【同步讲义】高中化学（苏教版2019）选修第二册--4.1.1 杂化轨道理论 讲义

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专题4 分子空间结构与物质性质
第一单元 分子的空间结构
第1课时 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．能根据杂化轨道理论解释简单分子的空间结构。
3．结合杂化轨道理论认识常见共价分子的空间结构。
知识精讲

知识点01 杂化轨道理论与分子的结构
为了解释________等分子的空间构型，美国化学家________于1931年提出了杂化轨道理论。
1．sp3杂化与CH4分子的空间构型
(1)杂化轨道的形成
碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，_____个2s轨道和______个2p轨道“混合”，形成________相等、________相同的______个sp3杂化轨道。

基态原子轨道 激发态原子轨道 杂化轨道

sp3杂化轨道的空间构型
4个sp3杂化轨道在空间呈________________，轨道之间的夹角为________，每个轨道上都有一个未成对电子。
(2)共价键的形成
碳原子的4个________轨道分别与4个氢原子的_______轨道重叠，形成4个相同的_______键。

(3)CH4分子的空间构型
CH4分子为空间____________结构，分子中C—H键之间的夹角都是________。
(4)正四面体结构的分子或离子的中心原子，一般采用sp3杂化轨道形成共价键，如CCl4、 NH4+等。金刚石中的碳原子、晶体硅和石英（SiO2）晶体中的硅原子也是采用sp3杂化轨道形成共价键的。
2．sp2杂化与BF3分子的空间构型
(1)sp2杂化轨道的形成
硼原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道。____个2s轨道和____个2p轨道发生杂化，形成________相等、________相同的_____个sp2杂化轨道。

硼原子的3个sp2杂化轨道呈____________，3个sp2杂化轨道间的夹角为________。
(2)共价键的形成
硼原子的3个________轨道分别与3个氟原子的1个______轨道重叠，形成3个相同的______键。
(3)BF3分子的空间构型
BF3分子的空间构型为____________，键角为______。
3．sp杂化与BeCl2分子的空间构型
(1)杂化轨道的形成
Be原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道，____个2s轨道和____个2p轨道发生杂化，形成________相等、________相同的_____个sp杂化轨道。

Be原子的sp杂化轨道呈________，其夹角为________。
(2)共价键的形成
Be原子的2个________轨道分别与2个Cl原子的1个_____轨道重叠形成2个相同的______键。
(3)BeCl2分子的空间构型
BeCl2分子为空间构型为________，分子中Be—Cl键之间的夹角为________。
知识点02 用杂化轨道理论分析乙烷、乙烯、乙炔分子的成键情况
1．乙烷分子的成键情况
(1)碳原子的杂化方式：
碳原子为________杂化，形成4个________杂化轨道。
(2)成键情况及空间结构
每个碳原子的________杂化轨道分别与3个氢原子的_____轨道形成3个C-H ______键（sp3—s），与另一个碳原子_____轨道形成1个C-C_____键（sp3—sp3）。
每个C原子与3个H原子和1个C原子形成________结构。
2．乙烯分子的成键情况

(1) 碳原子的杂化方式：
碳原子为______杂化，形成3个______杂化轨道。
(2)成键方式和空间构型：
每个碳原子的______杂化轨道分别与2个氢原子的_____轨道形成2个C-H______键（sp2—s），与另一个碳原子的________杂化轨道形成C-C______键（sp2—sp2）。
2个碳原子未杂化的2p轨道形成1个______键。
乙烯分子的空间构型为________结构。
(3)C=C、C=O、石墨、苯环中的碳原子，都是sp2杂化。
3．乙炔分子的成键情况

(1) 碳原子的杂化方式：
碳原子为______杂化，形成2个______杂化轨道。
(2)成键方式和空间构型：
每个碳原子的______杂化轨道分别与1个氢原子的______轨道形成2个C-H_____键（sp—s），与另一个碳原子的______杂化轨道形成C-C_____键（sp—sp）。
碳原子未杂化的2p轨道两两形成2个_____键。
乙炔分子的空间构型为________形。
(3) C≡C、C≡N、CO2中的碳原子，都是sp杂化。
知识点03 用杂化轨道理论解释H2O和NH3分子的空间构型
1．H2O分子的空间构型

H2O中O原子的sp3杂化轨道 H2O的空间构型
(1)杂化轨道类型：
O原子上的1个2s轨道与3个2p轨道混合，形成4个______化轨道，杂化轨道的空间构型是________。
(2)成键情况：
O原子的2个______杂化轨道分别与H原子的______轨道重叠，形成2个______键，___对孤电子对没有参加成键。
(3)空间构型：
由于孤电子对—成键电子对的排斥作用______成键电子对—成键电子对作用，使键角小于109°28'。
H2O分子的空间构型为________，键角为104°30'。
2．NH3的空间构型

