2023人教版化学-选择性必修2 第二章 分子结构与性质 第2课时 杂化轨道理论 试卷

第2课时　杂化轨道理论

基础过关练

题组一　杂化轨道理论

1.杂化轨道理论是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。用鲍林的杂化轨道理论解释CH4分子的正四面体结构,下列说法不正确的是(　　)

A.C原子的4个杂化轨道的能量一样

B.C原子的sp3杂化轨道之间夹角一样

C.C原子的4个价层电子分别占据4个sp3杂化轨道

D.C原子有1个sp3杂化轨道由孤电子对占据

2.(2022河北衡水十四中月考)甲醛(H2CO)在Ni催化作用下加氢可得甲醇(CH3OH)。甲醛、甲醇分子内C原子的杂化轨道类型分别为(　　)

A.sp2　sp2　　　　　B.sp3　sp2

C.sp2　sp3　　　　　D.sp　sp3

3.(2020山东济宁期末)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.三角锥形、sp3　　　  　　B.平面三角形、sp3

C.平面三角形、sp2　　　　　D.三角锥形、sp2

4.在1个乙烯分子中有5个σ键和1个π键,下列说法正确的是(　　)

A.sp2杂化轨道形成σ键,未参与杂化的2p轨道形成π键

B.sp2杂化轨道形成π键,未参与杂化的2p轨道形成σ键

C.C—H键是sp2杂化轨道形成的σ键,键是未参与杂化的2p轨道形成的

D.键是sp2杂化轨道形成的σ键,C—H键是未参与杂化的2p轨道形成的π键

5.下列关于杂化轨道的叙述中,不正确的是(　　)

A.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

B.杂化轨道用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对

C.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

D.用杂化轨道理论与VSEPR模型分析分子空间结构的结果常常相互矛盾

题组二　杂化轨道理论与分子空间结构的关系

6.氨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1个孤电子对,它对成键电子对的排斥作用较强

D.氨是四原子化合物,甲烷为五原子化合物

7.(2022浙江诸暨中学期中)下列说法中正确的是(　　)

A.PCl3分子是三角锥形,这是因为P原子采取sp2杂化

B.sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混杂形成的

C.凡中心原子采取sp3杂化的分子,其VSEPR模型都是四面体形

D.AB3型分子的空间结构必为平面三角形

能力提升练

题组一　对杂化轨道理论的理解

1.(2020河南林州一中检测)下列关于原子轨道的说法正确的是(　　)

A.中心原子采取sp3杂化的分子,其空间结构都是四面体形

B.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

C.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

D.凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采取sp3杂化

2.下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是(　　)

①BF3　　②　③

④C2H2　　 ⑤N2H4　　⑥苯分子

1. ①②③　　　　　B.①③⑥　　　　　

C.②③⑤　　　　　D.③④⑥

3.推理是学习化学知识的一种重要方法。下列推理合理的是(　　)

A.SO2中硫原子采取sp2杂化,则CO2中碳原子也采取sp2杂化

B.NH3分子的空间结构是三角锥形,则NCl3分子的空间结构也是三角锥形

C.H2O分子的键角是105°,则H2S分子的键角也是105°

D.PCl3分子中所有原子最外层都达到8电子稳定结构,则BF3分子中所有原子最外层也都能达到8电子稳定结构

题组二　杂化轨道理论的综合应用

4.(2021山东泰安月考)已知XY2为V形分子,下列说法正确的是(　　)

A.X原子一定采取sp2杂化

B.X原子一定采取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

5.(2021河北河间十四中期中)三草酸合铁酸钾{K3[Fe(C2O4)3]·3H2O}是制备铁触媒的主要原料。该化合物在光照下发生分解: 2K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 3K2C2O4+2FeC2O4+2CO2↑+6H2O。下列说法错误的是　(　　)

A.Fe3+的最高能层电子排布式为3d5

B.铁元素位于第四周期第Ⅷ族

C.C2中C原子的杂化方式为sp2

D.CO2分子中σ键和π键数目比为1∶1

6.(2021北京东城期中)As2O3(砒霜)是两性氧化物(分子结构如图所示),与盐酸反应生成AsCl3,AsCl3被LiAlH4还原生成AsH3。下列说法正确的是(　　)

