第2課時雜化軌道理論[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.通過對雜化軌道理論的學(xué)習(xí)，能從微觀角度理解中心原子的雜化軌道類型對分子空間結(jié)構(gòu)的影響。2.通過對雜化軌道理論的學(xué)習(xí)，掌握中心原子雜化軌道類型判斷的方法，建立分子空間結(jié)構(gòu)分析的思維模型。一、雜化軌道及其類型1．用雜化軌道理論解釋甲烷分子的形成在形成CH4分子時，碳原子的1個2s軌道和3個2p軌道發(fā)生混雜，形成4個新的能量相等的sp3雜化軌道。4個sp3雜化軌道分別與4個H原子的1s軌道重疊形成4個C—Hσ鍵，所以4個C—H是等同的。2．雜化軌道的形成及特點3．雜化軌道的類型(1)sp3雜化軌道sp3雜化軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化而成的，sp3雜化軌道間的夾角為109°28′，空間結(jié)構(gòu)為正四面體形(如圖所示)。(2)sp2雜化軌道sp2雜化軌道是由1個s軌道和2個p軌道雜化而成的。sp2雜化軌道間的夾角都是120°，呈平面三角形(如圖所示)。(3)sp雜化軌道sp雜化軌道是由1個s軌道和1個p軌道雜化而成的。sp雜化軌道間的夾角為180°，呈直線形(如圖所示)。1．填寫下表：代表物雜化軌道數(shù)雜化軌道類型CO20＋2＝2spCH2O0＋3＝3sp2CH40＋4＝4sp3SO21＋2＝3sp2NH31＋3＝4sp3H2O2＋2＝4sp32．C原子在形成化合物時，可采取多種雜化方式。雜化軌道中s軌道成分越多，C元素的電負(fù)性越強，連接在該C原子上的H原子越容易電離。下列化合物中，最有可能在堿性體系中形成陰離子的是()A．CH4 B．CH2=CH2C．CH≡CH D．苯答案C解析CH4、CH2=CH2、CH≡CH和苯中C原子分別為sp3、sp2、sp和sp2雜化，則雜化軌道中s軌道成分最多的物質(zhì)是CH≡CH，其最有可能在堿性體系中形成陰離子，故選C。1．正誤判斷(1)發(fā)生軌道雜化的原子一定是中心原子()(3)只有能量相近的軌道才能雜化()(4)雜化軌道能量更集中，有利于牢固成鍵()(5)雜化軌道只用于形成σ鍵或用來容納未參與成鍵的孤電子對，未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵()(6)2s軌道和3p軌道能形成sp2雜化軌道()答案(1)√(2)√(3)√(4)√(5)√(6)×2．下列分子的中心原子雜化軌道類型相同的是()A．CO2與SO2 B．CH4與NH3C．BeCl2與BF3 D．C2H2與C2H4答案B解析CO2為sp雜化，SO2為sp2雜化，A項錯誤；二者均為sp3雜化，B項正確；BeCl2為sp雜化，BF3為sp2雜化，C項錯誤；C2H2為sp雜化，C2H4為sp2雜化，D項錯誤。3．(2022·湖南師大附中高二期末)下列分子或離子的中心原子為sp3雜化，且雜化軌道容納了1個孤電子對的是()A．CH4、NH3 B．BBr3、SOeq\o\al(2－,3)C．SO2、BeCl2 D．PCl3、H3O＋答案D解析CH4中碳原子為sp3雜化但不含孤電子對，故A錯誤；BBr3中B原子為sp2雜化且不含孤電子對，故B錯誤；SO2中S原子為sp2雜化，含有1個孤電子對，BeCl2中Be原子為sp雜化且不含孤電子對，故C錯誤。4．下列分子中的中心原子的雜化方式為sp雜化，分子的空間結(jié)構(gòu)為直線形且分子中沒有形成π鍵的是()A．CH≡CH B．CO2C．BeCl2 D．