑥N2
A.3种 B.4种 C.5种 D.6种
13.有关苯分子中的化学键描述正确的是
A.每个碳原子的sp2杂化轨道中的其中一个形成π键
B.每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成π键
C.碳原子的三个sp2杂化轨道只形成两个σ键
D.1mol苯中含6molσ键
14.下表中各粒子对应的空间结构及解释均正确的是
选项
粒子
空间结构
解释
A
氨基负离子()
直线形
N原子采取杂化
B
二氧化硫()
V形
S原子采取杂化
C
碳酸根离子()
三角锥形
C原子采取杂化
D
乙炔()
直线形
C原子采取杂化且C原子的价电子均参与成键
A.A B.B C.C D.D
15.下列分子的中心原子形成杂化轨道的是
A. B. C. D.
16.六氟化硫分子呈正八面体结构(如图所示),在高电压下仍有良好的绝缘性,性质稳定,在电器工业方面有着广泛的用途,但逸散到空气中会引起强温室效应,下列有关六氟化硫的推测正确的是
A.各原子均为8电子稳定结构 B.S原子轨道杂化方式与中的S一样
C.六氟化硫分子中只含极性键 D.键是键,键长可能不相等
17.下列各组分子的中心原子杂化轨道类型相同,分子的空间结构不相同的是
A.、、 B.、、
C.、、环己烷 D.、、
18.多位化学家用简单的偶联反应合成了如下这个有趣的“纳米小人”分子。有关该分子的结构说法不正确的是
A.该分子中的C原子采取的杂化方式有:、、
B.该分子中的O原子采取杂化
C.“纳米小人”头部的所有原子不能在同一平面内
D.“纳米小人”手、脚部位的碳原子不杂化
19.磷酸氯喹在细胞水平上能有效抑制新型冠状病毒的感染,其结构如图所示。下列说法错误的是
A.基态Cl原子的核外电子有17种运动状态
B.C、N、O、P四种元素中电负性最大的是O
C.分子中磷原子的价层电子对数为4
D.该有机物中N的杂化方式只有一种
20.下列说法不正确的是
A.与中心原子的价层电子对数相同
B.中硼原子的杂化类型与苯中碳原子的杂化类型相同
C.含有非极性键的化合物不一定是共价化合物
D.和都是正四面体形分子且键角都为
21.推理是学习化学知识的一种重要方法。下列推理合理的是
A.SO2中硫原子采取sp2杂化,则CO2中碳原子也采取sp2杂化
B.NH3分子的空间结构是三角锥形,则NCl3分子的空间结构也是三角锥形
C.H2O分子的键角是105°,则H2S分子的键角也是105°
D.PCl3分子中每个原子最外层达到8电子稳定结构,则BF3分子中每个原子最外层也能达到8电子稳定结构
22.下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是
①BF3②③④C2H2⑤N2H4⑥苯分子
A.①②③ B.①③⑥ C.②③⑤ D.③④⑥
23.氯化亚砜(SOCl2)是一种很重要的化学试剂,可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取的杂化方式的说法正确的是
A.三角锥形、sp3 B.平面三角形、sp3
C.平面三角形、sp2 D.三角锥形、sp2
24.根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断,下列各项正确的是
选项
分子或离子
中心原子的杂化方式
价电子对分布的几何构型
分子或离子的空间结构
A
四面体形
V形
B
平面三角形
三角锥形
C
四面体形
三角锥形
D
平面三角形
平面三角形
A.A B.B C.C D.D
25.完成表中内容。
σ数
孤电子对数
杂化方式
VSEPR模型
分子空间构型
CO2
H2O
(
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第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
第2课时 杂化轨道理论
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[能力提升训练]
[学习目标]
1.了解杂化轨道理论的基本内容。
2.能根据杂化轨道理论判断简单分子或离子的空间结构。
[思维导图]
[核心知识梳理]
一、杂化轨道理论简介
1.杂化轨道理论
(1)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)用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