A.As2O3分子中As原子的杂化方式为sp2

B.LiAlH4为共价化合物

C.AsCl3空间结构为平面三角形

D.AsH3分子中键角小于109°28'

7.(2021湖北武汉期中)化合物A是近年来采用的锅炉水添加剂,其结构式如图所示,A能除去锅炉水中溶解的氧气。下列说法正确的是(　　)

A.A分子中所有原子都在同一平面内

B.A分子中所含的σ键与π键个数之比为10∶1

C.A分子中C、N均为sp2杂化

D.A与足量O2反应生成CO2、N2、H2O的物质的量之比为1∶2∶3

8.世界上产量最大的通用塑料聚氯乙烯的一种制备流程如下:

对于该流程中涉及的几种物质及反应,下列说法正确的是(　　)

A.乙炔分子中的C原子用sp杂化轨道形成了一个σ键和两个π键

B.氯乙烯分子中所有原子都在同一平面上

C.氯乙烯和聚氯乙烯分子中C原子采取的杂化方式相同

D.加成反应和加聚反应的过程中,C原子的杂化方式不一定发生改变

9.(2022四川达川四中月考)X、Y、Z、Q、E、M六种元素中,X的基态原子的价层电子排布式为2s2,Y的基态原子核外有5种运动状态不同的电子,Z元素的两种同位素原子通常作为示踪原子研究生物化学反应和测定文物的年代,Q是元素周期表中电负性最大的元素,E的阳离子通常存在于硝石、明矾和草木灰中,M的原子序数比E大1。下列说法正确的是(　　)

A.EYQ4中阴离子中心原子的杂化方式为sp3杂化

B.X、Y元素的第一电离能大小关系:X<Y

C.Z的空间结构为三角锥形

D.MZ2含离子键和非极性共价键,阴、阳离子个数之比为1∶2

10.(2022山东聊城期末)目前我国研制的稀土催化剂转化汽车尾气过程示意图如下,汽车尾气的主要成分有CO、NO等。下列有关说法正确的是(　　)

A.C3H8和H2O的中心原子杂化轨道类型均为sp3杂化

B.H2O中的H—O—H键角小于H2S中的H—S—H键角

C.CO2和SO2的空间结构均为直线形

D.反应过程中没有非极性键的断裂和形成

11.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)CS2分子中C原子的杂化轨道类型是　　　　。 

(3)CH3COOH中C原子杂化轨道类型为　　　　。 

12.回答下列问题:

(1)下列粒子按键角由大到小的顺序排列为　　　　　　(填序号)。 

①HCN　②SiF4　③H2O　④C   ⑤H3O+

(2)Cl、Cl、Cl中Cl都是以sp3杂化轨道与O原子成键,将它们的空间结构填入表格中:

(3)S单质的常见形式为S8,其结构如图所示,S原子采取的杂化方式是　　　　。 

答案全解全析

基础过关练

1.D　CH4分子中C原子采取sp3杂化,每个杂化轨道上1个电子分别与1个H原子上的电子形成共价键,这4个共价键完全相同,轨道间的夹角为109°28',形成正四面体形的分子。

2.C　HCHO、CH3OH分子中中心原子C原子分别采取sp2杂化、sp3杂化。

3.A　根据价层电子对互斥模型确定粒子的空间结构,SOCl2中S原子形成2个S—Cl键,1个键,价层电子对数=σ键个数+孤电子对数=3+=4,杂化轨道数是4,故S原子采取sp3杂化,中心原子上有1个孤电子对,分子空间结构为三角锥形,故选A。

