2.2 第2课时 杂化轨道理论简介(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中化学选择性必修第二册（人教版2019 单选）

第2课时　杂化轨道理论简介 课程标准 核心素养目标 　　结合实例了解共价分子具有特定的空间结构，并可运用相关理论和模型进行解释和预测。 　　证据推理与模型认知：结合实例了解杂化轨道理论的要点和类型(sp3、sp2、sp)，基于分子组成和结构，运用杂化轨道理论解释简单共价分子(或离子)的空间结构。 [对应学生用书P49] 一、杂化轨道理论及要点 1．杂化轨道理论的提出 (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)鲍林提出杂化轨道理论的要点 ①当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的4个顶角，夹角为109°28′，称为sp3杂化轨道，表示这4个轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。 ②当碳原子跟4个氢原子结合时，碳原子以4个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 σ键，故CH4分子呈正四面体形的空间结构。 2．原子轨道的杂化和杂化轨道 (1)原子轨道的杂化 (2)杂化轨道 组合后形成的一组新的原子轨道叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。 二、杂化轨道的类型与分子的空间结构 1．杂化轨道的类型及空间结构 (1)sp3杂化 ①杂化方式 能量相近的sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的，杂化轨道的空间结构为四面体形。 ②杂化过程示意图 (2)sp2杂化 ①杂化方式 sp2杂化轨道由1个s轨道和2个p轨道杂化而得，杂化轨道的空间结构为平面三角形，未参与杂化的p轨道用于形成π键。 ②杂化过程示意图 (3)sp杂化 ①杂化方式 sp杂化轨道由1个s轨道和1个p轨道杂化而得，杂化轨道的空间结构为直线形，未参与杂化的p轨道用于形成π键。 ②杂化过程示意图 2．VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型 VSEPR 模型 VSEPR 模型名称 直线形 平面三 角形 四面体 平面 三角形 四面体 正四面体 中心原子 的杂化轨 道类型 sp sp2 sp3 sp2 sp3 sp3 典型例子 CO2 SO2 H2O SO3 NH3 CH4 ◆名师点拨 杂化轨道理论的解读 (1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程，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，孤立的原子不能发生杂化。 (3)杂化前后原子轨道总数不变，即参与杂化的轨道数目＝形成的杂化轨道数目。 (4)杂化后原子轨道的伸展方向、形状发生改变，但杂化轨道的形状完全相同。 (5)只有能量相近的原子轨道才能杂化(如2s、2p轨道)。 (6)杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，未参与杂化的p轨道用于形成π键。 (7)杂化轨道总数＝中心原子的价层电子对数＝中心原子上的孤电子对数＋σ键电子对数。 ◆拓展延伸 未参与杂化的p轨道形成π键 ◆拓展延伸 等性杂化和不等性杂化 杂化 方式 等性杂化 不等性杂化 sp sp2 sp3 sp3 轨道间 的夹角 180° 120° 109°28′ <120° <120° 孤电子 对数 0 0 0 1 2 中心原 子上的 成键电 子对数 2 3 4 3 2 分子空 间结构 直线形 平面三角形 四面体形 三角锥形 V形 实例 BeCl2 BF3 CH4、 SiCl4 NH3、 PH3 H2O、 H2S (1)若原子轨道杂化后形成的杂化轨道完全相同，这种杂化称为等性杂化；若形成的杂化轨道中有1个或几个被孤电子对占据，使得轨道夹角改变，这种杂化称为不等性杂化。 (2)中心原子不含孤电子对时采取等性杂化，含有孤电子对则采取不等性杂化。 (3)采取等性杂化时，杂化轨道的空间结构和分子的空间结构相同。 (4)采取不等性杂化时，杂化轨道的空间结构与分子的空间结构不同。 