第二章 第二节 第2课时 杂化轨道理论（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修2教师用书（人教版 浙苏）

第2课时　杂化轨道理论 ［核心素养发展目标］　1.通过对杂化轨道理论的学习，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.掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。 一、杂化轨道及其类型 1.用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成 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轨道发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，却得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正面体的4个顶角，夹角为109°28'，称为sp3杂化轨道。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H原子的1s轨道重叠，形成4个C—H σ键，因此呈现正四面体形的空间结构。 2.杂化轨道的形成及特点 3.杂化轨道的类型 (1)sp3杂化轨道 sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而成的，sp3杂化轨道间的夹角为109°28'，空间结构为正四面体形(如图所示)。 (2)sp2杂化轨道 sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形(如图所示)。 (3)sp杂化轨道 sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形(如图所示)。 1.正误判断 (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)只有能量相近的轨道才能杂化 (　　) (4)杂化轨道能量更集中，有利于牢固成键 (　　) (5)杂化轨道只用于形成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 (　　) (6)2s轨道和3p轨道能形成sp2杂化轨道 (　　) 答案　(1)√　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　(6)× 2.下列分子的中心原子杂化轨道类型相同的是 (　　) A.CO2与SO2 B.CH4与NH3 C.BeCl2与BF3 D.C2H2与C2H4 答案　B 解析　CO2的C原子为sp杂化，SO2的S原子为sp2杂化，A项错误；CH4和NH3的中心原子均为sp3杂化，B项正确；BeCl2的Be原子为sp杂化，BF3的B原子为sp2杂化，C项错误；C2H2的C原子为sp杂化，C2H4的C原子为sp2杂化，D项错误。 3.下列分子或离子的中心原子为sp3杂化，且杂化轨道容纳了1个孤电子对的是 (　　) A.CH4、NH3 B.BBr3、S C.SO2、BeCl2 D.PCl3、H3O+ 答案　D 解析　CH4中碳原子为sp3杂化但不含孤电子对，故A错误；BBr3中B原子为sp2杂化且不含孤电子对，故B错误；SO2中S原子为sp2杂化，含有1个孤电子对，BeCl2中Be原子为sp杂化且不含孤电子对，故C错误。 4.下列分子中的中心原子的杂化方式为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.BF3 答案　C 解析　CH≡CH中含有三键，有π键，故不选A；CO2的结构式为O==C==O，分子中含有碳氧双键，含有π键，故不选B；BeCl2分子中，Be原子含有两个共价单键，不含孤电子对，所以价层电子对数是2，中心原子以sp杂化轨道成键，分子中不含π键，故选C；BF3中B原子含有3个共价单键，所以价层电子对数是3，中心原子以sp2杂化轨道成键，故不选D。 以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化轨道类型 (1)没有形成π键，采取sp3杂化，如CH4、CCl4等。 (2)形成一个π键，采取sp2杂化，如CH2==CH2等。 (3)形成两个π键，采取sp杂化，如CH≡CH、CO2等。 二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系 1.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。 (1)没有孤电子对：能量相同的杂化轨道彼此远离→形成的分子为对称结构。 (2)有孤电子对：孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥→形成的分子的空间结构发生变化。 2.杂化轨道与分子的空间结构的关系 (1)杂化轨道全部用于形成σ键 杂化类型 sp sp2 sp3 轨道组成 一个ns和一个np 一个ns和两个np 一个ns和三个np 轨道夹角 180° 120° 109°28' 杂化轨道示意图 实例 BeCl2 BF3 CH4 分子的空间结构 直线形 平面三角形 正四 面体形 (2)杂化轨道中有未参与成键的孤电子对 杂化类型 sp2 sp3 中心原子所在族 第ⅥA族 第ⅤA族 第ⅥA族 中心原子的孤电子对数 1 1 2 分子空间结构 V形 三角锥形 V形 实例 SO2 NH3、PCl3、PH3 H2O、H2S CH4、NH3、H2O中心原子的杂化轨道类型都是sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小。 提示　CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子上的孤电子对数依次为0、1、2。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。比较键角时，先看中心原子杂化轨道类型，杂化轨道类型不同时，键角一般按sp、sp2、sp3顺序依次减小；杂化轨道类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。 1.正误判断 (1)杂化轨道的空间结构与分子的空间结构不一定一致 (　　) (2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角一定相同 (　　) (3)凡AB3型共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键 (　　) (4)NH3分子的空间结构为三角锥形，则氮原子的杂化方式为sp3 (　　) (5)C2H4分子中的键角都约是120°，则碳原子的杂化方式是sp2 (　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√ 2.