4.A　在乙烯分子中碳原子与相连的氢原子、碳原子形成平面三角形,所以乙烯分子中每个碳原子均采取sp2杂化,其中杂化轨道形成σ键,未参与杂化的2p轨道形成π键。

归纳总结杂化轨道与共价键类型

　　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,不能用于形成π键;未参与杂化的p轨道可用于形成π键。

5.D　中心原子通过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),A正确;杂化轨道用于形成σ键或用于容纳孤电子对,B正确;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,C正确;杂化轨道理论和VSEPR模型都是为了解释分子的空间结构而提出的理论,两者不矛盾,可以通过VSEPR模型确定中心原子的杂化轨道类型,D错误。

特别提醒

(1)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。

(2)杂化过程中,轨道的形状发生变化,杂化轨道的形状相同,能量相同,方向不同。

6.C　NH3和CH4中的中心原子都是sp3杂化,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1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C—H键,所以CH4分子为正四面体形。

7.C　PCl3分子的中心原子P含有3个成键电子对和1个孤电子对,属于sp3杂化,含有1个孤电子对,所以空间结构为三角锥形,A错误;能量相近的s轨道和p轨道形成杂化轨道,则sp3杂化轨道是能量相近的1个s轨道和3个p轨道混杂形成的,B错误;中心原子采取sp3杂化的分子,其VSEPR模型都是四面体形,C正确;AB3型分子的空间结构与中心原子的孤电子对数有关,如BF3中B原子没有孤电子对,为平面三角形,NH3中N原子有1个孤电子对,为三角锥形,D错误。

能力提升练

1.C　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,故A错误;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,故B错误;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,故C正确;BF3中B原子的价层电子对数为3,杂化轨道类型为sp2,故D错误。

2.B　①BF3分子中硼原子杂化轨道数为3,采取sp2杂化,故正确;②分子中硫原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化,故错误;③分子中碳原子杂化轨道数为3,采取sp2杂化,故正确;④分子中每个碳原子杂化轨道数为2,采取sp杂化,故错误;⑤N2H4分子中每个氮原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化,故错误;⑥苯分子中每个碳原子杂化轨道数为3,采取sp2杂化,故正确。

3.B　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,A错误;NH3、NCl3中N原子都采取sp3杂化,有1个孤电子对,所以分子的空间结构都是三角锥形,B正确;S的电负性比O小,而且原子半径大,所以S—H键上的电子对偏向S并没有H2O中O—H键上的电子对偏向O那么严重,所以排斥力也相应比较小,键角也稍小,C错误;BF3分子中B元素化合价为+3价,B原子最外层未达8电子结构,D错误。

4.C　解法1:理论分析法

则A、B项错误,C项正确。若X原子采用sp2杂化,则VSEPR模型是平面三角形;若X原子采用sp3杂化,则VSEPR模型为四面体形,D项错误。

解法2:列举实例法

若XY2为SO2,SO2中S原子采用sp2杂化,S上有1个孤电子对,其VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,符合题意;若XY2为H2O,H2O中O原子采用sp3杂化,O上有2个孤电子对,其VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,符合题意。由以上分析可知,C项正确。

5.A　Fe3+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5,最高能层电子排布式为3s23p63d5,A错误;铁原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,则铁元素位于第四周期第Ⅷ族,B正确;C2中C原子的价层电子对数为3,所以杂化方式为sp2,C正确;CO2分子的结构式为OCO,σ键和π键的数目比为1∶1,D正确。

6.D　As2O3中As原子价层电子对数是4且含有1个孤电子对,根据价层电子对互斥模型判断As原子杂化方式为sp3,故A错误;只含共价键的化合物为共价化合物,含有离子键的化合物为离子化合物,该物质是由Li+和Al构成的,为离子化合物,故B错误;AsCl3中As原子价层电子对数=3+×(5-3×1)=4,且含有1个孤电子对,根据价层电子对互斥模型判断其空间结构为三角锥形,故C错误;AsH3中As原子价层电子对数=3+×(5-3×1)=4,且含有1个孤电子对,根据价层电子对互斥模型知,AsH3空间结构为三角锥形,键角小于109°28',故D正确。