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)必须同一能层中能量相近的原子轨道才能发生杂化 (　　×　　) (2)AB3型分子的中心原子均采取sp2杂化 (　　×　　) (3)H3O＋和NH的中心原子均采取sp3杂化 (　　√　　) (4)若中心原子的杂化方式相同，则分子中共价键的键角也相同 (　　×　　) [对应学生用书P51] 探究一__判断分子(或离子)中心原子的杂化轨道类型 “达芦那韦”可用于已使用过抗逆转录病毒药物的HIV(人类免疫缺陷病毒)感染的成人患者的治疗。合成“达芦那韦”的部分路线如图所示： [问题设计] (1)判断A分子中碳原子的杂化轨道类型，并分析分子中所有原子能否共平面。 提示：A中碳原子采取sp2杂化；苯环和—CHO都是平面形结构，单键可以旋转，故所有原子可能共平面。 (2)判断B、C分子中碳、氮原子的杂化轨道类型。 提示：B分子中碳原子采取sp2、sp3杂化，氮原子采取sp2杂化；C分子中碳原子采取sp2、sp3杂化，氮原子采取sp3杂化。 (3)判断NaBH4中阴离子BH的空间结构及B的杂化轨道类型。 提示：正四面体形；sp3杂化。 判断中心原子杂化轨道类型的方法 (1)根据中心原子的价层电子对数判断 中心原子价 层电子对数 2 3 4 中心原子杂 化轨道类型 sp杂化 sp2杂化 sp3杂化 应用示例 BeCl2、CO2 SO2、BF3 H2O、NH3 (2)根据杂化轨道数目判断 一般来说，杂化轨道数＝中心原子上的孤电子对数＋中心原子的σ键电子对数，根据杂化轨道总数判断杂化轨道类型，判断有机物分子中C、N等原子的杂化轨道类型较为实用。 代表物 杂化轨道数 杂化轨道类型 HC≡CH 0＋2＝2 sp杂化 CH2===CH2 0＋3＝3 sp2杂化 CH3CH3 0＋4＝4 sp3杂化 0＋3＝3 sp2杂化 (3)根据杂化轨道之间的夹角判断 杂化轨道夹角 180° 120° 109°28′ 中心原子杂 化轨道类型 sp杂化 sp2杂化 sp3杂化 应用示例 CO2 BF3 CH4 【例1】 下列分子中心原子的杂化轨道类型相同，分子的空间结构也相同的是 (　　　　　) A．H2O、SO2 B．H2O、NH3 C．NH3、HCHO D．BeCl2、CO2 D　解析：选项中各分子中心原子的价层电子对数、孤电子对数、杂化轨道类型及分子的空间结构如下表： 分子式 H2O SO2 NH3 HCHO BeCl2 CO2 中心原 子价层 电子对数 4 3 4 3 2 2 孤电子对数 2 1 1 0 0 0 杂化轨 道类型 sp3 sp2 sp3 sp2 sp sp 分子空 间结构 V形 V形 三角 锥形 平面三 角形 直线 形 直线 形 由表可知，D正确。 1．下列关于NH、NH3、NH三种粒子的说法不正确的是 (　　　　　) A．三种粒子所含有的电子数相等 B．三种粒子中氮原子的杂化方式相同 C．三种粒子的空间结构相同 D．键角大小关系：NH>NH3>NH C　解析：NH、NH3、NH三种粒子所含有的电子数均为10，A正确；铵根离子中氮原子价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数＝4＋×(5－1－4×1)＝4，所以其采用sp3杂化，氨分子中价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数＝3＋×(5－3×1)＝4，所以氮原子杂化方式是sp3，NH中氮原子价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数＝2＋×(5－1×2＋1) ＝4，所以其采用sp3杂化，B正确；根据三种粒子的杂化方式可知，铵根离子为正四面体结构；氨分子空间结构为三角锥形，NH空间结构为V形，C错误；铵根离子中，含0个孤电子对，氨分子中含1个孤电子对，NH含2个孤电子对，含有孤电子对数越多，分子中的键角越小，所以键角大小关系：NH>NH3>NH，D正确。 2．某有机物M的结构简式如图所示，其中①、②、③号原子的杂化方式分别为 (　　　　　) A．sp3、sp3、sp3 B．sp3、sp3、sp2 C．sp2、sp3、sp2 D．sp3、sp2、sp2 B　解析：①号碳原子含有共价键为4个单键，采取sp3杂化；②号氮原子形成3个共价键，含有1个孤电子对，杂化轨道数为4，采取sp3杂化；③号碳原子含有共价键为2个单键和1个碳氧双键，采取sp2杂化。 