BF3答案C解析CH≡CH中含有三鍵，有π鍵，故不選A；CO2的結(jié)構(gòu)式為O=C=O，分子中含有碳氧雙鍵，含有π鍵，故不選B；BeCl2分子中，Be原子含有兩個共價單鍵，不含孤電子對，所以價層電子對數(shù)是2，中心原子以sp雜化軌道成鍵，分子中不含π鍵，故選C；BF3中B原子含有3個共價單鍵，所以價層電子對數(shù)是3，中心原子以sp2雜化軌道成鍵，故不選D。以碳原子為中心原子的分子中碳原子的雜化軌道類型(1)沒有形成π鍵，采取sp3雜化，如CH4、CCl4等；(2)形成一個π鍵，采取sp2雜化，如CH2=CH2等；(3)形成兩個π鍵，采取sp雜化，如CH≡CH、CO2等。二、雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系1．雜化軌道用于形成σ鍵或用來容納未參與成鍵的孤電子對。(1)沒有孤電子對：能量相同的雜化軌道彼此遠(yuǎn)離→形成的分子為對稱結(jié)構(gòu)。(2)有孤電子對：孤電子對占據(jù)一定空間且對成鍵電子對產(chǎn)生排斥→形成的分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。2．雜化軌道與分子的空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系(1)雜化軌道全部用于形成σ鍵雜化類型spsp2sp3軌道組成一個ns和一個np一個ns和兩個np一個ns和三個np軌道夾角180°120°109°28′雜化軌道示意圖實例BeCl2BF3CH4分子的空間結(jié)構(gòu)直線形平面三角形正四面體形(2)雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對雜化類型sp2sp3中心原子所在族第ⅥA族第ⅤA族第ⅥA族中心原子的孤電子對數(shù)112分子空間結(jié)構(gòu)V形三角錐形V形實例SO2NH3、PCl3、PH3H2O、H2SCH4、NH3、H2O中心原子的雜化軌道類型都是sp3，鍵角為什么依次減?。繌碾s化軌道理論的角度比較鍵角大小。提示CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3雜化，中心原子上的孤電子對數(shù)依次為0、1、2。由于孤電子對對共用電子對的排斥作用使鍵角變小，孤電子對數(shù)越多排斥作用越大，鍵角越小。比較鍵角時，先看中心原子雜化軌道類型，雜化軌道類型不同時，鍵角一般按sp、sp2、sp3順序依次減小；雜化軌道類型相同時，中心原子孤電子對數(shù)越多，鍵角越小。1．正誤判斷(1)雜化軌道的空間結(jié)構(gòu)與分子的空間結(jié)構(gòu)不一定一致()(2)雜化軌道間的夾角與分子內(nèi)的鍵角一定相同()(3)凡AB3型共價化合物，其中心原子A均采用sp3雜化軌道成鍵()(4)NH3分子的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形，則氮原子的雜化方式為sp3()(5)C2H4分子中的鍵角都約是120°，則碳原子的雜化方式是sp2()答案(1)√(2)×(3)×(4)√(5)√2．下列分子的空間結(jié)構(gòu)可用sp2雜化軌道來解釋的是()①BF3②CH2=CH2③④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A．①②③B．①⑤⑥C．②③④D．③⑤⑥答案A解析sp2雜化軌道形成夾角為120°的平面三角形，①BF3為平面三角形且B—F夾角為120°；②C2H4中碳原子以sp2雜化，未雜化的2p軌道重疊形成π鍵；③與②相似；④乙炔中的碳原子為sp雜化，未雜化的2p軌道重疊形成π鍵；⑤NH3中的氮原子為sp3雜化；⑥CH4中的碳原子為sp3雜化。3．下列中心原子的雜化軌道類型和分子空間結(jié)構(gòu)不正確的是()A．PCl3中P原子為sp3雜化，三角錐形B．