高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第3课时学案设计

分子的空间结构及中心原子  杂化轨道类型的判断方法

1．根据杂化轨道数目判断

2．根据杂化轨道间的夹角判断

3．取代法

以中学常见的、熟悉的物质分子为基础，用其他原子或原子团取代分子中的部分原子或原子团，得到的新分子的中心原子与原分子对应的中心原子的杂化轨道类型相同。如：

(1)CH3CH===CH2分子可看作乙烯基取代了CH4分子中的一个氢原子而得，则甲基中碳原子为sp3杂化，也可看作甲基取代了CH2===CH2分子中的一个氢原子而得，故两个不饱和碳原子均为sp2杂化。

(2)(CH3)3N可看作三个甲基取代了NH3分子中的三个氢原子而得，所以其分子中氮原子采用sp3杂化。

4．根据共价键类型判断

由杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未参与杂化的轨道用于形成π键，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。对于能明确结构式的分子、离子，其中心原子的杂化轨道数n＝中心原子形成的σ键数＋中心原子上的孤电子对数。例如：

(1)在SiF4分子中，基态硅原子有4个价电子，与4个氟原子形成4个σ键，没有孤电子对，n＝4，则SiF4分子中硅原子采用sp3杂化。

(2)在HCHO分子中，基态碳原子有4个价电子，与2个氢原子形成2个σ键，与氧原子形成C===O，C===O中有1个σ键、1个π键，没有孤电子对，n＝3，则HCHO分子中碳原子采用sp2杂化。

5．等电子原理的应用

原子总数相同、价电子总数相同的粒子互为等电子体。等电子体具有相同的结构特征，一般来说，等电子体的中心原子的杂化轨道类型相同。对于结构模糊或复杂的分子、离子，可将其转化成熟悉的等电子体，然后进行判断。如NO与CO2互为等电子体，而CO2的中心原子碳原子为sp杂化，则NO的中心原子氮原子为sp杂化。

【例1】　A、B、C、D、E是五种原子序数依次增大的前四周期元素。A、B、C是位于p区的同一周期的元素，C的价层电子排布式为nsnnp2n，A与C原子核外的未成对电子数相等；DC2与BC互为等电子体；E为过渡元素，其原子核外没有未成对电子。请回答下列问题：

(1)E在周期表中的位置为__________。与E同区、同周期元素原子的价层电子排布式是__________。

(2)A、B、C均可与氢元素形成氢化物，它们的简单氢化物稳定性由强到弱的顺序为__________(用分子式表示)。

(3)A、B、C的简单氢化物中，键角由大到小的顺序为__________(用分子式表示)，其中B的简单氢化物的VSEPR模型为__________，C的简单氢化物的空间结构为__________。

(4)A、C两种元素能形成化合物AC2，该分子的结构式为__________，中心原子的杂化轨道类型为__________，根据电子云重叠方式的不同，分子中共价键的类型有__________。

[解析]　C的价层电子排布式为nsnnp2n，n＝2，则C为氧元素；A与C原子核外的未成对电子数相等，则A为碳元素，A、B、C的原子序数依次增大，则B为氮元素；DC2与BC互为等电子体，则D应为硫元素；E为过渡元素，其原子核外没有未成对电子，则E为锌元素。(1)Zn的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2或[Ar]3d104s2，在周期表中的位置为第四周期第ⅡB族。与Zn同区、同周期的元素为Cu，其原子的价层电子排布式是3d104s1。(2)C、N、O均可与氢元素形成氢化物，它们的简单氢化物分别为CH4、NH3、H2O，非金属性C<N<O，则简单氢化物的稳定性由强到弱的顺序为H2O>NH3>CH4。(3)CH4、NH3、H2O中键角依次为109°28′、107°、105°，由大到小的顺序为CH4>NH3>H2O；NH3的VSEPR模型为四面体形；H2O的空间结构为V形。(4)C、O两种元素能形成化合物CO2，CO2的结构式为O===C===O，中心原子C的价层电子对数为2，杂化轨道类型为sp，根据电子云重叠方式的不同，分子中共价键的类型有σ键、π键。

[答案]　(1)第四周期第ⅡB族　3d104s1　(2)H2O>NH3>CH4　(3)CH4>NH3>H2O　四面体形　V形　(4)O===C===O　sp　σ键、π键

1．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

C　[CH≡CH中含有碳碳三键，分子中有π键，A项不符合题意；CO2的结构式为O===C===O，分子中含有碳碳双键，含有π键，B项不符合题意；氯化铍分子中，铍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，C项符合题意；BF3中B原子含有3个共价单键，不含孤电子对，所以价层电子对数是3，中心原子以sp2杂化轨道成键，D项不符合题意。   ]

2．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是(　　)

A．CO2与SO2 B．CH4与NH3

C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2

B　[CO2中C原子的价层电子对数为2，采取sp杂化，SO2中S原子的价层电子对数为3，采取sp2杂化，二者杂化方式不同，故A错误；CH4中C原子的价层电子对数为4，采取sp3杂化，NH3中N原子的价层电子对数为4，采取sp3杂化，二者杂化方式相同，故B正确；BeCl2中Be原子的价层电子对数为2，采取sp杂化，BF3中B原子的价层电子对数为3，采取sp2杂化，二者杂化方式不同，故C错误；C2H2分子中含有碳碳三键，C原子采取sp杂化，C2H4分子中含有碳碳双键，C原子采取sp2杂化，二者杂化方式不同，故D错误。]

