课时精讲10---杂化轨道理论(教师版).docx

第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
课时精讲10 杂化轨道理论
【目标导航】
1．了解杂化轨道理论的基本内容。
2．会用杂化轨道理论判断分子的空间构型，对分子的空间构型进行解释和预测。
【知识导图】

一、轨道杂化和杂化轨道
1．轨道杂化

2．甲烷中碳原子的杂化类型

二、三种杂化轨道比较
杂化类型
sp
sp2
sp3
参与杂化的原子轨道
1个s和1个p
1个s和2个p
1个s和3个p
杂化轨道数
2
3
4
杂化轨道间夹角
180°
120°
109.5°
空间指向
直线
正三角形三个顶点
正四面体四个顶点
三、判断分子的中心原子杂化轨道类型的方法
1．根据杂化轨道的空间分布构型判断
(1)若杂化轨道在空间的分布为正四面体形，则分子的中心原子发生sp3杂化。
(2)若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则分子的中心原子发生sp2杂化。
(3)若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则分子的中心原子发生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′，则分子的中心原子发生sp3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则分子的中心原子发生sp2杂化；若杂化轨道之间的夹角为180°，则分子的中心原子发生sp杂化。
四、中心原子杂化类型的判断
杂化轨道用来形成σ键和容纳孤电子，所以有公式：杂化轨道数＝中心原子的孤电子的对数＋中心原子的σ键个数。
代表物
杂化轨道数
中心原子杂化轨道类型
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
五、中心原子杂化类型和分子构型的相互判断
中心原子的杂化类型和分子构型有关，二者之间可以相互判断。
分子组成(A为中心原子)
中心原子的弧电子对数
中心原子的杂化方式
分子空间构型
示例
AB2
0
sp
直线形
BeCl2
1
sp2
V形
SO2
2
sp3
V形
H2O
AB3
0
sp2
平面三角形
BF3
1
sp3
三角锥形
NH3
AB4
0
sp3
正四面体形
CH4
六、分子空间构型的确定
轨道杂化类型
电子对的空间构型
成键电子对数
孤对电子数
电子对的排列方式
分子的空间构型
实例
sp1
直线型
2
0