NHeq\o\al(＋,4)中N原子為sp3雜化，正四面體形C．H2S中S原子為sp雜化，直線形D．SO2中S原子為sp2雜化，V形答案C解析PCl3中P原子價層電子對數(shù)＝3＋eq\f(5－3×1,2)＝4，含有一個孤電子對，則P原子為sp3雜化，分子空間結(jié)構(gòu)為三角錐形，故A正確；NHeq\o\al(＋,4)中N原子價層電子對數(shù)＝4＋eq\f(5－1－4×1,2)＝4，不含孤電子對，則N原子為sp3雜化，分子空間結(jié)構(gòu)為正四面體形，故B正確；H2S中S原子價層電子對數(shù)＝2＋eq\f(6－2×1,2)＝4，含有兩個孤電子對，則S原子為sp3雜化，分子空間結(jié)構(gòu)為V形，故C錯誤；SO2中S原子價層電子對數(shù)＝2＋eq\f(6－2×2,2)＝3，含有一個孤電子對，則S原子為sp2雜化，分子空間結(jié)構(gòu)為V形，故D正確。4．已知某XY2分子屬于V形分子，下列說法正確的是()A．X原子一定是sp2雜化B．X原子一定為sp3雜化C．X原子上一定存在孤電子對D．VSEPR模型一定是平面三角形答案C解析若X原子無孤電子對，則它一定是直線形分子，若X有1個孤電子對或2個孤電子對，則XY2一定為V形分子，此種情況下X的原子軌道可能為sp2雜化，也可能是sp3雜化，A、B項錯誤，C項正確；若X有2個孤電子對，則該分子的VSEPR模型為四面體形，D項錯誤。5．按要求回答下列問題：(1)CH3COOH中C原子的雜化軌道類型是__________________________。(2)醛基中碳原子的雜化軌道類型是________。(3)化合物中陽離子的空間結(jié)構(gòu)為______________，陰離子的中心原子軌道采取__________雜化。(4)X的單質(zhì)與氫氣可化合生成氣體G，G的水溶液的pH>7。G分子中X原子的雜化軌道類型是______。答案(1)sp3、sp2(2)sp2(3)三角錐形sp3(4)sp3解析(1)CH3COOH分子中，—CH3和—COOH上的碳原子的雜化軌道類型分別是sp3和sp2。(2)上的碳原子形成3個σ鍵和1個π鍵，采取sp2雜化。(4)G是NH3，N原子采取sp3雜化。常見物質(zhì)中心原子的雜化方式(1)采取sp3雜化：有機物中飽和碳原子、NH3、H2O、金剛石中的碳原子、晶體硅中的硅原子、SiO2、NHeq\o\al(＋,4)等。(2)采取sp2雜化：有機物中的雙鍵碳原子、BF3、石墨中的碳原子、苯環(huán)中的碳原子等。(3)采取sp雜化：有機物中的三鍵碳原子、CO2、BeCl2等。說明注意結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，如CO2與CS2、BF3與BBr3等的雜化軌道類型分別相同。題組一雜化軌道理論1．(2023·海南儋州高二期末)下列關(guān)于雜化軌道的說法錯誤的是()A．并不是所有的原子軌道都參與雜化B．同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化C．雜化軌道能量集中，有利于牢固成鍵D．雜化軌道都用來成鍵答案D解析參與雜化的原子軌道，其能量不能相差太大，即只有能量相近的原子軌道才能參與雜化，故A、B正確；雜化軌道的電子云一頭大一頭小，成鍵時利用大的一頭，可使電子云的重疊程度更大，形成牢固的化學(xué)鍵，故C正確；并不是所有的雜化軌道都成鍵，也可以容納孤電子對，故D錯誤。2．(2023·長沙南雅中學(xué)高二檢測)能正確表示CH4中碳原子成鍵方式的示意圖為()A.B.C.D.答案D解析碳原子中的2s軌道與2p軌道形成4個等性的雜化軌道，因此碳原子最外層上的4個電子分占在4個sp3雜化軌道上并且自旋狀態(tài)相同。3．