下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是 (　　) ①BF3　②CH2==CH2　③ ④CH≡CH　⑤NH3　⑥CH4 A.①②③ B.①⑤⑥ C.②③④ D.③⑤⑥ 答案　A 解析　sp2杂化轨道形成夹角为120°的平面三角形，①BF3为平面三角形且B—F夹角为120°；②C2H4中碳原子以sp2杂化，未杂化的2p轨道重叠形成π键；③与②相似；④乙炔中的碳原子为sp杂化，未杂化的2p轨道重叠形成π键；⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。 3.下列中心原子的杂化轨道类型和分子空间结构不正确的是 (　　) A.PCl3中P原子为sp3杂化，三角锥形 B.N中N原子为sp3杂化，正四面体形 C.H2S中S原子为sp杂化，直线形 D.SO2中S原子为sp2杂化，V形 答案　C 解析　PCl3中P原子价层电子对数=3+=4，含有一个孤电子对，则P原子为sp3杂化，分子空间结构为三角锥形，故A正确；N中N原子价层电子对数=4+=4，不含孤电子对，则N原子为sp3杂化，分子空间结构为正四面体形，故B正确；H2S中S原子价层电子对数=2+=4，含有两个孤电子对，则S原子为sp3杂化，分子空间结构为V形，故C错误；SO2中S原子价层电子对数=2+=3，含有一个孤电子对，则S原子为sp2杂化，分子空间结构为V形，故D正确。 4.(2024·苏州高二检测)已知某XY2分子属于V形分子，下列说法正确的是 (　　) A.X原子一定是sp2杂化 B.X原子一定为sp3杂化 C.X原子上一定存在孤电子对 D.VSEPR模型一定是平面三角形 答案　C 解析　若X原子无孤电子对，则它一定是直线形分子，若X有1个孤电子对或2个孤电子对，则XY2一定为V形分子，此种情况下X的原子轨道可能为sp2杂化，也可能是sp3杂化，A、B项错误，C项正确；若X有2个孤电子对，则该分子的VSEPR模型为四面体形，D项错误。 5.按要求回答下列问题： (1)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型是　　　　　　　　　　　　　。  (2)醛基中碳原子的杂化轨道类型是　　　　。  (3)化合物中阳离子的空间结构为　　　　　　　，阴离子的中心原子采取　　　　　杂化。  (4)X的单质与氢气可化合生成气体G，G的水溶液的pH>7。G分子中X原子的杂化轨道类型是　　　。  答案　(1)sp3、sp2　(2)sp2　(3)三角锥形　sp3　(4)sp3 解析　(1)CH3COOH分子中，—CH3和—COOH上的碳原子的杂化轨道类型分别是sp3和sp2。 (2)上的碳原子形成3个σ键和1个π键，采取sp2杂化。(4)G是NH3，N原子采取sp3杂化。 常见物质中心原子的杂化方式 (1)采取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)采取sp2杂化：有机物中的双键碳原子、BF3、石墨中的碳原子、苯环中的碳原子等。 (3)采取sp杂化：有机物中的三键碳原子、CO2、BeCl2等。 说明　注意结构相似的物质，如CO2与CS2、BF3与BBr3等的中心原子的杂化轨道类型分别相同。 课时对点练　［分值：100分］ (选择题1~13题，每小题6分，共78分) 题组一　杂化轨道理论 1.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 答案　B 解析　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。 2.(2023·长沙南雅中学高二检测)能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为 (　　) A. B. C. D. 答案　D 解析　碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋状态相同。 3.在乙烯分子中有5个σ键、1个π键，它们分别是 (　　) A.sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键 B.sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键 C.碳与氢原子之间是sp2杂化轨道形成的σ键，碳与碳原子之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键 D.碳与碳原子之间是sp2杂化轨道形成的σ键，碳与氢原子之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键 答案　A 解析　乙烯分子中存在4个C—H和1个C==C，碳原子上没有孤电子对，成键电子对数为3，则C原子采取sp2杂化，碳氢键是sp2杂化轨道形成的σ键，碳碳双键中有1个是sp2杂化轨道形成的σ键，还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键，A项正确。 4.(2023·西安第一中学高二检测)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 答案　B 解析　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，形成s⁃sp σ键，C项错误；HCl中只存在s⁃p σ键，D项错误。 5.BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成B，则BF3和B中B原子的杂化轨道类型分别是 (　　) A.sp2、sp2 B.sp3、sp3 C.sp2、sp3 D.sp、sp2 答案　C 解析　BF3中B原子的价层电子对数为3，所以为sp2杂化，B中B原子的价层电子对数为4，所以为sp3杂化。 6.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［］ 答案　A 解析　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。 题组二　杂化轨道理论的应用 7.N的空间结构和氮的杂化方式分别为 (　　) A.直线形，sp B.V形，sp2 C.三角锥形，sp3 D.平面三角形，sp2 答案　A 解析　N中N原子价层电子对数为2+×(5-1-2×2)=2，因此杂化类型为sp，阳离子空间结构为直线形，A项正确。 8.