化学选择性必修2第二章 分子结构与性质第二节 分子的空间结构第2课时学案

这是一份化学选择性必修2第二章 分子结构与性质第二节 分子的空间结构第2课时学案，共10页。学案主要包含了学习目标，自主预习，参考答案，效果检测，合作探究，核心归纳，典型例题，随堂检测等内容，欢迎下载使用。
1.了解杂化轨道理论的基本内容。
2.会用杂化轨道理论判断分子的空间结构,对分子的空间结构进行解释和预测。
【自主预习】
1.用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
在形成CH4分子时,碳原子的一个 轨道和三个 轨道发生混杂,形成4个能量相同、方向不同的 杂化轨道。4个 杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个C—H 键,所以4个C—H是等同的。
2.杂化轨道的形成及其特点
3.杂化轨道类型及其空间结构
(1)sp3杂化轨道
sp3杂化轨道是由 个ns轨道和 个np轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是 ,空间结构为 (如图所示)。
(2)sp2杂化轨道
sp2杂化轨道是由 个ns轨道和 个np轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是 ,呈 (如下图所示)。
(3)sp杂化轨道
sp杂化轨道是由 个ns轨道和 个np轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是 ,呈 (如下图所示)。
【微点拨】
sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道,可用于形成π键,而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
(4)VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型
【参考答案】1.2s 2p sp3 sp3 σ
3.(1)1 3 109°28' 正四面体形 (2)1 2 120°
平面三角形 (3)1 1 180° 直线形
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道的数目相同,但能量不同。( )
(2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。( )
(3)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体形。( )
(4)凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键。( )
(5)BCl3中的B采取sp2杂化,空间结构为平面三角形。( )
(6)PH3中的P采取sp3杂化,空间结构为正四面体形。( )
(7)分子里中心原子采用sp杂化,分子里至少有三个原子在同一直线上。( )
(8)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。( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2.杂化轨道能否形成π键?
【答案】不能,只能用来形成σ键或容纳未参与成键的孤电子对。
3.2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道?
【答案】不能,只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道;2s与3p不在同一能层,能量相差较大。
4.凡AB3型的共价化合物,其中心原子A是否均采用sp3杂化轨道成键?
【答案】不一定。例如SO3是采用sp2杂化轨道成键。
5.ClO2-、ClO3-、ClO4-中,中心原子Cl是以哪种杂化轨道方式与O原子成键?它们的空间结构如何?
【答案】由VSEPR模型可知,ClO2-、ClO3-、ClO4-中,中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键。它们的空间结构分别是V形、三角锥形、正四面体形。
【合作探究】
任务1：杂化轨道理论
情境导入 鲍林——美国著名化学家,1954年因在化学键方面的工作获得诺贝尔化学奖,1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖。
鲍林在探索化学键理论时,遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。为了解释甲烷的正四面体结构,说明碳原子四个键的等价性,鲍林在1928~1931年,提出了杂化轨道的理论。
问题生成
1.写出碳原子的价层电子排布,这些价层电子的能量是否相同?
【答案】2s22p2,这些价层电子的能量不完全相同,2s轨道与2p轨道的电子能量不同。
2.碳原子的2s轨道的能量与2p轨道的能量是否有很大的差别?
【答案】没有很大的差别。2s轨道与2p轨道都处于第二能层,能量有差别但差别不是很大。
3.碳原子的2s轨道电子能进入2p轨道吗?
【答案】能。2s轨道的电子激发后可以进入2p轨道。
4.甲烷(CH4)中碳原子是如何杂化的?
