专题4 第一单元 第1课时 杂化轨道理论与分子的空间结构-【优化探究】2025-2026学年新教材高中化学选择性必修2同步导学案配套PPT课件（苏教版）

优化探究 专题4　分子空间结构与物质性质 第一单元　分子的空间结构 第1课时　杂化轨道理论与分子的空间结构 [课程标准要求]　1.了解杂化轨道理论,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.通过对杂化轨道理论的学习,掌握中心原子杂化轨道类型的判断方法,建立分子空间结构分析的思维模型。 任务一　杂化轨道理论与分子的空间结构模型 任务二　用杂化轨道理论解释分子的形成及分子中的成键情况 课时作业　巩固提升 任务一　杂化轨道理论与分子的空间结构模型 1.sp3杂化与CH4分子的空间结构 (1)杂化轨道的形成 在形成CH4分子的过程中,碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道。这样,　　个2s轨道和　　个2p轨道“混杂”,形成　　　相等、成分相同的4个　　　　 　　,可表示为  1　 3　 能量 sp3杂化轨道 (2)共价键的形成 碳原子的4个　　　　　　　　　分别与H原子的　　轨道重叠,形成4个相同的　　键。  (3)CH4分子的空间结构 甲烷分子中的4个C—H键是等同的,C—H键之间的夹角——键角都是　　　　,形成正四面体结构的分子。  sp3杂化轨道　 1s　 σ　 109°28' 2.杂化轨道的类型 杂化类型 sp sp2 sp3 参与杂化的原 子轨道及数目 ns 1 1 1 np 　  　  　  杂化轨道数目 　  　  　  1　 2　 3　 2　 3　 4 1.CH4分子中,C、H原子都需要杂化吗? 提示:多原子分子中,只有中心原子才需要杂化,所以H原子不需要杂化。 2.甲烷分子形成时,碳原子的能量相近的一个2s轨道和3个2p轨道杂化,形 成四个新的sp3杂化轨道,sp3杂化轨道示意图: 。四个杂化轨道在空间均匀分布,轨道间的夹角为109°28',其空间结构为正四面体。 (1)四个sp3杂化轨道能量相同吗? 提示:相同。 (2)CH4分子的空间结构与sp3杂化轨道的空间结构一致的原因是什么? 提示:C原子的4个sp3杂化轨道中各有一个未成对电子,分别与H原子形成4个相同的σ键,故CH4分子的空间结构与sp3杂化轨道的空间结构相同,都是正四面体形。 (3)事实上,NH3分子中心原子N原子也是采用sp3杂化,但NH3分子的空间结构为三角锥形,键角为107°18',试解释其原因。 提示:N原子的最外层有5个电子,在4个sp3杂化轨道中有3个轨道上有一个未成对电子,分别与氢原子形成等同的σ键,有一个轨道上有一对孤电子对,未参与成键,故NH3分子的空间结构为三角锥形,并且孤电子对对σ键排斥力大,使键角减小(小于109°28')。 杂化轨道理论的要点 (1)发生轨道杂化的原子一定是中心原子。 (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)只有能量相近的原子轨道才能杂化(如2s、2p)。 (4)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。 (5)杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理,使轨道在空间取得最大夹角分布。故杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变,但杂化轨道的形状完全相同。 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 A 任务二　用杂化轨道理论解释分子的形成及分子中的成键情况 1.用杂化轨道理论解释BeCl2、BF3分子的形成 (1)BeCl2分子的形成   杂化后,2个sp杂化轨道分别与氯原子的3p轨道发生重叠,形成2个σ键,构成　　　　的BeCl2分子。  直线形 (2)BF3分子的形成 B原子中的3个sp2杂化轨道间的夹角为120°,这3个sp2杂化轨道分别与F原子的2p轨道形成σ键,因此BF3分子具有　　　　　　结构。  平面三角形 2.乙烷、乙烯和乙炔分子的成键情况 (1)在C2H6分子中,C原子均采用　　　杂化,每个C原子的　　　　轨道与 3个H原子的　　轨道重叠形成3个　　　　键;2个C原子各以　　　轨道发生重叠形成1个　　　　键。  (2)在C2H4分子中,C原子均采用　　杂化,每个C原子的　　　　轨道与2个H原子的　　轨道重叠形成2个　　 　键;2个C原子各以　　　　轨道发生重叠形成1个　　 　　键,各以　　 　　　　　　轨道发生重叠,形成1个　　键。在与溴发生加成反应时,π键发生断裂。  sp3　 3个sp3　 1s 　C—H σ 1个sp3　 C—C σ sp2　 2个sp2 1s　 C—H σ　 1个sp2 C—C σ 1个未杂化的2p π (3)在C2H2分子中,C原子均采用　　杂化,每个C原子的　　　　轨道与1个H原子的　　轨道重叠形成1个　　　　键;2个C原子各以　　　　轨道发生重叠形成1个　　　　　键,各以　　　　　　　　轨道发生重叠,形成　　　　键。在与足量溴发生加成反应时,2个π键发生断裂。  sp　 1个sp　 1s　 C—H σ　 1个sp C—C σ　 2个未杂化的2p　 2个π (1)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同,但能量不同。(　　) (2)杂化轨道的键角与分子内的键角不一定相同。(　　) (3)只要分子的空间结构为平面三角形,中心原子均为sp2杂化。(　　) (4)杂化方式相同的分子,空间结构一定相同。