在形成CH4分子时,碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生混杂,形成四个能量相等的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个等同的C—Hσ键,因此呈正四面体形的空间结构。可表示如下:
2.杂化轨道的类型
(1)sp3杂化:同一个原子中能量相近的一个ns轨道与三个np轨道进行混合重新组四个新的原子轨道,即sp3杂化轨道,杂化轨道的夹角为109°28′,呈正四面体形。如CH4分子中sp3杂化轨道形成示意图:
(2)sp2杂化:同一个原子中能量相近的一个ns轨道与两个np轨道进行杂化组合成三个新的sp2杂化轨道,杂化轨道的夹角为120°,呈平面三角形。如C2H4分子中sp2杂化轨道形成示意图:
(3)sp杂化:同一个原子中能量相近的一个ns轨道与一个np轨道进行杂化组合成两个新的sp杂化轨道,杂化轨道的夹角为180°,呈直线形。如C2H2分子中sp杂化轨道形成示意图:
【注意】sp2杂化与sp杂化形式中还有未参与杂化的p轨道,可用于形成π键,而杂化轨道则用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。
3.VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型
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
4.杂化轨道理论要点
(1)原子在成键时,同一原子中能量相近(如2s、2p)的原子轨道可重新组合成杂化轨道,原子轨道的杂化只有在形成分子时才会发生。
(2)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量相同。
(3)杂化改变了原子轨道的形状、伸展方向,杂化使原子的成键能力增加。
(4)为使相互间的排斥最小,杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同,但形状完全相同。
二、分子的中心原子杂化类型判断方法
1.根据杂化轨道的空间分布结构判断
空间分布结构
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=中心原子价层对子对数=中心原子上的孤电子对数+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
【注意】有机物中碳原子杂化类型的判断方法
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。
【知识拓展】大π键的相关理解和判断
概念
在多原子分子中如有相互平行的p轨道,它们连贯重叠在一起构成一个整体,p电子在多个原子间运动形成π型化学键,这种不局限在两个原子之间的π键称为离域π键或共轭大π键,简称大π键
形成条件
①这些原子多数处于同一平面上;②这些原子有相互平行的p轨道;③p轨道上的电子总数小于p轨道数的2倍
实例(苯中的大π键)
在苯分子中,六个碳原子和六个氢原子完全相同,且实验表明苯分子中的六个碳碳键也完全相同。杂化轨道理论认为,苯分子中的每个碳原子都采取sp2杂化,3个杂化轨道有2个形成碳碳σ键,另一个与氢原子形成σ键;每个碳原子中,还有一个未杂化的p轨道,这6个p轨道一起形成π键,由于苯分子中的π键是多个原子形成的,一般称为大π键。处在p轨道上的电子不再只属于一个原子所有,而是在整个大π键上运动,是离域的,因此又称为离域π键。分子或离子中的大π键可表示为Π,其中x表示参与形成大π键原子总数,y表示π电子数。所以苯中的大π键可以表示为Π。含有大π键的分子很多,如CO、NO2、1,3-丁二烯等都含有大π键
[典例分析]
知识点一 分子的中心原子杂化类型的判断
[典例1]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,还可用来容纳未参与成键的孤电子对
B.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个p轨道与H原子的s轨道杂化而成的
C.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
D.凡中心原子采取sp3杂化的分子,其分子立体构型都是四面体或正四面体
【答案】C
