苏教版 (2019)选择性必修2第一单元 分子的空间结构第1课时学案及答案

第一单元　分子的空间结构

第1课时　分子的空间结构模型——杂化轨道理论

一、杂化轨道理论

1．杂化轨道理论的来由

为了解释CH4等分子的空间结构，美国化学家鲍林于1931年提出的。

2．杂化与杂化轨道

在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组能量相等、成分相同的新轨道，这种轨道重新组合的过程叫做杂化，所形成的新轨道就称为杂化轨道。

3．杂化轨道理论的要点

(1)在形成分子时，某些不同类型、能量相近的原子轨道重新组合成一组新的轨道。

(2)杂化轨道是不同于原来的轨道的一组新的轨道，新的轨道能量相等、成分相同，且有一定的空间取向。

(3)杂化轨道与其他原子轨道形成σ键。

4．用杂化轨道理论解释3种典型分子的空间结构

(1)CH4分子的空间结构

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，1个2s轨道和3个2p轨道“混合”，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道。

sp3杂化轨道的空间结构

4个sp3杂化轨道在空间呈正四面体型，轨道之间的夹角为_109°28′(或109.5°)。

②共价键的形成与CH4分子的空间结构

碳原子的4个sp3杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠，形成4个相同的σ键。

CH4分子的空间结构为正四面体，分子中C—H键之间的夹角为109°28′。

(2)BeCl2分子的空间结构

①杂化轨道的形成

Be原子的2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，1个2s轨道和1个2p轨道“混合”，形成能量相等、成分相同的2个sp杂化轨道。

2个sp杂化轨道在空间呈直线形，轨道夹角为_180°，2个未杂化的2p轨道与杂化轨道相互垂直。

②BeCl2分子的空间结构

Be原子上的2个sp杂化轨道分别与2个Cl原子上的 3p轨道重叠，形成3个相同的σ键。

BeCl2分子的空间结构为直线形，分子中Be—Cl键之间的夹角为180°。

(3)BF3分子的空间结构

①杂化轨道的形成

B原子的2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，1个2s轨道和2个2p轨道“混合”，形成能量相等、成分相同的3个sp2杂化轨道。

3个sp2杂化轨道在空间呈平面三角形，轨道夹角为120°，未杂化的2p轨道垂直于该平面。

②BF3分子的空间结构

B原子上的3个sp2杂化轨道分别与3个F原子上的2p轨道重叠，形成3个相同的 σ键。

BF3分子的空间结构为平面三角形，分子中B—F键之间的夹角为120°。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)CH4分子的碳原子轨道采用sp3杂化，即1个2s轨道和2个2p轨道杂化。               (×)

(2)CCl4分子的空间结构为正方形，分子中C—Cl键之间的夹角为90°。                             (×)

(3)键角：CH4> BeCl2> BF3。  (×)

(4)采用sp3杂化的分子空间结构均为正四面体型。 (×)

二、几种碳原子的杂化轨道

1．乙烷分子的成键情况

C原子以sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道，分别与C原子和H原子键合。

乙烷分子中，含有6个C—Hσ键(sp3­s)、1个C—Cσ键(sp3­sp3)。

2．乙烯分子的空间结构

C原子以sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，分别与C原子和H原子键合。

2个碳原子上未杂化的2p轨道形成1个π键。

乙烯分子中，含有4个C—H σ键(sp2­s)、1个C—Cσ键(sp2­sp2)、1个π键(p­p)。

乙烯分子的空间结构为平面结构。

3．乙炔分子的空间结构

C原子以sp杂化，形成2个sp杂化轨道，分别与C原子和H原子键合。

2个碳原子上未杂化的2p轨道形成2个π键。

乙炔分子中，含有2个C—Hσ键(sp2­s)、1个C—Cσ键(sp2­sp2)、2个π键(p­p)。

乙炔分子的空间结构为直线形。

　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

D　[乙烯、苯中碳原子采用sp2杂化，乙炔中碳原子采用sp杂化。]

2．指出下列分子中划线原子的杂化轨道类型：

[解析]　根据甲烷和乙烯中碳原子的杂化方式进行类比分析。

[答案]　sp3　sp2　sp2　sp2

2­甲基­2,4­己二烯和4­甲基­1­戊炔均为无色易挥发液体，有刺激和麻醉作用，吸入后引起头痛、咳嗽、呼吸困难；大量吸入出现中枢神经系统抑制、精神错乱、神志丧失，常用于制造香料、染料及合成树脂。结构简式如下所示：