(　　) √ √ √ × 苯分子中,每个碳原子都分别与1个氢原子、2个碳原子形成σ键,同时,每个碳原子各有一个垂直于分子平面的p轨道,形成了一个以6个碳原子为中心的π键。   (1)苯分子中碳原子采用的杂化方式为　　　　　　　　　。 sp2杂化 (2)简述苯分子的大π键的形成及表示方法。 提示:每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,这六个轨道相互平行且各有一个未成对电子,以“肩并肩”的方式相互重叠,形成属于六个碳原子共用六个电子的大π键,可表示为。 1.杂化轨道的类型与分子空间结构的关系 杂化类型 sp sp2 sp3 杂化轨道 间的夹角 180° 120° 109°28' 空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形 实例 BeCl2、CO2、 CS2等 BCl3、BF3、 BBr3等 CF4、SiCl4、 SiH4等 2.中心原子杂化类型的判断方法 (1)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',则中心原子发生sp3杂化;若杂化轨道之间的夹角为120°,则中心原子发生sp2杂化;若杂化轨道之间的夹角为180°,则中心原子发生sp杂化。 (2)常见物质中心原子的杂化方式 ①中心原子采用sp3杂化:有机物中饱和碳原子、NH3、H2O、金刚石中的碳原子、晶体硅中的硅原子、SiO2、N等。 ②中心原子采用sp2杂化:有机物中的双键碳原子、BF3、石墨中的碳原子、苯环中的碳原子、SO2、SO3等。 ③中心原子采用sp杂化:有机物中的三键碳原子、CO2、BeCl2等。 (3)相似结构的物质,如CO2与CS2、BF3与BBr3等,其中心原子杂化方式相同。 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 A 课时作业　巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 1 [对点训练] 题组一　原子轨道杂化与杂化轨道 1.下列说法错误的是(　　) A.ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道 B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和1个C原子的2p轨道混合起来而形成的 C.孤电子对有可能参加杂化 D.s轨道和p轨道杂化不可能出现sp4杂化 9 10 B 11 12 13 14 15 16 17 ⅠA族元素的外围电子排布式为ns1,由于只有1个ns电子,因此不可能形成杂化轨道,A正确;H2O分子中的氧原子采用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,C正确;由于np能级只有3个原子轨道,所以s轨道和p轨道杂化方式只有sp3、sp2、sp 3种,不可能出现sp4杂化,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2.下列有关sp杂化轨道的叙述正确的是(　　) A.是由一个1s轨道和一个2p轨道线性组合而成 B.sp杂化轨道中的两个杂化轨道完全相同 C.sp杂化轨道可与其他原子轨道形成σ键和π键 D.sp杂化轨道有两个,一个能量高,另一个能量低 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 B 11 12 13 14 15 16 17 sp杂化轨道是由同一原子内同一电子层能量相近的轨道发生的杂化,A项错误;不同类型能量相近的原子轨道混合起来,重新组合成一组新的轨道,sp杂化轨道中的两个杂化轨道完全相同,B项正确、D项错误;杂化轨道用于形成σ键或用来容纳孤电子对,未杂化的轨道形成π键,杂化轨道不形成π键,C项错误。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 3.下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是(　　) A.由同一电子层上的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轨道成分占三分之一 D.sp2杂化轨道最多可形成2个σ键 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 D 11 12 13 14 15 16 17 同一电子层上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不能过大,A项正确;同种类型的杂化轨道能量相同,B项正确;sp2杂化轨道是由1个s轨道与2个p轨道杂化而成的,C项正确;sp2杂化轨道最多可形成3个σ键,D项错误。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 题组二　杂化类型的判断 4.下列分子中的碳原子采用sp2杂化的是(　　) A.C2H2　　　　　　　　　 B.CS2 C.HCHO D.C3H8 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 C 11 12 13 14 15 16 17 5.甲烷中的碳原子是sp3杂化,下列用*表示的碳原子的杂化类型和甲烷中的碳原子杂化类型一致的是(　　) A.CH≡CH3 B.H2==CHCH3 C.CH2==HCH3 D.CH2==CHH3 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 D 11 12 13 14 15 16 17 D项中用*表示的碳原子形成了四个σ键,与甲烷类似,其为sp3杂化。