2021学年第二章 分子结构与性质第二节 分子的空间结构第2课时导学案

第2课时　杂化轨道理论

[核心素养发展目标]　1.通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，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、杂化轨道理论简介

1．杂化轨道的含义

在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。

2．杂化轨道理论要点

(1)原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。

(2)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。

(3)杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图，成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。

(4)为使相互间的排斥最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同，但形状完全相同。

(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(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√

 杂化轨道理论四要点

(1)能量相近

原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。

(2)数目不变

形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。

(3)成键能力增强

杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。

(4)排斥力最小

杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同。

二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系

1．杂化轨道的类型

(1)sp3杂化轨道——正四面体形

sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有s和p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。如下图所示。

(2)sp2杂化轨道——平面三角形

sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有s和p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如下图所示。

(3)sp杂化——直线形

sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有s和p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如下图所示。

2．杂化轨道类型与分子空间结构的关系

(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。

(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。

(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)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键分子其空间结构都是正四面体形(　　)

(4)凡AB3型共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键(　　)

(5)NH3分子的空间结构为三角锥形，则氮原子的杂化方式为sp3(　　)

(6)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)√　(6)√

1．填表

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。

 判断中心原子杂化轨道类型的三种方法

(1)根据杂化轨道数目判断

杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键，故有下列关系：杂化轨道数目＝价层电子对数目＝σ键电子对数目＋中心原子的孤电子对数目，再由杂化轨道数目确定杂化类型。

(2)根据杂化轨道的空间分布判断

①若杂化轨道在空间的分布为正四面体或三角锥形，则中心原子发生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，则中心原子发生sp杂化。

(3)根据杂化轨道之间的夹角判断

①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化。

②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化。

③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。

提醒　有机物分子中碳原子杂化类型的判断方法：饱和碳原子均采取sp3杂化；连接双键的碳原子均采取sp2杂化；连接三键的碳原子均采取sp杂化。

1．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．C2H2与C2H4

答案　B

解析　CO2为sp杂化，SO2为sp2杂化，A项错误；均为sp3杂化，B项正确；BeCl2为sp杂化，BF3为sp2杂化，C项错误；C2H2为sp杂化，C2H4为sp2杂化，D项错误。

2．(2019·岑巩县第四中学高二期末)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，所以有π键，不符合题意，故A不选；CO2的结构式为O==C==O，分子中含有碳氧双键，含有π键，不符合题意，故B不选；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，故C选；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D不选。

3．下列有关甲醛(HCHO)分子的说法正确的是(　　)

①C原子采取sp杂化　 ②甲醛分子为三角锥形结构

③C原子采取sp2杂化　 ④甲醛分子为平面三角形结构

A．①②  B．②③  C．③④  D．①④

答案　C

解析　甲醛(HCHO)分子中的C原子为中心原子，其价层电子对数为3，C原子采取sp2杂化，C原子与其他原子形成3个σ键，没有孤电子对，故甲醛分子为平面三角形结构。综上所述，有关甲醛(HCHO)分子的说法正确的是③④，故选C。

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．在BrCH==CHBr分子中，C—Br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是采用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。

6．乙烯分子中含有4个C—H和1个C==C，6个原子在同一平面上。下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是(　　)

①每个C原子的2s轨道与2p轨道杂化，形成两个sp杂化轨道　②每个C原子的2s轨道与2个2p轨道杂化，形成3个sp2杂化轨道　③每个C原子的2s轨道与3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道　④每个C原子的3个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道

A．①③   B．②④

C．①④   D．②③

答案　B

解析　乙烯分子中每个C原子与1个C原子和2个H原子成键，必须形成3个σ键，6个原子在同一平面上，则键角为120°，为sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道，2个C原子成键时形成1个π键，②④正确，故选B。

7．回答下列问题

(1)图(a)为S8的结构，其硫原子的杂化轨道类型为________________。

(2)气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的空间结构为________；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为________。

(3)COCl2分子中所有原子均满足8电子构型，COCl2分子中σ键和π键的个数比为________，中心原子的杂化方式为________________。

(4)As4O6的分子结构如图所示，其中As原子的杂化方式为________________。

(5)AlH中，Al原子的轨道杂化方式为________。

答案　(1) sp3　(2)平面三角形　sp3　(3)3∶1　sp2　(4)sp3　(5)sp3