【详解】A.杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤对电子,没有杂化的轨道形成π键,故A错误;
B.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个p轨道与N原子的s轨道杂化而成的,形成4个相同的轨道,故B错误;
C.sp3、sp2、sp杂化轨道其空间构型分别是正四面体、平面三角形、直线型,所以其夹角分别为109°28′、120°、180°,故C正确;
D.根据中心原子采取sp3杂化的分子,可得出VSEPR模型,去掉孤电子对数才能得出分子的立体构型,孤电子对数为0的分子其立体构型可能是正四面体形,孤电子对数为1的分子其立体构型是三角锥形,孤电子对数为2的分子其立体构型可能是V形,故D错误;
故选:C。
[变式1]我们平常所说的“五氧化二磷”,其分子组成实为“P4O10”,分子结构呈“笼”状,磷原子的杂化方式是
(图中●代表磷原子,○代表氧原子)
A.sp杂化 B.sp2杂化 C.sp3杂化 D.sp4杂化
【答案】C
【详解】P原子的价层电子排布式为3s23p3,其最外层的5个电子均用于形成共价键,共形成4条σ键,其杂化方式为sp3杂化,故选C。
[变式2]下列微粒中,中心原子的杂化轨道类型与其它三个不相同的是
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】A.中心原子的成键电子对3,孤对电子0,采用sp2杂化;
B.中心原子的成键电子对3,孤对电子1,采用sp3杂化;
C.中心原子的成键电子对2,孤对电子1,采用sp2杂化;
D.中心原子的成键电子对3,孤对电子0,采用sp2杂化;
不同的是B,答案选B。
[变式3]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
【详解】H2O2分子中O原子形成2个σ键,含有2个孤电子对,所以O为sp3杂化,A错误;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。
知识点二 杂化轨道类型与分子(或离子)空间结构的关系
[典例2]如表中各粒子、粒子对应的空间结构及解释均正确的是
分子
空间结构
原因
A
水合氢离子()
平面三角形
O原子采用杂化
B
二氧化硫()
V型
S原子采用杂化
C
乙炔()
直线型
C原子采用sp杂化且C原子的价电子均参与成键
D
硝酸根离子()
三角锥型
N原子采用杂化
A.A B.B C.C D.D
【答案】C
【详解】A.中的氧原子的孤对电子对数==1,所以价层电子对数=1+3=4,空间结构为三角锥形,氧原子采取sp3杂化,A错误;
B.二氧化硫中硫原子的孤对电子对数==1,所以价层电子对数=1+2=3,空间结构为V形,所以二氧化硫中硫原子采取sp2杂化,B错误;
C.乙炔分子为直线形结构,故碳原子采取sp杂化且碳原子最外层4个电子均参与成键,C正确;
D.中氮原子的孤对电子对数==0,所以价层电子对数=0+3=3,所以氮原子采取sp2杂化,为平面三角形,D错误;
故选C。
[变式1]简单分子的空间结构可以用价层电子对互斥模型预测,用杂化轨道理论解释。下列表格中说法错误的是
选项
分子
中心原子的价层电子对数
VSEPR模型
空间结构
中心原子的杂化轨道类型
A
4
四面体形
V形
B
3
四面体形
三角锥形
C
HCN
2
直线形
直线形
sp
D
3
平面三角形
平面三角形
A.A B.B C.C D.D
【答案】B
【分析】根据价层电子对互斥理论确定分子空间构型及中心原子杂化方式,价层电子对个数=配原子个数+孤电子对个数。
【详解】A.中心原子价层电子对数为,VSEPR模型为四面体形,有2对孤电子对,分子的立体构型为V形,杂化方式为,选项A正确;
B.中心原子价层电子对数为,VSEPR模型为四面体形,有1对孤电子对,分子的立体构型为三角锥,杂化方式为,选项B错误;
C.HCN中心原子价层电子对数为,VSEPR模型为直线形,无孤电子对,分子的立体构型为直线形,杂化方式为sp,选项C正确;
D.中心原子价层电子对数为,VSEPR模型为平面三角形,无孤对电子,分子的立体构型为平面三角形,杂化方式为,选项D正确;
故选B。
[变式2]在1个乙烯分子中有5个σ键和1个π键,下列说法正确的是
A.sp2杂化轨道形成σ键,未参与杂化的2p轨道形成π键
B.sp2杂化轨道形成π键,未参与杂化的2p轨道形成σ键
C.C—H是sp2杂化轨道形成的σ键, C=C键是未参与杂化的2p轨道形成的