7.D　因氨分子空间结构为三角锥形,即氮原子与所连的三个原子不在同一平面,所以A分子中所有原子不可能共平面,A错误;1个A分子中含有11个σ键和1个π键,σ键与π键个数之比为11∶1,B错误;A分子中N为sp3杂化,C错误;1 mol A与足量O2反应生成CO2、N2、H2O的物质的量分别为1 mol、2 mol、3 mol,D正确。

8.B　乙炔分子中的C原子采用sp杂化,形成的杂化轨道分别用于形成C—C σ键和C—H σ键,没有杂化的p轨道“肩并肩”重叠形成π键,A项错误;氯乙烯分子中的C原子采用sp2杂化,整个分子呈平面形,所有原子都在同一平面上,B项正确;聚氯乙烯分子中的C原子全部形成单键,均采取sp3杂化,C项错误;由流程可知,加成反应和加聚反应中,均有π键的断裂,C原子的杂化方式也将随之发生改变,D项错误。

9.A　X的基态原子的价层电子排布式为2s2,则X为Be;Y的基态原子核外有5种运动状态不同的电子,则Y原子核外有5个电子,Y为B;Z元素的两种同位素原子通常作为示踪原子研究生物化学反应和测定文物的年代,Z为C;Q是元素周期表中电负性最大的元素,Q为F;E的阳离子通常存在于硝石、明矾和草木灰中,E为K;M的原子序数比E大1,则M为Ca。

EYQ4为KBF4,KBF4中阴离子中心原子价层电子对数为4+=4,所以阴离子中心原子杂化方式为sp3杂化,故A正确;Be的2s轨道为全满稳定结构,第一电离能较大,则X、Y元素的第一电离能大小关系为X>Y,故B错误;碳酸根离子中中心原子价层电子对数为3+=3,且不含孤电子对,中心原子的杂化方式为sp2杂化,C的空间结构为平面三角形,故C错误; CaC2属于离子化合物,含有离子键、非极性共价键,阴、阳离子个数之比为1∶1,故D错误。

10.A　C3H8中碳原子均为饱和碳原子,碳原子为sp3杂化,1个H2O分子中含有2个σ键,O原子上有2个孤电子对,O原子为sp3杂化,A正确;O的电负性大于S,O与H之间的两对成键电子比S与H之间的两对成键电子更靠近中心原子,因此O与H之间的两对成键电子排斥力大,键角大,B错误;SO2的价层电子对数=2+(6-2×2)=3,该分子为V形结构,CO2的价层电子对数= 2+(4-2×2)=2,该分子是直线形结构,C错误;反应过程中有非极性键OO键的断裂和键的形成,D错误。

11.答案　(1)三角锥形　sp3　(2)sp　(3)sp3、sp2

解析　(1)AsCl3中As原子价层电子对数为4,As的杂化方式为sp3,AsCl3分子的空间结构为三角锥形。

(2)CS2的结构式为SCS,C原子形成2个双键,无孤电子对,所以为sp杂化。

(3)CH3COOH的结构式为,分子中甲基上的碳原子采用sp3杂化,羧基中的碳原子采用sp2杂化。

12.答案　(1)①④②⑤③　(2)V形　三角锥形　正四面体形　(3)sp3

解析　(1)①HCN中的C原子采取sp杂化,键角为180°;②SiF4中Si原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化,键角为109°28';③H2O中O原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化,含有2个孤电子对,分子为V形结构,键角为105°;④C中C原子的杂化轨道数为3,所以C原子采取sp2杂化,分子为平面三角形结构,键角为120°;⑤H3O+中O原子的杂化轨道数为4,所以O原子采取sp3杂化,O原子上有1个孤电子对,分子为三角锥形结构,键角大于H2O的键角,但小于120°。所以各粒子按键角由大到小的顺序排列为①④②⑤③。(2)Cl、Cl、Cl中Cl采取sp3杂化,孤电子对数分别为2、1、0,所以空间结构分别为V形、三角锥形、正四面体形。(3)由题图结构可知,每个硫原子形成2个共价键,且含有2个孤电子对,S原子的杂化轨道数为4,故硫原子采取sp3杂化。