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 6.在BrCH==CHBr分子中,C—Br键采用的成键轨道是(　　) A.sp-p B.sp2-s C.sp2-p D.sp3-p 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 C 11 12 13 14 15 16 17 分子中的两个碳原子都是采用sp2杂化,溴原子的外围电子排布式为4s24p5,4p轨道上有一个单电子,与碳原子的一个sp2杂化轨道成键。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 7.下列分子中的中心原子为sp杂化,分子的空间结构为直线形,且分子中没有形成π键的是(　　) A.CH≡CH B.CO2 C.BeCl2 D.BBr3 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 C 11 12 13 14 15 16 17 CH≡CH和CO2中的C原子均采取sp杂化,且都含有π键;BeCl2分子中Be采取sp杂化,没有形成π键;BBr3中B原子采取sp2杂化,且没有π键。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 8.形成下列分子时,中心原子采用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是(　　) ①PF3　②CF4　③NH3　④H2O A.①② B.②③ C.③④ D.①④ 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 A 11 12 13 14 15 16 17 PF3、CF4、NH3、H2O分子中的P原子、C原子、N原子、O原子都采取sp3杂化, NH3和H2O分子中H原子以1s轨道分别与N和O原子形成σ键,PF3和CF4分子中F原子以2p轨道分别与P和C原子形成σ键。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 题组三　杂化轨道理论的应用 9.sp3杂化形成的AB4型分子的空间结构是(　　) A.平面四边形 B.正四面体形 C.三角锥形 D.平面三角形 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 B 11 12 13 14 15 16 17 10.氮的最高价氧化物为无色晶体,它由N和N构成,已知其阴离子结构为平面三角形,阳离子中氮的杂化方式为sp,则其阳离子的结构和阴离子中氮的杂化方式为(　　) A.直线形　sp2 B.V形　sp C.平面三角形　sp2 D.平面三角形　sp3 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 A 11 12 13 14 15 16 17 N结构为平面三角形,则其中氮的杂化方式为sp2;N中氮的杂化方式为sp,则其结构为直线形。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [综合强化] 11.下列分子所含原子中,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 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 A 15 16 17 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。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 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键的数目为10NA 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 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 B 15 该分子中有一个碳氧双键,故有11个σ键,C项错误;氮原子为sp3杂化,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。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 13.白磷是一种能自燃的单质,其分子的结构模型如图所示: ,下列叙述错误的是(　　) A.每个磷原子形成3个σ键,磷原子为sp2杂化 B.磷原子均为sp3杂化 C.1 mol白磷中共含6 mol非极性键 D.白磷分子的空间结构为正四面体 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 A 15 14.药物法匹拉韦的结构如图所示。下列说法错误的是(　　)   A.该分子所含元素中电负性最小的是H B.该分子中C—F键的键能大于C—N键的键能 C.该分子中所有C原子都为sp2杂化 D.该分子中σ键与π键数目之比为7∶2 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 D 15 16 17 非金属性越强,电负性越大,C、N、O、F、H电负性由大到小的顺序为F>O>N>C>H,A正确;键长越短,键能越大,该分子中C—F键的键能大于C—N键的键能,B正确;含有N==C、C==O、C==C键的C原子中均形成3个σ键,为sp2杂化,故所有C原子都为sp2杂化,C正确;单键均为σ键,双键中含一个σ键和1个π键,该分子中含有σ键数目为15,π键数目为4,σ键与π键数目之比为15∶4,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 15.