直线形
HC≡CH BeCl2 CO2
sp2
平面三角形
3
0

平面三角形
BF3 BCl3
2
1

V形
SnBr2 PbCl2
sp3
四面体
4
0

正四面体形
CH4 CCl4
3
1

三角锥形
NH3 NF3
2
2

V形
H2O
【小试牛刀】
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
1．同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化( )
【答案】√
【解析】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。
2．杂化轨道能量集中，有利于牢固成键
【答案】√
【解析】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。
3．杂化轨道中不一定有电子(　　)
【答案】√
【解析】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(如NH3、H2O的形成)。
4．杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对(　　)
【答案】√
【解析】杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对，正确。
5．分子中中心原子若通过sp3杂化轨道成键，则该分子一定为正四面体结构(　　)
【答案】×
【解析】分子中中心原子若通过sp3杂化轨道成键，则该分子正四面体结构或三角锥形或折线形，错误。
6．NH3分子为三角锥形，N原子发生sp2杂化(　　)
【答案】×
【解析】NH3分子为三角锥形，N原子发生sp3杂化，错误。
7．只要分子构型为平面三角形，中心原子均为sp2杂化(　　)
【答案】√
【解析】只要分子构型为平面三角形，中心原子均为sp2杂化，正确。
8．中心原子是sp杂化的，其分子构型不一定为直线形(　　)
【答案】×
【解析】中心原子是sp杂化的，其分子构型一定为直线形，错误。
9．PCl3分子是三角锥形，这是因为P原子是以sp2杂化的结果(　　)
【答案】×
【解析】PCl3分子是三角锥形，这是因为P原子是以sp3杂化的结果且没有孤电子对，错误。
10．sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的四个sp3杂化轨道(　　)
【答案】×
【解析】sp3杂化轨道是由中心原子的1个s轨道和3个p轨道混合形成的四个sp3杂化轨道，错误。
11．凡中心原子采取sp3杂化的分子，其VSEPR模型都是(正)四面体(　　)
【答案】√
【解析】凡中心原子采取sp3杂化的分子，其VSEPR模型都是(正)四面体，正确。
12．分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不一定为正四面体结构(　　)
【答案】√
【解析】分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子正四面体结构或三角锥形或折线形，正确。
13．杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对(　　)
【答案】√
【解析】杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对，正确。
14．NH3和CH4两个分子中中心原子N和C都是通过sp3杂化轨道成键(　　)
【答案】√
【解析】NH3和CH4两个分子中中心原子N和C都是通过sp3杂化轨道成键，正确。
15．分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不一定为正四面体结构(　　)
【答案】√
【解析】中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子可能是正四面体形(如CH4)、三角锥形(如NH3)或者V形(如H2O)。
16．杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对(　　)
【答案】√
【解析】π键是由未参与杂化的轨道“肩并肩”重叠形成的，杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳孤电子对。
17．NH3和CH4两个分子中中心原子N和C都是通过sp3杂化轨道成键(　　)
【答案】√
【解析】正四面体形的CH4和三角锥形的NH3中，中心原子C和N都是通过sp3杂化轨道成键。
18．中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是四面体形(　　)
【答案】×
【解析】中心原子采取sp3杂化的分子，VSEPR模型是四面体形，但其空间结构不一定是四面体形，如：水和氨气分子中中心原子均采取sp3杂化，但H2O是V形分子，NH3是三角锥形分子。
19．CH4中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混杂而形成的(　　)
【答案】×
【解析】CH4中sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近的2s轨道和3个2p轨道杂化形成的。
20．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂形成的一组能量相同的新轨道(　　)
【答案】√
【解析】同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂可形成一组能量相同的新轨道。
21．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采取sp3杂化轨道成键(　　)
【答案】×
【解析】BF3中B原子的价层电子对数为3，杂化轨道类型为sp2。
22．SO2中硫原子采取sp2杂化，则CO2中碳原子也采取sp2杂化(　　)
【答案】×
【解析】一个二氧化碳分子中含有2个σ键且中心原子不含孤电子对，所以碳原子采取sp杂化而不是sp2杂化。
23．AlCl3中Al原子是sp2杂化，则Al2Cl6中Al原子也是sp2杂化(　　)
【答案】×
【解析】AlCl3中Al原子是sp2杂化；Al2Cl6为缔合双分子，Al原子形成4个共价键，是sp3杂化。
24．丙烯腈分子中，碳原子的杂化方式有sp3、sp2(　　)
【答案】×
【解析】碳碳双键中碳原子杂化类型为sp2，碳氮叁键中碳原子杂化类型为sp。
25．中硼原子的杂化类型与苯中碳原子的杂化类型相同
【答案】√
【解析】BF3中中心B原子上没有孤电子对、价层电子对数为0+3=3，属于sp2杂化；苯分子中碳上无有孤电子对，价层电子对数为0+3=3，属于sp2杂化。
26．H2O和PO43-中心原子均为sp3杂化，前者空间结构为形，后者为正四面体形(　　)
【答案】√
【解析】H2O的中心原子价层电子对数为2+(6-21)=4，采取sp3杂化，有2对孤对电子，空间结构为V形，PO43-的中心原子价层电子对数为4+(5+3-24)=4，采取sp3杂化，无孤对电子，空间结构为正四面体形。