下列关于N、NH3、N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：N>NH3>N 答案　C 解析　N、NH3、N中含有的电子数均为10，A正确；N、NH3、N三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化，B正确；N为正四面体形，NH3为三角锥形，N为V形，C错误；N、NH3、N三种微粒的键角大小关系为N>NH3>N，D正确。 9.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VSEPR模型、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.四面体形、三角锥形、sp3 B.平面三角形、V形、sp2 C.平面三角形、平面三角形、sp2 D.四面体形、三角锥形、sp2 答案　A 解析　SOCl2分子中S原子形成2个S—Cl、1个SO，价层电子对数=σ键数+孤电子对数=3+×(6-1×2-2)=4，杂化轨道数是4，故S原子采取sp3杂化，SOCl2分子的VSEPR模型为四面体形，且S原子含1个孤电子对，则其分子的空间结构为三角锥形，A项正确。 10.下列说法不正确的是 (　　) 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.ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道 D.杂化轨道全部参与形成共价键 答案　D 解析　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变化，A正确；sp3、sp2与sp杂化轨道的空间结构分别为正四面体形、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°和180°，B正确；杂化轨道可以部分参与形成共价键，部分容纳孤电子对，D错误。 11.下列说法正确的是 （　　） A.PCl3分子是三角锥形，这是因为磷原子是sp2杂化的结果 B.sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道 C.中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或V形 D.AB3型的分子空间结构必为平面三角形 答案　C 解析　PCl3中P原子形成3个σ键，有1个孤电子对，采取sp3杂化，PCl3分子是三角锥形，A项错误；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，B项错误；中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形(如CH3Cl)或三角锥形(如NH3)或V形(如H2O)，C项正确；AB3型的分子空间结构可能为平面三角形(如BF3)或三角锥形(如NH3)，D项错误。 12.(2023·浙江杭州重点中学月考)磷酸氯喹在细胞水平上能有效抑制某病毒的感染，其结构简式如图所示。下列说法正确的是 (　　) A.第一电离能：O>N>C B.该有机物中碳原子采取sp、sp2杂化 C.基态氢原子电子云轮廓图为哑铃形 D.P的空间结构与VSEPR模型相同 答案　D 解析　第ⅤA族元素的第一电离能大于同周期相邻元素，故第一电离能：N>O>C，A项错误；基态氢原子电子云轮廓图为球形，C项错误；P中P的价层电子对数为4，没有孤电子对，其空间结构和VSEPR模型都是正四面体形，D项正确。 13.(2024·杭州学军中学高二月考)下表中各粒子对应的空间结构及解释均错误的是 (　　) 选项 粒子 空间结构 解释 A NF3 三角锥形 N原子采用sp3杂化 B SeO2 平面三角形 Se原子采用sp2杂化，与H2O中的O原子杂化方式不同 C C2H2 直线形 C原子采用sp2杂化且C原子的价电子均参与成键 D SCl2 V形 S原子采用sp3杂化 答案　C 解析　NF3的中心N原子上的价层电子对数为3+=4，含有1个孤电子对，根据价层电子对互斥模型知，该分子为三角锥形，N原子采用sp3杂化，故A正确；SeO2的中心Se原子上的价层电子对数为2+=3，且含有1个孤电子对，根据价层电子对互斥模型知，该分子为V形，Se原子采用sp2杂化，水分子的中心O原子采用sp3杂化，故B正确；C2H2中每个碳原子上的价层电子对数都是2，都不含孤电子对，该分子为直线形，C原子采用sp杂化，且C原子的价电子均参与成键，故C错误；SCl2的中心S原子上的价层电子对数为2+=4，含2个孤电子对，该分子为V形，S原子采用sp3杂化，故D正确。 14.(10分)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()。 (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 (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。  答案　(1)PCl3　三角锥形　(2)AB　(3)N原子最外层无d轨道，不能发生sp3d杂化，故无NCl5 (4)+1　-1　sp3 15.(12分)根据杂化轨道理论可以判断分子的空间结构，试根据相关知识填空： (1)AsCl3分子的空间结构为　　　　　　　　，其中As的杂化轨道类型为　　　　。  (2)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型为　　　　。  (3)一种有机化合物的结构简式如下： ①该分子中有　　　　个sp2杂化的碳原子；　　　　个sp3杂化的碳原子。  ②该分子中有　　　　个sp2⁃sp3σ键；　　　　sp3⁃sp3σ键。  (4)SCN-与N的结构相同，空间结构呈　　　　形，中心原子都采取　　　　杂化。  (5)C、N等粒子具有相同的原子个数，它们的价电子总数都是　　　　，空间结构呈　　　　形，中心原子都采取　　　　杂化。  答案　(1)三角锥形　sp3　(2)sp3、sp2　(3)①2　6　②3　3　(4)直线　sp　(5)24　平面三角　sp2 解析　(1)AsCl3中As的价层电子对数为3+，As的杂化方式为sp3杂化，AsCl3分子的空间结构为三角锥形。(2)CH3COOH的结构式为，分子中甲基上的碳原子采取sp3杂化，羧基中碳原子采取sp2杂化。(3)有机物中饱和碳原子采取sp3杂化，双键上的碳原子采取sp2杂化。①该分子中有2个sp2杂化碳原子；6个sp3杂化碳原子。②该分子中有3个sp2⁃sp3 σ键；3个sp3⁃sp3 σ键。(4)SCN-与N的中心原子采取sp杂化，形成直线形分子。(5)C、N的价电子总数都是24，中心原子均采取sp2杂化，形成平面三角形分子。 学科网（北京）股份有限公司 $