D.C=C键是sp2杂化轨道形成的σ键,C—H是未参与杂化的2p轨道形成的π键
【答案】A
【详解】在乙烯分子中碳原子与相连的氢原子、碳原子形成平面三角形,所以乙烯分子中每个碳原子均采取sp2杂化,其中杂化轨道形成σ键,具体为:两个碳原子各用一个sp2杂化轨道上的电子相配对,形成一个σ键;每个碳原子的另外两个sp2杂化轨道上的电子分别与两个氢原子1s轨道上的电子相配对,形成σ键;
每个碳原子剩下的一个未参与杂化的2p轨道上都有一个未成对电子,它们以“肩并肩”的方式重叠,形成一个π键。故选A。
[变式3]下列中心原子的杂化轨道类型和粒子空间结构不正确的是
A.PCl3中P原子为sp3杂化,为三角锥形
B.NH中N原子为sp3杂化,为正四面体形
C.H2S中S原子为sp杂化,为直线形
D.SO2中S原子为sp2杂化,为V形
【答案】C
【详解】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,空间结构为V形,C错误。
[基础达标训练]
1.关于原子轨道杂化的说法正确的是
A.CH4分子的键角与其分子中杂化轨道间的夹角相同
B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子中的1s轨道和2p轨道重新混杂,形成的一组能量相同的新轨道
C.CH4分子中的碳原子通过sp3杂化改变了原子轨道的形状、方向和数目,使原子的成键能力增强
D.杂化轨道可用于形成σ键、π键和容纳孤电子对
【答案】A
【详解】A.CH4中心原子价层电子对数为,由于没有孤对电子,因此CH4分子的键角与其分子中杂化轨道间的夹角相同,故A正确;
B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子中能量相近的轨道即2s轨道和2p轨道重新混杂,形成的一组能量相同的新轨道,故B错误;
C.杂化后原子轨道的数目没有改变,故C错误;
D.杂化轨道可用于形成σ键,容纳孤电子对,但不能形成π键,故D错误。
综上所述,答案为A。
2.下列分子中,杂化类型相同,空间结构也相同的是
A.H2O、SO2 B.BeCl2、CO2
C.H2O、NH3 D.NH3、HCHO
【答案】B
【详解】A.水中O原子价层电子对数为4,采取sp3杂化方式,含有的孤对电子对数=(6-2×1)÷2=2,水是V形结构;SO2中S原子价层电子对数为3,采取 sp2杂化方式,含有的孤对电子对数=(6-2×2)÷2=1,SO2是V形结构,A不符合题意;
B.Be原子是sp杂化,是直线形结构,CO2是直线形结构,碳原子是sp杂化,B符合题意;
C.氨气中氮原子是sp3杂化,含有1对孤对电子,因此氨气是三角锥形结构,C不符合题意;
D.甲醛中碳原子是sp2杂化,属于平面形结构,D不符合题意;
故选:B。
3.下列分子的中心原子的杂化方式为杂化,分子的空间构型为直线形且分子中没有形成键的是
A. B. C. D.
【答案】A
【详解】A.Be原子的价层电子排布式为2s2,BeCl2中中心Be原子的孤电子对数为×(2-2×1)=0,σ键电子对数为2,价层电子对数为2,Be原子采取sp杂化,分子的空间构型为直线形且分子中没有形成π键,A项符合题意;
B.BF3中中心B原子的孤电子对数为×(3-3×1)=0,σ键电子对数为3,价层电子对数为3,B原子采取sp2杂化,分子的空间构型为平面正三角形,B项不符合题意;
C.CO2中中心C原子的孤电子对数为×(4-2×2)=0,σ键电子对数为2,价层电子对数为2,C原子采取sp杂化,分子的空间构型为直线形,CO2的结构式为O=C=O,CO2分子中含有π键,C项不符合题意;
D.HCN分子中中心C原子的孤电子对数为×(4-1-3)=0,σ键电子对数为2,价层电子对数为2,中心C原子采取sp杂化,分子的空间构型为直线形,HCN的结构式为H—C≡N,HCN分子中含有π键,D项不符合题意;
答案选A。
4.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.杂化轨道中不一定有电子
【答案】A
【详解】A.参与杂化的原子轨道,其能量不能相差太大,如1s轨道与2s、2p轨道能量相差太大,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,A错误;
B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化,B正确;