考点一 杂化轨道理论
【例1】下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是(　　)
A．CO2和SO2 B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2(C2H2的结构简式为CH≡CH)
【答案】B
【解析】CO2分子中，C原子为sp杂化，SO2分子中的S原子为sp2杂化；CH4分子中C原子为sp3杂化，NH3分子中N原子也为sp3杂化；BeCl2分子中Be原子为sp杂化，BF3分子中B原子为sp2杂化；C2H2分子中C原子为sp杂化，而C2H4分子中C原子为sp2杂化。
【例2】对乙烯分子中的化学键分析正确的是(　　)
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．C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键
D．C、C之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、H之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键
【答案】A
【解析】乙烯分子中存在4个C—H键和1个C===C键，C原子上孤电子对数为0，σ键电子对数为3，则C原子采取sp2杂化，C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间有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。
【解题技法】
杂化轨道只用于形成σ键(以sp3杂化形成的都是σ键)或用来容纳孤电子对，如乙烯和二氧化碳中碳原子分别采取sp2、sp杂化，则杂化过程中还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键。
对杂化过程的理解：

杂化轨道类型的判断技巧：
利用中心原子的孤电子对数与相连的其他原子个数之和判断。若之和为2，则中心原子为sp杂化；若之和为3，则中心原子为sp2杂化；若之和为4，则中心原子为sp3杂化。例如：NH3中N原子有1对孤电子对，另外与3个氢原子成键，所以之和为1＋3＝4，为sp3杂化，理论构型为正四面体形，由于N原子有1对孤电子对，实际构型为三角锥形。再如CO2中C原子没有孤电子对，与2个氧原子成键，所以和为0＋2＝2，为sp杂化。
【对点训练1】
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．轨道数目杂化前后可以相等，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、能量最低原则
D．CH4分子中两个sp3杂化轨道的夹角为109.5°
【答案】B
【解析】轨道数目杂化前后一定相等。
2．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．sp1　sp3
【答案】C
【解析】中碳原子形成了3个σ键，无未成键价电子对，需要形成3个杂化轨道，采用的杂化方式是sp2。两边的碳原子各自形成了4个σ键，无未成键电子对，需要形成4个杂化轨道，采用的是sp3杂化。
考点二 杂化轨道理论与分子空间构型的关系
【例3】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(NH2-)
直线形
N原子采取sp杂化
B
二氧化硫(SO2)
V形
S原子采取sp3杂化
C
碳酸根离子(CO32-)
三角锥形
C原子采取sp3杂化
D
乙炔(C2H2)
直线形
C原子采取sp杂化且C原子的价电子均参与成键
【答案】D
【解析】NH2-中N原子采取sp3杂化，且孤电子对数为2，离子的空间结构为V形，A项错误；SO2中S原子的价层电子对数=σ键个数+孤电子对数=2+12×(6-2×2)=3，杂化轨道数为3，采取sp2杂化，孤电子对数为1，分子的空间结构为V形，B项错误； CO32-中C原子的价层电子对数=3+12×(4+2-3×2)=3，不含孤电子对，杂化轨道数为3，采取sp2杂化，离子空间结构为平面三角形，C项错误；C2H2中C原子采取sp杂化，且C原子的价电子均参与成键，所以分子的空间结构为直线形，D项正确。
【例4】下列分子中，杂化类型相同，空间结构也相同的是( )
A．BeCl2、CO2 B．H2O、NH3 C．NH3、HCHO D．H2O、SO2
【答案】A
【解析】A项，氯化铍分子中铍原子的价层电子对数2、孤对电子对数为0，铍原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间结构为直线形，二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数2、孤对电子对数为0，碳原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间结构为直线形，则两者的杂化类型相同，空间结构也相同，故A正确；B项，水分子中氧原子的价层电子对数4、孤对电子对数为2，分子的空间结构为V形，氨分子中氮原子的价层电子对数4、孤对电子对数为1，分子的空间结构为三角锥形，两者的空间结构比同，故B错误；C项，氨分子中氮原子的价层电子对数4，氮原子的杂化方式为sp3杂化，甲醛分子中双键碳原子的杂化方式为sp2杂化，两者的杂化方式不同，故C错误；D项，水分子中氧原子的价层电子对数4，氧原子的杂化方式为sp3杂化，二氧化硫分子中硫原子的杂化方式为sp2杂化，两者的杂化方式不同，故D错误；故选A。
【解题技法】