【答案】在CH4分子中,碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道,因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同,由此可以写出CH4中碳原子成键方式的示意图为。
【核心归纳】
杂化轨道理论要点
1.只有能量相近的原子轨道才能杂化。
2.杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等,杂化轨道能量相同。
3.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.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。
5.杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。
6.未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
7.原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,孤立的原子不可能发生杂化。
【典型例题】
【例1】下列关于杂化轨道的说法错误的是( )。
A.所有原子轨道都参与杂化
B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化
C.杂化轨道能量集中,有利于形成较强的化学键
D.杂化轨道中不一定有电子
【答案】A
【解析】只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,A项错误,B项正确;杂化轨道的电子云一头大一头小,成键时利用大的一头,可使电子云重叠程度更大,形成较强的化学键,C项正确;并不是所有的杂化轨道中都含有电子,可以是空轨道,也可以有一对孤电子对(如NH3、H2O的形成),D项正确。
【例2】在乙烯分子中有5个σ键、1个π键,它们分别是( )。
A.sp2杂化轨道形成σ键,未杂化的2p轨道形成π键
B.sp2杂化轨道形成π键,未杂化的2p轨道形成σ键
C.C—H之间是sp2形成的σ键,C—C之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键
D.C—C之间是sp2形成的σ键,C—H之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键
【答案】A
【解析】单键都是σ键,双键中一个是σ键,另一个是π键。中含有5个σ键:其中4个是C—H,另一个存在于碳碳双键中。中的C原子以sp2杂化轨道形成σ键,还有1个未杂化的2p轨道形成π键。
任务2：杂化轨道类型与分子空间结构的关系
情境导入 聚乙炔属于本征导电聚合物,利用本征导电聚合物处于中性状态和掺杂充电状态时的颜色可逆转换这一特性,可制成透明度可调的智能窗。夏季时,智能窗调成深色,吸收部分日光,可保持室内凉爽。冬季白天将智能窗调成透明,让可见光和红外线辐射进入室内,作为取暖的热源。冬季夜间又将智能窗调成深色,不让室内热量逸散到室外,智能窗起到了保暖作用。
问题生成
已知乙炔的结构简式为HC≡CH,在一定条件下聚合生成聚乙炔?CHCH?。银色的聚乙炔薄膜是纯净的反式聚乙炔,其结构片段如图所示。另一种与聚乙炔具有相同最简式的有机物——立方烷,其相对分子质量是104。此外,CH≡C—CHCH2也与乙炔的最简式相同。
1.根据乙炔的结构简式HC≡CH,判断其空间结构和中心原子杂化类型。
【答案】直线形 ; sp杂化。
2.推测聚乙炔?CHCH?的空间结构,判断其中心原子杂化类型。
【答案】平面形分子;sp2杂化。
3.根据立方烷的结构特征,判断碳原子的杂化类型。
【答案】sp3杂化。
4.根据CH≡C—CHCH2的结构,判断碳原子的杂化类型。
【答案】sp杂化和sp2杂化。
【核心归纳】
1.判断中心原子杂化轨道类型的方法
(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。
(4)有机物中碳原子杂化类型的判断:饱和碳原子采取sp3杂化,连接双键的碳原子采取sp2杂化,连接三键的碳原子采取sp杂化。
2.中心原子杂化轨道类型与分子空间结构的相互判断
【典型例题】
【例3】CH3+、—CH3、CH3-都是重要的有机反应中间体,有关它们的说法正确的是( )。
A.碳原子均采取sp2杂化
B.CH3-与NH3、H3O+结构相似,中心原子均为sp3杂化,空间结构均为正四面体形
C.CH3+中的碳原子采取sp2杂化,所有原子共平面
D.CH3+中的碳原子采取sp3杂化,所有原子均共面
【答案】C
【解析】—CH3、CH3-的中心原子采用sp3杂化,A项错误;CH3-中碳原子价层电子对数是4且孤电子对数为1,NH3中氮原子价层电子对数是4且孤电子对数为1,H3O+中氧原子价层电子对数是4且孤电子对数为1,三者中心原子都为sp3杂化,空间结构都为三角锥形,B项错误;CH3+中碳原子价层电子对数是3且不含孤电子对,所以碳原子采取sp2杂化,为平面三角形,所有原子共平面,C项正确,D项错误。
【例4】三聚氰胺俗称密胺、蛋白精,是一种化工原料。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)写出基态碳原子的电子排布式: 。
(2)—C≡N中的氮原子、三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子,这三种氮原子的杂化轨道类型分别是 、 、 。
(3)一个三聚氰胺分子中有 个σ键。
(4)三聚氰胺与三聚氰酸()分子之间通过氢键结
合,在肾脏内易形成结石。三聚氰酸分子中的C原子采取 杂化;该分子中,每个碳氧原子之间的共价键是 (填字母)。