C.杂化轨道的电子云一头大一头小,成键时利用大的一头,可使电子云重叠程度更大,形成牢固的化学键,C正确;
D.并不是所有的杂化轨道中都会有电子,也可以是空轨道,也可以有一对孤电子对,D正确;
故选A。
5.下列分子中,中心原子采取sp3杂化并形成正四面体空间结构的是
①CH4 ②NH3 ③CF4 ④SiH4 ⑤C2H4 ⑥CO2 ⑦CH2Cl2
A.①②③⑥ B.①③④ C.②④⑤⑦ D.①③⑤
【答案】B
【分析】中心原子价层电子对数=σ键数+孤电子对数,当中心原子价层电子对数为4时,中心原子采取sp3杂化,对应的空间结构为正四面体则说明中心原子没有孤对电子且形成的σ键种类相同。
【详解】CH4中心原子C形成了4个σ键,没有孤对电子,价层电子对数为4,中心原子采取sp3杂化,空间结构为正四面体,①符合题意;
NH3中心原子N形成了3个N-H σ键,且有一对孤对电子,②不符合题意;
CF4中心原子C形成了4个C-F σ键,没有孤对电子,价层电子对数为4,中心原子采取sp3杂化,空间结构为正四面体,③符合题意;
C和Si属于同一主族的元素,最外层电子数相同,SiH4和CH4一样中心原子采取sp3杂化,空间结构为正四面体,④符合题意;
C2H4的结构简式为CH2=CH2,每个C原子只形成了3个σ键,⑤不符合题意;CO2的结构式为O=C=O,中心原子C只形成了2个σ键,⑥不符合题意;
CH2Cl2中心原子C形成了2个C-H和2个C- Cl 共4个σ键,没有孤对电子,价层电子对数为4,中心原子采取sp3杂化,但空间结构不是正四面体,⑦不符合题意;
故选B。
6.下列关于原子杂化类型的说法中,正确的是
A.晶体硅和石英()晶体中的硅原子均采用杂化
B.中的两个碳原子与中的硼原子均采用杂化
C.中的铍原子与中的氧原子均采用杂化
D.中的碳原子与中的两个碳原子均采用杂化
【答案】A
【详解】A.晶体Si和SiO2均为四面体结构,Si原子采用sp3杂化,A正确;
B.CH3CH3中以C为中心形成四面体结构,为sp3杂化,B错误;
C.H2O中O原子的价层电子对数为2+×(6-2×2)=4,为sp3杂化,C错误;
D.C2H4中碳碳之间为双键,采用sp2杂化,D错误;
故选A。
7.下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是
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杂化轨道中s能级成分占三分之一
D. sp2杂化轨道最多可形成2个键
【答案】D
【详解】A.参与杂化的轨道的能量是相近的,同一能层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大,可形成sp2杂化轨道,A项正确;
B.形成的杂化轨道能量相同,B项正确;
C.sp2杂化轨道是由一个s轨道与两个p轨道杂化而成的,所以每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一,C项正确;
D.杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对,sp2杂化轨道最多可形成3个键,D项错误;
故选D。
8.分子中存在π键,且碳原子全部以sp杂化轨道成键的是
A.乙烷 B.乙烯 C.乙炔 D.苯
【答案】C
【详解】A.乙烷分子中碳原子含有4个共价单键不含共价双键或三键,不存在π 键,且碳原子采用sp3杂化,A错误;
B.乙烯分子中每个碳原子含有3个σ键,1个碳碳双键,分子中含有一个π键,碳原子采用sp2杂化,B错误;
C.乙炔分子中每个碳原子含有2个σ键,含有碳碳三键,分子中含有2个π键,碳原子采用sp杂化,C正确;
D.苯分子中含有1个大π键,每个碳原子含有3个σ键,碳原子采用sp2杂化,D错误;
故选C。
9.下列关于丙烯()分子的说法中,错误的是
A.有8个σ键,1个π键 B.有2个碳原子是杂化
C.3个碳原子在同一平面上 D.所有原子都在同一平面上
【答案】D
【详解】A.已知单键均为σ键,双键为1个σ键和1个π键,三键为1个σ键和2个π键,故丙烯()有8个σ键,1个π键,A正确;
B.分子中甲基上的C原子周围有4个σ键,为sp3杂化,双键所在的两个C原子为sp2杂化,故有2个碳原子是杂化,B正确;
C.双键所在的平面上有6个原子共平面,故分子中3个碳原子在同一平面上,C正确;
D.由于分子中存在甲基,故不可能所有原子都在同一平面上,D错误;
故答案为:D。