探究二__应用杂化轨道理论解释分子(或离子)的空间结构 环硼氮六烷(B3N3H6)是低挥发性白色晶体，微溶于水，易溶于丙酮等溶剂，可用来制造具有耐油、耐高温性能的特殊材料。由于其分子结构(如图所示)及物理性质与苯很相似，也有大π键，故又称无机苯。 [问题设计] (1)判断环硼氮六烷分子中B、N的杂化方式，并判断所有原子是否共平面。 提示：B、N均采取sp2杂化；分子中所有原子均共平面。 (2)芳香烃中含有苯环结构，如乙苯()、苯乙烯()等。试判断两种分子中碳原子的杂化方式，并推测分子中所有原子是否共平面。 提示：乙苯：sp2、sp3；所有原子不共平面；苯乙烯：sp2；所有原子可能共平面。 (3)大π键常表示为，其中m代表参与形成大π键的原子数，n代表参与形成大π键的电子数。环硼氮六烷分子中大π键可表示为__________，据此推测形成大π键时，中心原子采取的杂化方式可能为____________。 提示：　sp2杂化或sp杂化 1．利用杂化轨道理论解释分子(或离子)的空间结构 分子(或 离子)的 空间结构 直线形 平面 三角形 四面体 形或三 角锥形 V形 中心原子 杂化轨 道类型 sp杂化 sp2杂化 sp3杂化 sp2或 sp3杂化 应用示例 BeCl2、 CS2 CH2O、 AlCl3 CH4、 NH3 SO2(sp2)、 H2O(sp3) 2．根据π键判断有机物中碳原子的杂化方式及原子是否共平面 (1)若有机物中碳原子未形成π键，则采取sp3杂化，分子中所有原子一定不共平面。 (2)若有机物中碳原子形成1个π键，则采取sp2杂化，分子中所有原子可能共平面。 (3)若碳原子形成2个π键，则采取sp杂化，分子中所有原子可能共平面。 【例2】 1­乙基­3­甲基咪唑被广泛应用于有机合成和聚合反应、分离提纯以及电化学研究中。下列关于1­乙基­3­甲基咪唑的说法错误的是 (　　　　　) A．1 mol阳离子中含有σ键数目为19NA B．五元环处于同一平面，则两个氮原子的杂化方式分别为sp3、sp2 C．阴离子是正四面体形，中心原子采取sp3杂化 D．该物质中含有离子键、共价键 B　解析：由阳离子结构可知，1 mol阳离子中含有σ键数目为19NA，A正确；五元环处于同一平面，从结构简式可看出两个氮原子均形成3个σ键，氮原子含有的1个孤电子对应参与形成大π键，推测氮原子的杂化方式都是sp2，B错误；阴离子为BF，中心硼原子有4个σ键电子对，不含孤电子对，则硼原子采取sp3杂化，BF的空间结构为正四面体形，C正确；该物质是离子化合物，含有离子键，阴、阳离子都含有共价键，D正确。 3．下列有关杂化轨道理论的说法正确的是 (　　　　　) A．NCl3分子呈三角锥形，这是氮原子采取sp2杂化的结果 B．sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道 C．若分子的空间结构是正四面体形，则中心原子可能采取sp2杂化 D．AB3型的分子空间结构必为平面三角形 B　解析：NCl3分子中氮原子上的价层电子对数为3＋＝4，则NCl3分子中氮原子采取sp3杂化，A错误；sp3杂化轨道是能量相近的原子最外电子层上的1个s轨道和3个p轨道“混杂”起来，形成能量相等、成分相同的4个轨道，B正确；中心原子采取sp3杂化的分子，其分子的空间结构为正四面体形，如CH4，C错误；AB3型分子若中心原子不含孤电子对(如BF3等)，则必定是平面三角形，若含有孤电子对(如NH3等)，则分子是三角锥形结构，D错误。 4．短周期元素X、Y、Z原子序数依次增大，X元素基态原子有2个未成对电子，Y元素基态原子的核外p电子数比s电子数少1个，Z的一种“超原子”(Z)具有40个价电子，下列说法错误的是 (　　　　　) A．X、Y、Z的电负性和第一电离能均为Y＞X＞Z B．XO的空间结构为平面三角形 C．YO中心原子的杂化方式为sp2杂化 D．简单离子半径：Y＜Z D　解析：短周期元素X、Y、Z原子序数依次增大， Z的一种“超原子”(Z)具有40个价电子，则Z原子的价电子数为＝3，则Z为Al；Y元素基态原子的核外p电子数比s电子数少1个，则Y为N；X元素基态原子有2个未成对电子，则X为C。金属元素的电负性和第一电离能均小于非金属元素，同周期元素从左到右第一电离能呈增大趋势，电负性依次增大，所以碳、氮、铝三种元素的电负性和第一电离能的大小顺序均为Y＞X＞Z，A正确；碳酸根离子中碳原子的价层电子对数为3、孤电子对数为0，离子的空间结构为平面三角形，B正确；硝酸根离子中氮原子的价层电子对数为3，氮原子的杂化方式为sp2杂化，C正确；电子层结构相同的离子，核电荷数越大，离子半径越小，则氮离子的离子半径大于铝离子，D错误。 [对应学生用书P53] 1．下列关于杂化轨道理论的说法正确的是 (　　　　　) A．凡是中心原子采取sp2杂化的分子，其空间结构都是平面三角形 B．P4和CH4都是正四面体形分子，且键角都为109°28′ C．在BF3、SO3、NCl3分子中，各原子的最外层均不满足8电子稳定结构 D．在NH3和B2H6中，N和B均采取sp3杂化 D　解析：中心原子采取sp2杂化的分子，其空间结构与孤电子对数有关，若没有孤电子对，则为平面三角形，如BF3，若含有1个孤电子对，则分子为V形，如SO2，A错误；P4和CH4都是正四面体形分子，P4的磷原子均在正四面体的顶角上，键角为60°，而CH4的C在正四面体的中心，H在顶角上，键角为109°28′，B错误；NCl3分子中N与3个Cl各共用1对电子，N与Cl均满足8电子稳定结构，C错误。 2．下列分子的中心原子是sp2杂化的是 (　　　　　) A．BF3 B．CO2 C．CH4 D．H2O A　解析：BF3中硼原子的价层电子对数为3＋＝3，则硼原子的杂化方式为sp2，A正确；CO2中碳原子的价层电子对数为2＋＝2，则碳原子的杂化方式是sp，B错误；CH4中碳原子的价层电子对数为4＋＝4，则碳原子的杂化方式为sp3，C错误；H2O中氧原子的价层电子对数为2＋＝4，则氧原子的杂化方式为sp3，D错误。 3．下列关于SO2、SO3、H2SO4、SO和SO的说法正确的是 (　　　　　) A．SO2、SO3分子中硫原子均为sp3杂化 B．SO2、SO3中键角前者大 C．SO中S采取sp3杂化，其空间结构为三角锥形 D．SO的空间结构为平面正方形 C　解析：SO2、SO3分子中硫的价层电子对数均为3，故硫原子均为sp2杂化，A错误；SO2中硫原子有1个孤电子对，其对σ 键电子对的排斥力较大，故SO2的键角较小，B错误；SO中S的价层电子对数为3＋1＝4，含有1个孤电子对，则S采取sp3杂化，其空间结构为三角锥形，C正确；SO中S的价层电子对数为4，不含孤电子对，根据价层电子对互斥模型推测，其空间结构为正四面体形，D错误。 4．卤族元素除F外，Cl、Br、I均可形成多种含氧酸。下列说法正确的是 (　　　　　) A．键角：ClO>IO>BrO B．AlF3、AlCl3都是平面三角形分子 C．基态氟原子核外电子的空间运动状态有9种 D．ClO、IO、BrO中卤素原子的杂化方式相同 D　解析：孤电子对数越多，排斥力越大，键角越小，ClO中Cl的孤电子对数为×(7＋1－2×2)＝2，IO中I的孤电子对数为×(7＋1－3×2)＝1，BrO中Br的孤电子对数为×(7＋1－4×2)＝0，故键角：ClO<IO<BrO，A错误；AlF3是离子化合物，AlCl3为共价化合物，是平面三角形分子，B错误；基态氟原子核外电子排布为1s22s22p5，则核外电子的空间运动状态有5种，C错误；ClO中Cl的价层电子对数为2＋×(7＋1－2×2)＝4，IO中I的价层电子对数为3＋×(7＋1－3×2)＝4，BrO中Br的价层电子对数为4＋×(7＋1－4×2)＝4，故卤素原子的杂化方式都是sp3杂化，D正确。 5．在H2O、NH3、CS2、CH4、BF3分子中： (1)存在π键的共价化合物分子是__________(填分子式，下同)。 (2)具有直线形结构的分子是________。 (3)具有正四面体形结构的分子是________。 (4)具有三角锥形结构的分子是________。 (5)具有sp3杂化轨道类型的分子是________。 (6)具有sp2杂化轨道类型的分子是________。 答案：(1)CS2　(2)CS2 (3)CH4　(4)NH3 (5)H2O、NH3、CH4　(6)BF3 解析：H2O中氧原子的价层电子对数为4，含有2个孤电子对，氧原子采取sp3杂化，则H2O分子的空间结构为V形；NH3中氮原子的价层电子对数为4，含有1个孤电子对，氮原子采取sp3杂化，则NH3分子的空间结构为三角锥形；CS2中碳原子的价层电子对数为2，不含孤电子对，碳原子采取sp杂化，则CS2分子的空间结构为直线形；CH4中碳原子的价层电子对数为4，不含孤电子对，碳原子采取sp3杂化，则CH4分子的空间结构为正四面体形；BF3分子中硼原子的价层电子对数为3，不含孤电子对，硼原子采取sp2杂化，则BF3分子的空间结构为平面三角形。 学科网（北京）股份有限公司 $$