1．用价层电子对互斥模型判断

价层电子对互斥模型说明价层电子对的排斥作用对分子空间结构的影响，而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构，不包括孤电子对。

(1)当中心原子无孤电子对时，分子的空间结构与VSEPR模型一致。

(2)当中心原子有孤电子对时，分子的空间结构与VSEPR模型不一致。

2．用杂化轨道理论判断

3．用键角判断

【例2】　下列分子中，中心原子杂化类型相同，分子的空间结构也相同的是(　　)

A．BeCl2、CO2 B．H2O、SO2

C．SO2、CH4 D．NF3、CH2O

A　[根据价层电子对互斥模型可知，H2O中O原子的孤电子对数＝＝2，σ键电子对数为2，采取sp3杂化，故H2O为V形结构，SO2中S原子的孤电子对数＝＝1，σ键电子对数为2，采取sp2杂化，故SO2为V形结构，B项不符合题意；同样分析可知，BeCl2中Be原子采取sp杂化，BeCl2是直线形结构，CO2中C原子采取sp杂化，CO2是直线形结构，A项符合题意；SO2中S原子采取sp2杂化，SO2是V形结构，CH4中C原子采取sp3杂化，CH4是正四面体形结构，C项不符合题意；NF3中N原子采取sp3杂化，NF3是三角锥形结构，CH2O中C原子采取sp2杂化，CH2O是平面三角形结构，D项不符合题意。]

3．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

A　[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，且未杂化的2p轨道形成π键；③同②相似；④乙炔中的碳原子为sp杂化；⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。]

4．如图为某硅氧离子的空间结构示意图(虚线不表示共价键)。通过观察分析，下列叙述正确的是(　　)

A．键角为120° B．化学组成为SiO

C．Si原子采取sp2杂化 D．化学组成为SiO

D　[由结构示意图可知，4个O原子构成正四面体，Si位于正四面体的中心，键角为109°28′，A项错误；Si原子形成4个Si—O键，Si的化合价为＋4价，O的化合价为－2价，则该离子的化学组成为SiO，B项错误，D项正确；Si原子形成4个Si—O σ键，Si原子上没有孤电子对，则中心原子Si采取sp3杂化，C项错误。]

1．下列有关二氯化锡(SnCl2)分子的说法正确的是(　　)

A．有一个σ键、一个π键

B．是直线形分子

C．中心原子Sn是sp2杂化

D．键角等于120°

C　[氯原子只能形成单键，而单键只能是σ键，A项错误；由于中心原子Sn形成了两个σ键、还有一对孤电子对，故它是sp2杂化，SnCl2为V形结构，受孤电子对的影响，键角小于120°，B、D项错误，C项正确。]

2．下列粒子的中心原子的杂化轨道类型和粒子的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．PH中P原子为sp3杂化，为正四面体形

C．OF2中O原子为sp杂化，为直线形

D．SO2中S原子为sp2杂化，为V形

C　[OF2中心原子O的价层电子对数＝2＋×(6－2×1)＝4，O原子为sp3杂化，有2个孤电子对，故空间结构为V形，C错误。]

3．(双选)下列有关描述正确的是(　　)

A．NO为V形分子

B．ClO的空间结构为平面三角形

C．NO的VSEPR模型、空间结构均为平面三角形

D．ClO的VSEPR模型、空间结构不相同

CD　[NO中N原子的价层电子对数＝3＋×(5－2×3＋1)＝3，没有孤电子对，故A项错误，C项正确；ClO中氯原子的价层电子对数＝3＋×(7－3×2＋1)＝4，有1对孤电子对，VSEPR模型为四面体形而空间结构为三角锥形，B项错误，D项正确。]

4．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原子一定是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

C　[若X原子无孤电子对，则它一定是直线形分子，若X有一对孤电子对或两对孤电子对，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有两对孤电子对，则该分子的VSEPR模型为四面体形，D项错误。]

5．原子形成化合物时，电子云间的相互作用对物质的结构和性质会产生影响。

请回答下列问题：

(1)BF3分子的空间结构为__________，NF3分子的空间结构为__________。

(2)碳原子有4个价电子，在形成化合物时价电子均参与成键，但杂化方式不一定相同。在乙烷、乙烯、乙炔和苯四种分子中，碳原子采取sp杂化的分子是__________(写结构简式，下同)，采取sp2杂化的分子是__________，采取sp3杂化的分子是__________。

(3)已知H2O、NH3、CH4三种分子中，键角由大到小的顺序是CH4>NH3>H2O，请分析可能的原因是________________________________。

[解析]　(1)BF3分子中的B原子采取sp2杂化，所以其分子的空间结构为平面三角形；NF3分子中的N原子采取sp3杂化，存在一个孤电子对，所以其分子的空间结构为三角锥形。

(2)乙烷分子中的碳原子采取sp3杂化，乙烯和苯分子中的碳原子均采取sp2杂化，乙炔分子中的碳原子采取sp杂化。

(3)H2O、NH3、CH4分子中的O、N、C原子均采取sp3杂化，而在O原子上有2个孤电子对，对成键电子对的排斥作用最大，键角最小；N原子上有1个孤电子对，对成键电子对的排斥作用没有水分子的大；C原子上无孤电子对，键角最大。

[答案]　(1)平面三角形　三角锥形

(2)CH≡CH　CH2===CH2、CH3CH3

(3)CH4分子中的C原子上没有孤电子对，NH3分子中N原子上有1个孤电子对，H2O分子中O原子上有2个孤电子对，中心原子上孤电子对数越多，对成键电子对的排斥作用越大，则键角越小