A.2个σ键
B.2个π键
C.1个σ键、1个π键
【答案】(1)1s22s22p2
(2)sp sp2 sp3
(3)15
(4)sp2 C
【解析】(2)—C≡N中的N原子、三聚氰胺环上的N原子、—NH2中的N原子分别形成1、2、3个σ键且均有一对未成键电子,所以分别采取sp、sp2、sp3杂化。(3)除每个双键中有1个π键外,其余共价键均为σ键,共15个σ键。(4)由于该分子中C与O形成双键,故C原子采取sp2杂化,sp2杂化的碳原子与氧原子间有1个σ键、1个π键。
【随堂检测】
课堂基础
1.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )。
A.CS2与C6H6B.CH4与NH3
C.BeCl2与BF3D.C2H2与C2H4
【答案】B
【解析】A项,CS2分子中C原子采用sp杂化,C6H6分子中,C原子采用sp2杂化;B项,CH4和NH3分子中C、N原子均采用sp3杂化;C项,BeCl2分子中Be原子为sp杂化,BF3分子中B原子为sp2杂化;D项,C2H2分子中C原子为sp杂化,C2H4分子中C原子为sp2杂化。
2.下列分子的空间结构与sp2杂化轨道有关的是( )。
①BF3 ② ③ ④CH≡CH ⑤NH3 ⑥CH4
A.①②③B.①⑤⑥
C.②③④D.③⑤⑥
【答案】A
【解析】①B原子采用sp2杂化,BF3为平面三角形结构且B—F键夹角为120°;②C2H4中碳原子采用sp2杂化,且未杂化的2p轨道形成π键;③苯的成键情况与乙烯相似;④乙炔中的碳原子采用sp杂化;⑤NH3中的氮原子采用sp3杂化;⑥CH4中的碳原子采用sp3杂化。
3.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。试回答下列问题:
(1)BF3分子的空间结构为 形,SiF4分子的空间结构为 形。
(2)碳原子有4个价电子,在有机化合物中价电子均参与成键,但杂化方式不一定相同。在乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲醛分子中,碳原子采用sp杂化的分子是 (填结构简式,下同),采用sp2杂化的分子是 ,采用sp3杂化的分子是 。
(3)H2O、NH3、CH4分子中键角由大到小的排列顺序为 ,原因是
。
【答案】(1)平面三角 正四面体
(2) 、C6H6、HCHO CH3CH3
(3)CH4>NH3>H2O NH3分子中有1对孤电子对,H2O分子中有2对孤电子对,孤电子对越多,对成键电子对的排斥作用越大,故键角逐渐减小
【解析】(1)BF3分子中的B原子采用sp2杂化,形成平面三角形分子;SiF4分子中的Si原子采用sp3杂化,形成正四面体形分子。(2)CH≡CH是直线形分子,C原子采用sp杂化;、C6H6、HCHO是平面形分子,C原子采用sp2杂化;CH3CH3分子中的C原子是饱和碳原子,每个C原子与紧邻的4个原子构成四面体结构,C原子采用sp3杂化。(3)由于中心原子的杂化类型相同,键角的大小可依据孤电子对的数目分析。
4.根据理论预测下列分子或离子的空间结构。
【答案】
【解析】CO2:中心碳原子的价层电子对数为2,采用sp杂化,直线形结构。CO32-:中心碳原子的价层电子对数为3,采用sp2杂化,无孤电子对,结构为平面三角形。PO43-:中心P原子的价层电子对数为4,采用sp3杂化,呈正四面体结构。SO42-:中心S原子的价层电子对数为4,采用sp3杂化,呈正四面体结构。
对接高考
5.(1)(2021·全国甲卷,35节选)SiCl4是生成高纯硅的前驱体,其中Si采取的杂化类型为 。SiCl4可发生水解反应,机理如下:
含s、p、d轨道的杂化类型:①dsp2、②sp3d、③sp3d2,中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为 (填标号)。
(2)(2021·全国乙卷,35节选)[Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2+中配体分子NH3、H2O以及分子PH3的空间结构和相应的键角如图所示。
PH3中P的杂化类型是 。H2O的键角小于NH3的,分析原因 。
【答案】(1)sp3 ②
(2)sp3 H2O和NH3的VSEPR模型都为四面体构型,H2O有2对孤电子对、NH3有1对孤电子对,孤电子对间的排斥力>孤电子对和成键电子对间的排斥力>成键电子对间的排斥力,所以 H2O的键角小于NH3的键角
【解析】(1)SiCl4中Si形成4个σ键,且无孤电子对,则为sp3杂化;中间体SiCl4(H2O)中Si分别与Cl、O形成5个共价键,应为sp3d杂化。
(2) PH3中P原子形成3个σ键,有1对孤电子对,则P的杂化类型是sp3杂化。
杂化轨道类型
VSEPR模型
典型分子
空间结构
sp
CO2
直线形
sp2
SO2
V形
sp3
H2O
V形
sp2
SO3
平面三角形
sp3
NH3
三角锥形
sp3
CH4
正四面体形
杂化轨道数目
2
3
4
杂化类型
sp
sp2
sp3
轨道杂化
类型
VSEPR
模型
成键电子
对数
孤电子对数
电子对的排列
方式
分子的空
间结构
实例
sp
直线形
2
0
直线形
HC≡CH 、BeCl2 、CO2
sp2
平面三
角形
3
0
平面三角形
BF3、 BCl3
2
1
V形
SnBr2、PbCl2
sp3
四面体
4
0
正四面体形
CH4、CCl4
3
1
三角锥形
NH3、NF3
2
2
V形
H2O
CO2
CO32-
PO43-
SO42-
杂化类型
空间结构
键角
CO2
CO32-
PO43-
SO42-
杂化类型
sp
sp2
sp3
sp3
空间结构
直线形
平面三角形
正四面体形
正四面体形
键角
180°
120°
109°28'
109°28'