NH3中N原子的sp3杂化轨道 NH3的空间构型
(1)杂化轨道类型：
N原子上的1个2s轨道与3个2p轨道混合，形成4个______杂化轨道，该杂化轨道的空间构型是___________。
(2)成键情况：
N原子的3个______杂化轨道分别与H原子的______轨道重叠，形成3个______键，1对孤电子对没有参加成键。
(3)空间构型：
NH3分子的空间构型为____________，键角为107°18'。
3．CH4、NH3、H2O的杂化方式和空间结构比较

CH4
NH3
H2O
中心原子的杂化方式



分子空间构型



中心原子孤电子对数



键角
109°28'
107°18'
104°30'
当中心原子的杂化轨道数上存在____________时，分子的空间构型与杂化轨道的空间构型不同。
三个分子的中心原子的杂化方式________，中心原子上的孤电子对数越多，键角________。

【即学即练1】下列物质中碳原子是以sp3杂化轨道与其他原子成键的是（ ）
A．乙烯 B．苯 C．乙炔 D．乙烷
【即学即练2】指出下列分子中划线原子的杂化轨道类型：

【即学即练3】指出下列分子的空间构型、指定共价键的成键轨道和成键类型：
（1）CH3Cl 空间构型：_________ C-H_________ C-Cl__________
（2）NF3 空间构型：_________ N-F_________
（3）CH2=CH2 空间构型：_________ C-H_________ C=C______________
【即学即练4】填空：
（1）CO2中的C为　　　　杂化，分子的结构式为　　　　，空间构型为____________。
（2）BCl3中的B为________杂化，分子的结构式为________，空间构型为__________。
（3）AsH3中的As为________杂化，分子的结构式为________，空间构型为__________。
【即学即练5】已知苯的结构如图所示，苯分子是平面结构，苯环中的碳碳键由6个σ键形成正六边形，6个碳原子的2p轨道上的一个电子形成大π键。苯分子中碳原子的杂化方式为__________，碳碳键的成键轨道有________和_______，C-H的成键轨道是___________。

能力拓展

考法01 杂化轨道理论
1．杂化轨道理论的要点
(1)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。
(2)杂化前后轨道数目不变。
(3)只有能量相近的轨道才能杂化(如2s和2p)。
(4)杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理。杂化轨道间的夹角决定分子空间构型。
(5)杂化轨道所形成的化学键全部为σ键。
2．杂化轨道及成键规律
（1）当杂化轨道数目等于成键轨道数目时，杂化轨道全部参与成键，成键类型是σ键，分子的空间构型与杂化轨道的空间构型一致。
（2）当杂化轨道数目大于成键轨道数目时，分子中存在孤电子对，对成键电子对产生排斥作用，使键角增大，分子的空间构型与杂化轨道的空间构型不同。
（3）若未杂化的轨道上有成单电子，则形成π键。
3．杂化轨道数目与成键数目相同时分子的空间构型
当杂化轨道数目等于成键轨道数目时，杂化轨道全部参与成键，成键类型是σ键，分子的空间构型与杂化轨道的空间构型一致。
实例
BeCl2
BF3
CH4
杂化类型
sp
sp2
sp3
参与杂化的原子轨道及数目
1个s轨道
1个p轨道
1个s轨道
2个p轨道
1个s轨道
3个p轨道
杂化轨道的数目
2
3
4
杂化轨道间的夹角
180°
120°
109°28′
杂化轨道空间构型
直线形
平面三角形
正四面体
分子的空间构型
直线形
平面三角形
正四面体
4．常见分子的空间构型
杂化类型
分子类型
空间构型
举例
sp3
AB4
正四面体
CH4、CCl4、NH4+、金刚石等
AB3C
四面体
CH3Cl、CH3CH3等
AB3
三角锥
NH3、NF3等
AB2
V形
H2O、H2S
sp2
AB3
平面三角形
BF3、AlCl3、、苯环等
sp
AB2
直线形
CO2、CS2、等