乙炔(C2H2)和丙烯腈(CH2==CHCN)是有机合成工业的重要原料。工业上曾用CaC2和H2O反应制取乙炔,用乙炔和氢氰酸(HCN)在氯化亚铜等催化作用下生产丙烯腈。 (1)基态Cu的电子排布式为　 　　　　　　　。Cu元素在元素周期表中的位置为　　　　 　　。  (2)基态N原子第一电离能比基态O原子　　　(填“高”“低”或“相等”)。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 1s22s22p63s23p63d104s1{或[Ar]3d104s1} 第4周期ⅠB族 高 16 17 (2)同周期元素,从左到右第一电离能呈增大趋势,但N为ⅤA族元素,其基态原子p轨道半充满,较稳定,不易失去电子,则第一电离能比基态O原子高。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 (3)C2H2的空间结构为　　　　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 直线形 (3)C2H2中C原子采取sp杂化,空间结构为直线形。 (4)丙烯腈分子中碳原子的杂化轨道类型为　　　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 sp2和sp　 (4)丙烯腈分子结构为CH2==CH—C≡N,所以C==C键上的两个C原子采用sp2杂化,C≡N键上的C原子采用sp杂化。 16 17 (5)1 mol丙烯腈分子中含π键的数目为　　　　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 3NA (5)丙烯腈分子结构为CH2==CH—C≡N,含有1个C==C键、1个C≡N键,一个双键含有1个π键,一个三键含有2个π键,1 mol丙烯腈分子中含π键的数目为3NA。 16 17 (6)丙烯腈(CH2==CHCN)分子中共面的原子数目最多为　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 7 (6)丙烯腈分子结构为CH2==CH—C≡N,C==C键相接的6个原子共平面,C≡N键上相接的3个原子共直线,丙烯腈(CH2==CHCN)分子中共面的原子数目最多为7。 16 17 16.如图是甲醛分子的结构模型,根据该图和所学化学知识回答下列问题:   (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 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 sp2　 甲醛分子的空间结构为平面三角形 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 (1)原子的杂化轨道类型不同,分子的空间结构也不同。由图可知,甲醛分子为平面三角形,所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。 17 (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　④π键　⑤σ键和π键 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ②⑤ (2)醛类分子中都含有C==O键,所以甲醛分子中的碳氧键是双键。双键中含一个σ键和一个π键。 (3)甲醛分子中C—H键与C—H键之间的夹角　　　(填“=”“>”或“<”)120°,出现该现象的主要原因是_____________________________ 　  　。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 <　 碳氧双键中存在π键,它对C—H键 的排斥作用较强 (3)由于碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强,所以甲醛分子中C—H键与C—H键之间的夹角小于120°。 17.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:   (1)写出基态碳原子的电子排布式:　 。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1s22s22p2 (2)三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子的杂化轨道类型分别是　　　　、　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 sp2　 sp3 (3)一个三聚氰胺分子中有　　　　个σ键。  15 (3)一个三聚氰胺分子中除每个双键上有1个π键外,其余均为σ键,共15个。 (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 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 sp2　 C 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 (4)由于该分子中C与O形成双键,则C原子应采取sp2杂化,sp2杂化的C原子与O原子间有1个σ键、1个π键。 17 $$