【对点训练2】
3．下表中各粒子对应的空间结构及杂化方式均正确的是　 (　　)
选项
粒子
空间结构
杂化方式
A
SO3
平面三角形
S原子采取sp杂化
B
SO2
V形
S原子采取sp3杂化
C
CO32-
三角锥形
C原子采取sp2杂化
D
C2H2
直线形
C原子采取sp杂化
【答案】D
【解析】A项，SO3分子中硫原子的价层电子对数=3+12×(6-3×2)=3，不含孤电子对，采取sp2杂化，空间结构为平面三角形，错误；B项，SO2分子中硫原子的价层电子对数=2+12×(6-2×2)=3，含1个孤电子对，采取sp2杂化，空间结构为V形，错误；C项， CO32-中碳原子价层电子对数=3+12×(4+2-3×2)=3，不含孤电子对，采取sp2杂化，空间结构为平面三角形，错误；D项，乙炔(CH≡ CH)分子中每个碳原子均形成2个σ键和2个π键，价层电子对数是2，为sp杂化，空间结构为直线形，正确。
4．下列粒子空间构型和中心原子杂化方式都正确的是( )
A．CH2Cl2、正四面体、sp3 B．H2O、V形、sp2
C．BCl3、平面三角形、sp2 D．、三角锥形、sp3
【答案】C
【解析】A项，CH2Cl2中心原子C与H和Cl形成4个共价键，采取sp3，分子构型为四面体、，故A错误；B项，H2O中心原子的价层电子对为4，有两对孤电子对，采取sp3，分子构型为V形，故B错误；C项，BCl3中心原子的价层电子对为3，采取sp2，分子构型为平面三角形，故C正确；D项，NH4+中心原子的价层电子对为4，采取sp3，分子构型为正四面体形，故D错误；故选C。

1．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σ键
【答案】D
【解析】同一能层上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也不能过大，A项正确；同种类型的杂化轨道能量相同，B项正确；sp2杂化轨道是由一个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．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
【答案】C
【解析】分子中的两个碳原子都采取sp2杂化，溴原子的价电子排布式为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。
3．下列分子的立体构型可用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键夹角为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。
4．乙炔分子中的碳原子采取的杂化方式是(　　)
A．sp1杂化 B．sp2杂化 C．sp3杂化 D．无法确定
【答案】A
【解析】乙炔的结构式为H—C≡C—H，其空间构型为直线形，属于sp1杂化。
5．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是(　　)
A．CS2与C6H6 B．CH4与NH3 C．BeCl2与BF3 D．C2H2与C2H4
【答案】B
【解析】A项，CS2分子中，C原子采用sp1杂化，C6H6分子中，C原子采用sp2杂化；B项，CH4和NH3分子中C、N原子均采用sp3杂化；C项，BeCl2分子中Be原子为sp1杂化，BF3分子中B原子为sp2杂化；D项，C2H2分子中C原子为sp1杂化，C2H4分子中C原子为sp2杂化。
6．根据价电子对互斥理论及杂化轨道理论判断NF3分子的空间构型和中心原子的杂化方式为(　　)
A．直线形，sp1杂化 B．三角形，sp2杂化
C．三角锥形，sp2杂化 D．三角锥形，sp3杂化
【答案】D
【解析】在NF3分子中N原子价电子对数为1/2×(5＋3×1)＝4，孤对电子数4－3＝1，与其相连的原子数为3，根据理论可推知中心原子的杂化方式为sp3杂化，空间构型为三角锥形。
7．氨气分子的空间结构是三角锥形，而甲烷分子的空间结构是正四面体形，这是因为 (　　)
A．两种分子的中心原子的杂化轨道类型不同，NH3中N原子为sp2杂化，而CH4中C原子是sp3杂化
B．NH3分子中氮原子形成3个杂化轨道，CH4分子中碳原子形成4个杂化轨道
C．NH3分子中中心原子上有一对未成键的孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强
D．氨气是四原子化合物，甲烷为五原子化合物
【答案】C
【解析】A项，NH3和CH4中的中心原子都是sp3杂化，都形成夹角为109°28'的四个杂化轨道，只是NH3分子中N原子利用其中3个sp3杂化轨道与3个H原子的1s轨道成键，另一个sp3杂化轨道被孤电子对占据，所以NH3分子为三角锥形，而CH4分子中4个sp3杂化轨道全部用于形成4个C—H键，所以CH4分子为正四面体形。
8．CH、—CH3、CH都是重要的有机反应中间体，有关它们的说法正确的是(　　)
A．它们互为等电子体，碳原子均采取sp2杂化
B．CH与NH3、H3O＋互为等电子体，中心原子均为sp3杂化，几何构型均为正四面体形
C．CH中的碳原子采取sp2杂化，所有原子共平面
D．CH中的碳原子采取sp3杂化，所有原子均共面
【答案】C
【解析】CH、—CH3、CH中原子个数相等但价电子总数不等，不互为等电子体，A项错误。CH与NH3、H3O＋中原子个数相等、价电子总数相等，互为等电子体，CH中碳原子价层电子对数是4且孤电子对数为1，NH3中氮原子价层电子对数是4且孤电子对数为1、H3O＋中氧原子价层电子对数是4且孤电子对数为1，三者中心原子都为sp3杂化，几何构型都为三角锥形，B项错误。CH中碳原子价层电子对数是3且不含孤电子对，所以碳原子采取sp2杂化，为平面三角形，所有原子共平面，C项正确，D项错误。
9．下列说法正确的是( )