10.下列分子或离子中,其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.:、直线形 B.:、三角锥形
C.:、V形 D.:、平面三角形
【答案】D
【详解】A.乙炔的结构式为,每个碳原子的价层电子对数是2,且不含孤电子对,所以C原子均采取杂化,的空间结构为直线形,A项错误;
B.的中心原子的价层电子对数,不含孤电子对,杂化轨道数为4,S原子采取杂化,分子的空间结构为正四面体形,B项错误;
C.的中心原子的价层电子对数,所以中心原子采取杂化,该离子中含有一对孤电子对,所以其空间结构为三角锥形,C项错误;
D.的中心原子的价层电子对数,杂化轨道数为3,所以B原子采取杂化,不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,D项正确;
故选:D。
[能力提升训练]
11.有关杂化轨道的说法不正确的是
A.杂化前后的轨道数不变,但轨道的形状发生了改变
B.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释
D.杂化轨道全部参与形成化学键
【答案】D
【详解】A.杂化过程中,原子轨道总数不变,即杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相等,杂化后轨道的形状发生了改变,故A正确;
B.sp3、sp2、sp杂化轨道的空间构型分别为正四面形、平面三角形和直线形,因此其杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°,故B正确;
C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释,如CH4、NH3、H2O等分子的中心原子均属于sp3杂化,故C正确;
D.杂化轨道可以部分参与形成化学键,如NH3中N发生sp3杂化,形成了4个sp3杂化轨道,但是只有3个杂化轨道参与形成了化学键,故D错误;
答案选D。
12.下列分子中,在形成共价键时中心原子采用sp3杂化的分子有
①H2O ②NH3 ③CH4 ④PCl3 ⑤CO2 ⑥N2
A.3种 B.4种 C.5种 D.6种
【答案】B
【详解】①H2O中中心原子的价层电子对数中心原子采用sp3杂化;
②NH3中中心原子的价层电子对数中心原子采用sp3杂化;
③CH4中中心原子的价层电子对数中心原子采用sp3杂化;
④PCl3中中心原子的价层电子对数中心原子采用sp3杂化;
⑤CO2中中心原子的价层电子对数中心原子采用sp杂化;
⑥N2是直线形结构,N原子均采用sp杂化。
答案选B。
13.有关苯分子中的化学键描述正确的是
A.每个碳原子的sp2杂化轨道中的其中一个形成π键
B.每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成π键
C.碳原子的三个sp2杂化轨道只形成两个σ键
D.1mol苯中含6molσ键
【答案】B
【详解】A.在苯分子中,每个碳原子的价层电子对数为3,发生sp2杂化,其中一个未参与杂化的2p轨道上的电子形成π键,A不正确;
B.苯分子中,每个碳原子与周围的2个碳原子、1个氢原子形成σ键,形成σ键的电子所在轨道参加杂化,而每个碳原子的未参加杂化的2p轨道上的电子形成π键,B正确;
C.碳原子的三个sp2杂化轨道上各有1个成单电子,形成三个σ键,C不正确;
D.1mol苯中含6mol碳碳σ键和6mol碳氢σ键,D不正确;
故选B。
14.下表中各粒子对应的空间结构及解释均正确的是
选项
粒子
空间结构
解释
A
氨基负离子()
直线形
N原子采取杂化
B
二氧化硫()
V形
S原子采取杂化
C
碳酸根离子()
三角锥形
C原子采取杂化
D
乙炔()
直线形
C原子采取杂化且C原子的价电子均参与成键
A.A B.B C.C D.D
【答案】D
【详解】A.氨基负离子中氮原子的价层电子对数为4、孤对电子对数为2,所以氮原子的杂化方式为sp3杂化,离子的空间结构为V形,故A错误;
B.二氧化硫分子中硫原子的价层电子对数为3、孤对电子对数为1,所以硫原子的杂化方式为sp2杂化,离子的空间结构为V形,故B错误;
C.碳酸根离子中碳原子的价层电子对数为3、孤对电子对数为0,所以碳原子的杂化方式为sp2杂化,离子的空间结构为平面三角形,故C错误;
D.乙炔分子中含有碳碳三键,碳原子的杂化方式为sp杂化,离子的空间结构为直线形,且中心原子C无孤电子对,故D正确;
故选D。
15.下列分子的中心原子形成杂化轨道的是