【典例1】填写下表

CH4
NH3
H2O
CO2
分子空间构型




杂化轨道类型




杂化轨道
空间构型




中心原子
孤电子对数




成键类型及个数




同类分子
AB4型分子或离子
NCl3、PCl3等
H2S、SCl2等
CS2

考法02 碳原子的杂化方式及成键情况
1．C2H6、C2H4、C2H2碳原子的杂化方式和成键情况
分子结构
碳原子杂化方式
成键情况

sp3
C—Hσ键
C—Cσ键
sp3—s
sp3—sp3

sp2
C—Hσ键
C—Cσ键
π键
sp2—s
sp2—sp2
两个碳原子各以1个未杂化的2p轨道发生重叠形成

sp
C—Hσ键
C—Cσ键
π键
sp—s
sp—sp
两个碳原子各以2个未杂化的2p轨道发生重叠形成
2．碳原子的杂化轨道及成键规律
碳原子的杂化轨道有sp3、sp2和sp三种，其中，以sp2和sp进行杂化时，在未杂化的轨道上有成单电子，形成π键。
（1）碳原子与其他原子形成4个单键，C原子的sp3杂化轨道与其他原子形成σ键，空间构型为四面体。
甲烷和其他烷烃中的C原子、NH4+中的N、金刚石中的Ｃ原子、晶体硅和二氧化硅中的Si原子等，都是sp3杂化。
（2）碳原子与其他原子形成2个单键和一个双键，C原子的sp2杂化轨道与其他原子形成σ键，未杂化的p轨道与其他原子形成π键，空间构型为平面结构。
存在碳碳双键（C=C）和碳氧双键（C=O）的分子、石墨和苯环中的碳原子，都是sp2杂化。
（3）碳原子与其他原子形成1个单键和一个叁键（或2个π键），C原子的sp杂化轨道与其他原子形成σ键，未杂化的2个p轨道与其他原子形成2个π键，空间构型为直线形。
存在碳碳叁键（C≡C）和碳氮三键（C≡N）、CO2中的碳原子，都是sp杂化。
【典例2】甲烷中的碳原子是sp3杂化，下列用*表示碳原子的杂化和甲烷中的碳原子杂化状态一致的是（　　）
A．CH3C*H2CH3 B．C*H2=CHCH3
C．CH2=C*HCH3 D．CH≡C*H

考法03 分子空间构型与杂化轨道的关系
1．全部为σ键的分子空间构型与杂化类型
中心原子的
杂化类型
杂化
轨道数
杂化轨道
空间构型
成键电
子对数
孤电子
对数
分子的空
间构型
实　例
分子式
结构式
sp
2
直线形
2
0
直线形
BeCl2
Cl—Be—Cl
sp2
3
平面三角形
3
0
平面三角形
BF3

2
1
V形
—
—
sp3
4
正四面体形
4
0
正四面体型
CH4

3
1
三角锥型
NH3

2
2
V形
H2O

2．含σ键和π键的分子空间构型与杂化类型
物质
结构式
杂化轨道类型
分子中共价键数
键角
分子的空间构型
甲醛

sp2
3个σ键
1个π键
约120°
平面三角形
乙烯

5个σ键
1个π键
120°
平面形
氢化氰

sp
2个σ键
2个π键
180°
直线形
乙炔

3个σ键
2个π键
180°
直线形
【典例3】氯仿（CHCl3）常因保存不慎而被氧化，产生剧毒物光气（COCl2，结构式为）：2CHCl3+O2→2HCl+2 COCl2。下列说法不正确的有（   ）
A．CHCl3分子的空间构型为正四面体
B．COCl2分子中存在σ键、π键
C．COCl2分子中所有原子的最外层电子都满足8电子稳定结构
D．氯仿转化为光气的变化中，中心原子轨道杂化类型发生了变化

分层提分

题组A 基础过关练
1．下列分子中键角最大的是　(　　)
A．CO2 B．NH3 C．H2O D．CH2＝CH2
2．下列分子中，各原子均处于同一平面上的是　(　　)
A．NH3　　　 B．CCl4　 C．H2O 　　D．P4
3．短周期主族元素W、X、Y、Z的原子序数依次增大，W、X原子的最外层电子数之比为4∶3，Z原子比X原子的核外电子数多4。下列说法正确的是　(　　)
A．W、Y、Z的电负性大小顺序一定是Z>Y>W
B．W、X、Y、Z的原子半径大小顺序可能是W>X>Y>Z
C．Y、Z形成的分子的空间构型可能是正四面体
D．WY2分子中σ键与π键的数目之比是2∶1
4．下列分子的立体构型可用sp2杂化轨道来解释的是(　　)
①CO　②CH2=CH2　③苯　④CH≡CH ⑤NH3　⑥CH4
A．①②③　　B．①⑤⑥　　C．②③④　　D．③⑤⑥
5．下列推断正确的是 (　　)
A．BF3为三角锥型分子
B．NH的电子式为，呈平面正方形结构
C．CH4分子中的4个C—H键都是氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道形成的s­pσ键
D．乙炔分子为直线形，有2个π键相互垂直且垂直于直线
6．有机物CH3CH=CH—C≡CH中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为(　　)
A．sp、sp2、sp3　　　　 B．sp3、sp2、sp
C．sp2、sp、sp3 D．sp3、sp、sp2
7．下列关于苯分子结构或性质的描述错误的是 (　　)
A．苯分子呈平面正六边形，六个碳碳键完全相同，键角皆为120°
B．苯分子中的碳原子采取sp2杂化，6个碳原子中未参与杂化的2p轨道以“肩与肩”形式形成一个大π键
C．苯分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊类型的键
D．苯能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色
8．下列说法中正确的是　(　　)
A．中心原子采取sp3杂化的分子，其几何构型都是四面体型
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．苯分子的碳原子是sp2杂化，分子的空间构型为平面结构
D．AB3型的分子空间构型必为平面三角形
9．如图是甲醛分子的模型，根据该图和所学化学知识回答下列问题：