A．某化合物M的结构式如图，则碳、氮原子的杂化方式相同
B．上述化合物M中，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
C．I3+的立体构型为V形，中心原子的杂化方式为sp3
D．S8分子中S原子的采取的轨道杂化方式为sp
【答案】C
【解析】A项，化合物M中碳，氮原子各形成了3个σ键，氮原子有一对孤电子对而碳原子没有，故氮原子是sp3杂化，而碳原子是sp2杂化，A项错误；B项，由于氮原子为sp3杂化，故相应的四个与原子形成的是三角锥结构，不能共平面，B项错误；C项，I3+中I原子为中心原子，则其孤电子对数为，其形成了2个σ键，中心原子采取sp3杂化，I3+立体构型为V形，C项正确；D项，S8是一个环形分子，每个S与两个其他S原子相连，S原子形成两个孤电子对，两个σ键，所以S是sp3杂化，D项错误；故选C。
10．(1)对于CH4、NH3、H2O三分子，中心原子都采用________杂化，键角由大到小顺序是________。
(2)对于H2O、BeCl2、BF3、C2H2、C2H4、CH4、C6H6、NH3、CO2等分子，中心原子采用sp1杂化的：________，sp2杂化的：________，sp3杂化的：________。
【答案】(1)sp3　 CH4＞NH3＞H2O
(2)BeCl2、C2H2、CO2　BF3、C2H4、C6H6　CH4　H2O　NH3
11．根据理论预测下列分子或离子的空间构型。

CO2
CO
PO
SO
杂化类型

空间构型

键角

【答案】　

CO2
CO
PO
SO
杂化方式
sp
sp2
sp3
sp3
空间构型
直线形
平面三角形
正四面体型
正四面体型
键角
180°
120°
109.5°
109.5°
【解析】CO2：中心碳原子的价电子对数为＝2，采用sp杂化，直线形构型。CO：中心碳原子的价电子对数为＝3，采用sp2杂化，无孤电子对，平面三角形构型。PO：中心P原子的价电子对数为＝4，采用sp3杂化，呈正四面体构型。SO：中心S原子的价电子对数为＝4，采用sp3杂化，呈正四面体构型。