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】A.中O原子价电子对数为,中心原子形成杂化,故不选A;
B.中C原子无孤电子对,形成3个σ键,中心原子形成杂化,故选B;
C.中C原子无孤电子对,形成2个σ键,中心原子形成杂化,故不选C;
D.中C原子价电子对数为,中心原子形成杂化,故不选D;
选B。
16.六氟化硫分子呈正八面体结构(如图所示),在高电压下仍有良好的绝缘性,性质稳定,在电器工业方面有着广泛的用途,但逸散到空气中会引起强温室效应,下列有关六氟化硫的推测正确的是
A.各原子均为8电子稳定结构 B.S原子轨道杂化方式与中的S一样
C.六氟化硫分子中只含极性键 D.键是键,键长可能不相等
【答案】C
【详解】A.根据题图知,每个F原子和1个S原子形成1个共用电子对,每个S原子和6个F原子形成6个共用电子对,所以F原子都达到8电子稳定结构,但S原子最外层不满足8电子稳定结构,A错误;
B. SO3中S原子孤电子对数=、价层电子对数=3+0=3,故为sp2杂化、空间构型为平面正三角形;SF6中S原子孤电子对数=、价层电子对数=6+0=6,空间构型为正八面体形、不可能为sp2杂化,B错误;
C.同种原子间形成非极性键,不同种原子间形成极性键,六氟化硫分子中的键均为极性键,不含非极性键,C正确;
D.六氟化硫分子中的键都是键,六氟化硫分子为正八面体形结构,所以各键的键长与键能都相等,D错误;
故选C。
17.下列各组分子的中心原子杂化轨道类型相同,分子的空间结构不相同的是
A.、、 B.、、
C.、、环己烷 D.、、
【答案】B
【详解】A.中心原子都是杂化,其空间结构相同,A不符合题意;
B.中心原子都是杂化,孤电子对数不同,分子的空间结构不相同,B符合题意;
C.三氯化硼和氯乙烯的中心原子都是杂化,环己烷中碳原子为杂化,C不符合题意;
D.三氧化硫和苯分子的中心原子为杂化,而丙炔中碳原子存在和杂化,D不符合题意;
故选B。
18.多位化学家用简单的偶联反应合成了如下这个有趣的“纳米小人”分子。有关该分子的结构说法不正确的是
A.该分子中的C原子采取的杂化方式有:、、
B.该分子中的O原子采取杂化
C.“纳米小人”头部的所有原子不能在同一平面内
D.“纳米小人”手、脚部位的碳原子不杂化
【答案】D
【详解】A.该分子中碳碳三键上的C原子采取杂化,苯环上的C原子采取杂化,其他碳原子采取杂化,A正确;
B.该分子中的O原子有2对σ键电子对,有2对孤电子对,故其采取杂化,B正确;
C.“纳米小人”头部的C原子均为杂化,C原子与周围的H原子形成四面体,不在同一平面上,C正确;
D.“纳米小人”手、脚部位的碳原子都属于饱和碳原子,均采取杂化,D错误;
故选D。
19.磷酸氯喹在细胞水平上能有效抑制新型冠状病毒的感染,其结构如图所示。下列说法错误的是
A.基态Cl原子的核外电子有17种运动状态
B.C、N、O、P四种元素中电负性最大的是O
C.分子中磷原子的价层电子对数为4
D.该有机物中N的杂化方式只有一种
【答案】D
【详解】A.基态Cl原子的核外有17个电子,每个电子运动状态均不相同,则核外电子有17种运动状态,故A正确;
B.非金属性越强,元素的电负性越大,非金属性:,四种元素中电负性最大的是O,故B正确;
C.分子中磷原子的价层电子对数为,故C正确;
D.1个该分子中有2个N原子形成的均是单键,1个N原子形成1个双键和一个单键,还有一个孤电子对,因此含有2个杂化的氮原子和1个杂化的氮原子,故D错误;
故选D。
20.下列说法不正确的是
A.与中心原子的价层电子对数相同
B.中硼原子的杂化类型与苯中碳原子的杂化类型相同
C.含有非极性键的化合物不一定是共价化合物
D.和都是正四面体形分子且键角都为
【答案】D
【详解】A.中N原子的价层电子对数为4,中O原子的价层电子对数也为4,A正确;
B.中硼原子价层电子对数为3,无孤电子对,硼原子采取杂化,苯分子中C上无孤电子对,形成3个键,碳原子采取杂化,杂化类型相同,B正确;
C.过氧化钠中存在非极性共价键,但过氧化钠是离子化合物,C正确;
D.的空间结构为正四面体形,正四面体中心无原子,键角是,D错误;
故选:D。
21.推理是学习化学知识的一种重要方法。下列推理合理的是
A.SO2中硫原子采取sp2杂化,则CO2中碳原子也采取sp2杂化
B.NH3分子的空间结构是三角锥形,则NCl3分子的空间结构也是三角锥形
C.H2O分子的键角是105°,则H2S分子的键角也是105°