（1）甲醛分子中碳原子的杂化方式是______，理由是___________________________。
（2）下列是对甲醛分子中碳氧键的判断，其中正确的是________(填序号)。
①单键　②双键　③σ键　④π键　⑤σ键和π键
10．判断下列中心原子的杂化轨道类型(点“·”的原子为中心原子)。
微粒
①H3O＋
②CH2=CH2
③CCl4
④NCl3
⑤PH3
杂化轨道数目





杂化轨道类型






题组B 能力提升练
1．形成下列分子时，一个原子用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是（ ）
①PF3 ②CCl4 ③NH3 ④H2O
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
2．研究发现，化合物HSCN有两种结构：H-S-C≡N硫氰酸和H-N=C=S异硫氰酸。下列有关判断错误的是（ ）
A．硫氰酸和异硫氰酸互为同分异构体
B．硫氰酸和异硫氰酸分子中碳原子的杂化方式相同
C．硫氰酸和异硫氰酸分子中σ键和π键数目相同
D．硫氰酸的沸点高于异硫氰酸
3．已知次氯酸分子的结构式为H-O-Cl，下列有关说法正确的是（ ）
A．O原子发生sp杂化 B．O原子与H、Cl都形成σ键
C．该分子为直线型分子 D．该分子的电子式是H:O:Cl
4．下列关于丙烯(CH3CH=CH2)的说法正确的是(   )
A．丙烯分子有7个σ键、1个π键
B．丙烯分子中3个碳原子都是sp3杂化
C．丙烯分子中既存在极性键又存在非极性键
D．丙烯分子中所有原子在同一平面上
5．“●”表示上述相关元素的原子，“O”表示氢原子，小黑点“·”表示没有形成共价键的最外层电子，短线表示共价键。下列关于几种分子的说法正确的是（ ）
A．上述分子中，中心原子采取sp3杂化的只有①②
B．①分子为正四面体结构，④分子为平面形结构
C．②分子中σ键数与π键数之比为2:1
D．四种分子的键角由大到小的顺序②>③>①>④
6．甲醛(HCHO)在Ni催化作用下加氢可得甲醇(CH3OH)。甲醇分子内C原子的杂化方式为____________，甲醇分子内的O-C-H键角________(填“大于”、“等于”或“小于”)甲醛分子内的O=C-H键角。

题组C 培优拔尖练
1．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
2．氨基乙酸钠(H2NCH2COONa)用于有机产品的合成、工业洗涤剂中间体以及生化研究。下列说法正确的是(　　)
A．碳、氮原子的杂化类型相同
B．氨基乙酸钠中心原子N原子的价层电子对数为4
C．1 mol氨基乙酸钠分子中所含σ键为10 mol
D．氮原子和与其成键的另外三个原子在同一平面内
3．“三鹿奶粉事件”在社会上引起了人们对食品质量的恐慌，三鹿奶粉中被掺杂了被称为“蛋白精”的工业原料三聚氰胺。已知三聚氰胺的结构简式如图所示。三聚氰胺是氰胺(H2N—C≡N)的三聚体，请回答下列问题：
（1）三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子的杂化轨道类型分别是_________、_________。
（2）一个三聚氰胺分子中有______个σ键。
（3）三聚氰胺与三聚氰酸(如图所示)分子相互之间通过氢键结合，在肾脏内易形成结石。三聚氰酸分子中C原子采取_______杂化。该分子的结构简式中，碳氧原子之间的共价键是________(填选项)。
A．2个σ键 B．2个π键 C．1个σ键，1个π键
4．氯吡苯脲是一种常用的膨大剂，其结构简式为

它是经国家批准使用的植物生长调节剂。
(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为__________________。 
(2)氯吡苯脲晶体中，氮原子的杂化轨道类型有__________，羰基碳原子的杂化轨道类型为________。 
(3)已知，可用异氰酸苯酯与2-氯-4-氨基吡啶反应生成氯吡苯脲：

反应过程中，每生成1 mol氯吡苯脲，断裂______mol σ键，断裂________mol π键。 
(4)膨大剂能在动物体内代谢，其产物较为复杂，其中有H2O、NH3、CO2等。
①请用共价键的相关知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因：
___________________________________________________。 
②H2O、NH3、CO2分子的空间构型分别是__________，中心原子的杂化类型分别是______________。