2­甲基­2,4­己二烯　　4­甲基­1­戊炔

[问题1]　从原子轨道重叠角度分析，2­甲基­2,4­己二烯分子中有哪些共价键？

[提示]　σ键和π键。

[问题2]　2­甲基­2,4­己二烯和4­甲基­1­戊炔分子中碳原子的杂化方式有哪些？

[提示]　sp、sp2、sp3。

[问题3]　2­甲基­2,4­己二烯分子中最多有多少个碳原子共面？

[提示]　7个。

[问题4]　4­甲基­1­戊炔分子中最多有多少个原子共直线？

[提示]　4个。

一、杂化轨道的类型与分子空间结构的关系

注意：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，分子的空间结构与杂化轨道的空间结构一致。

二、用杂化轨道理论分析C2H6、C2H4、C2H2的成键情况

1．碳原子的杂化方式和成键情况

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，空间结构为四面体。

甲烷和其他烷烃中的C原子、NH中的N原子、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，空间结构为平面结构。

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个单键和一个三键(或2个双键)，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，空间结构为直线形。

存在碳碳三键(C≡C)和碳氮三键(C≡N)、CO2中的碳原子都是sp杂化。

1．下列有关有机物分子的叙述不正确的是(　　)

A．乙烯分子中有一个π键

B．乙炔分子中每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道，它们之间可形成两个π键

C．乙烷分子中两个碳原子均是sp3杂化，分子中一共有6个σ键

D．苯分子每个碳原子均是sp2杂化

C　[乙烯分子中有1个碳碳双键，双键中有1个σ键、1个π键，所以乙烯分子中有一个π键，A正确；乙炔分子中C原子的杂化方式是sp，每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道，它们之间可形成两个π键，B正确；乙烷分子中两个碳原子均是sp3杂化，结构式是，分子中一共有7个σ键，C错误；苯分子为平面结构，碳原子都是sp2杂化，D正确。]

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)。下列有关判断明显错误的是(　　)

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

D　[异硫氰酸能形成分子间氢键，硫氰酸不能形成分子间氢键，故异硫氰酸的沸点高于硫氰酸。]

3．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

A　[B、C两项*碳原子均采用sp2杂化，D项*碳原子采用sp杂化。]

1．以下分子或离子的结构为正四面体型且键与键夹角为109°28′的是(　　)

①CH4　②SiCl4　③CH3Cl　④P4

A．①②④　　　　　 B．①②③④

C．①② D．①③

C　[正四面体结构的分子，其键角为109°28′，在上述分子或离子中，CH3Cl为四面体结构，但碳氢键与碳氯键键长不等，故不是正四面体结构，P4为正四面体结构，但键角是60°，故只有①②符合。]

2．在分子中，羰基碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为(　　)

A．sp2杂化；sp2杂化 B．sp3杂化；sp3杂化

C．sp2杂化；sp3杂化 D．sp杂化；sp3杂化

C　[根据甲烷和乙烯的结构分析，分子中，羰基碳原子采用sp2杂化；甲基碳原子形成4个σ键，采用sp3杂化。]

3．下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是(　　)

A　[乙醛分子中甲基中的C原子采用sp3杂化，醛基中的C原子采用sp2杂化，A符合题意；丙烯腈中碳碳双键中的碳原子采用sp2杂化，碳氮三键中的碳原子采用sp杂化，B不符合题意；甲醛分子中的C原子采用sp2杂化，C不符合题意；丙炔中甲基中的C原子采用sp3杂化，碳碳三键中的碳原子采用sp杂化，D不符合题意。]

4．徐光宪在《分子共和国》一书中介绍了许多明星分子，如H2O2、CO2、BF3、CH3COOH等。下列说法正确的是(　　)

A．H2O2分子中的O原子为sp2杂化

B．CO2分子中的C原子为sp杂化

C．BF3分子中的B原子sp3杂化

D．CH3COOH分子中的C原子均为sp3杂化

B　[H2O2分子中的O原子为sp3杂化，BF3分子中的B原子为sp2杂化，CH3COOH分子中的C原子为sp2和sp3杂化。]

5．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________________。试写出一种有机物分子的结构简式，要求同时含有三种不同杂化方式的碳原子：________________________。

[答案]　CH≡CH　CH2===CH2、　CH3CH3　

CH≡CCH2CH===CH2(其他合理答案均可)