D.PCl3分子中每个原子最外层达到8电子稳定结构,则BF3分子中每个原子最外层也能达到8电子稳定结构
【答案】B
【详解】A.CO2分子中C原子与2个O原子形成4个共价键,结构式是O=C=O,一个CO2分子中含有2个σ键且中心C原子不含孤电子对,所以C原子是采取sp杂化,而不是sp2杂化,A错误;
B.NH3、NCl3中N原子的价层电子对数都是4,含有一个孤电子对,所以N原子都采取sp3杂化,两种以分子的空间结构都是三角锥形,B正确;
C.O、S是同一主族元素,S的电负性比O小,而且原子半径大,所以S-H键上的电子对偏向S并没有H2O中O-H键上的电子对偏向O那么严重,所以排斥力也相应比较小,键角也比H2O小,C错误;
D.B原子最外层有3个电子,在BF3分子中,B原子与3个Cl形成3对共用电子对,使B原子最外层有6个电子,而未达到最外层8个电子的稳定结构,D错误;
故合理选项是B。
22.下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是
①BF3②③④C2H2⑤N2H4⑥苯分子
A.①②③ B.①③⑥ C.②③⑤ D.③④⑥
【答案】B
【详解】
①BF3分子中硼原子价层电子对数=3+=3,B的杂化轨道数为3,所以采取sp2杂化;②分子中硫原子价层电子对数=3+(6-1×2-2×1)=4,杂化轨道数为4,所以采取sp3杂化;③ 分子中碳原子价层电子对数=3+(4-1×2-2×1)=3,杂化轨道数为3,所以采取sp2杂化;④分子中每个碳原子价层电子对数=2+(4-3-1)=2,杂化轨道数为2,所以采取sp杂化;⑤N2H4分子中每个氮原子价层电子对数=3+(5-1×2-1)=4,杂化轨道数为4,所以采取sp3杂化;⑥苯分子中每个碳原子杂化轨道数为3,所以采取sp2杂化。
综上所述,选B。
23.氯化亚砜(SOCl2)是一种很重要的化学试剂,可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取的杂化方式的说法正确的是
A.三角锥形、sp3 B.平面三角形、sp3
C.平面三角形、sp2 D.三角锥形、sp2
【答案】A
【详解】根据价层电子对互斥模型确定微粒的空间结构,SOCl2中原子形成2个S-Cl键,1个S=O键,价层电子对数=σ键个数+孤电子对数为:,杂化轨道数是4,故原子采取sp3杂化,由于中心S原子上有一个孤电子对,分子空间结构为三角锥形,故合理选项是A。
24.根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断,下列各项正确的是
选项
分子或离子
中心原子的杂化方式
价电子对分布的几何构型
分子或离子的空间结构
A
四面体形
V形
B
平面三角形
三角锥形
C
四面体形
三角锥形
D
平面三角形
平面三角形
A.A B.B C.C D.D
【答案】C
【详解】A.中N原子的价电子对数是3,采用杂化,价电子对分布的几何构型为平面三角形,有1对孤电子对,离子的空间结构是V形,A项错误;
B.中B原子的价电子对数是3,采用杂化,价电子对分布的几何构型为平面三角形,无孤电子对,分子的空间结构是平面三角形,B项错误;
C.中S原子的价电子对数是4,采用杂化,价电子对分布的几何构型为四面体形,有1对孤电子对,分子的空间结构是三角锥形,C项正确;
D.中原子的价电子对数是4,采用杂化,价电子对分布的几何构型为四面体形,有1对孤电子对。离子的空间结构是三角锥形,D项错误;
故选C。
25.完成表中内容。
σ数
孤电子对数
杂化方式
VSEPR模型
分子空间构型
CO2
H2O
【答案】 2 0 sp 直线形 直线形 2 2 sp3 四面体 V形
【详解】CO2中C原子最外层有4个电子,O原子最外层有6个电子,O和C之间形成单键,中心原子为C原子,其与2个O原子形成σ键,故σ键电子对数为2,孤电子对数为(4-2×2)÷2=0,价层电子对数为σ键电子对数与孤电子对数之和,即2+0=2,故中心原子的杂化方式为sp杂化,VSEPR模型名称为直线形,分子的空间结构为直线形;H2O中O原子最外层有6个电子,H原子最外层有1个电子。H2O分子中,O和H之间形成单键,中心原子为O原子,其与2个H原子形成σ键,故σ键电子对数为2,孤电子对数为(6-2×1)÷2=2,价层电子对数为σ键电子对数与孤电子对数之和,即2+2=4,故中心原子的杂化方式为sp3杂化,VSEPR模型名称为四面体,分子的空间结构为V形。
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