(2022·廣東鐵一中學(xué)高二檢測)在乙烯分子中有5個σ鍵、1個π鍵，它們分別是()A．sp2雜化軌道形成σ鍵、未雜化的2p軌道形成π鍵B．sp2雜化軌道形成π鍵、未雜化的2p軌道形成σ鍵C．碳與氫原子之間是sp2雜化軌道形成的σ鍵，碳與碳原子之間是未參加雜化的2p軌道形成的π鍵D．碳與碳原子之間是sp2雜化軌道形成的σ鍵，碳與氫原子之間是未參加雜化的2p軌道形成的π鍵答案A解析乙烯分子中存在4個C—H和1個C=C，碳原子上沒有孤電子對，成鍵電子對數(shù)為3，則C原子采取sp2雜化，碳?xì)滏I是sp2雜化軌道形成的σ鍵，碳碳雙鍵中有1個是sp2雜化軌道形成的σ鍵，還有1個是未參加雜化的2p軌道形成的π鍵，A項正確。4．(2022·西安第一中學(xué)高二期中)s軌道與s軌道重疊形成的共價鍵可用符號表示為s-sσ鍵，p軌道與p軌道以“頭碰頭”方式重疊形成的共價鍵可用符號表示為p-pσ鍵，請你指出下列分子中含有s-sp2σ鍵的是()A．N2B．C2H4C．C2H2D．HCl答案B解析N2存在p-pσ鍵和π鍵，A項錯誤；C2H4中，C原子為sp2雜化，存在s-sp2σ鍵，B項正確；C2H2中，中心C原子發(fā)生sp雜化，形成s-spσ鍵，C項錯誤；HCl中只存在s-pσ鍵，D項錯誤。5．BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氫氟酸或NaF溶液中都形成BFeq\o\al(－,4)，則BF3和BFeq\o\al(－,4)中B原子的雜化軌道類型分別是()A．sp2、sp2 B．sp3、sp3C．sp2、sp3 D．sp、sp2答案C解析BF3中B原子的價層電子對數(shù)為3，所以為sp2雜化，BFeq\o\al(－,4)中B原子的價層電子對數(shù)為4，所以為sp3雜化。6．下列分子所含原子中，既有sp3雜化，又有sp2雜化的是()A．乙醛B．丙烯腈C．甲醛D．丙炔答案A解析甲基中C原子為sp3雜化，—CHO中C原子為sp2雜化，A項正確；碳碳雙鍵中C原子為sp2雜化，—CN中C原子為sp雜化，B項錯誤；—CHO中C原子為sp2雜化，C項錯誤；甲基中C原子為sp3雜化，碳碳三鍵中C原子為sp雜化，D項錯誤。題組二雜化軌道理論的應(yīng)用7．(2022·唐山一中高二期中)氮的最高價氧化物為無色晶體，它由兩種離子構(gòu)成，已知其陰離子空間結(jié)構(gòu)為平面三角形，則其陽離子的空間結(jié)構(gòu)和陽離子中的氮的雜化方式分別為()A．直線形，sp B．V形，sp2C．三角錐形，sp3 D．平面三角形，sp2答案A解析氮的最高價氧化物為N2O5，根據(jù)N元素的化合價為＋5和原子組成，可知陰離子為NOeq\o\al(－,3)、陽離子為NOeq\o\al(＋,2)，NOeq\o\al(＋,2)中N原子價層電子對數(shù)為2＋eq\f(1,2)×(5－1－2×2)＝2，因此雜化類型為sp，陽離子空間結(jié)構(gòu)為直線形，A項正確。8．下列關(guān)于NHeq\o\al(＋,4)、NH3、NHeq\o\al(－,2)三種微粒的說法不正確的是()A．三種微粒所含有的電子數(shù)相等B．三種微粒中氮原子的雜化方式相同C．三種微粒的空間結(jié)構(gòu)相同D．鍵角大小關(guān)系：NHeq\o\al(＋,4)>NH3>NHeq\o\al(－,2)答案C解析NHeq\o\al(＋,4)、NH3、NHeq\o\al(－,2)中含有的電子數(shù)均為10，A正確；NHeq\o\al(＋,4)、NH3、NHeq\o\al(－,2)三種微粒中氮原子的雜化方式均為sp3雜化，B正確；NHeq\o\al(＋,4)為正四面體形，NH3為三角錐形，NHeq\o\al(－,2)為V形，C錯誤；NHeq\o\al(＋,4)、NH3、NHeq\o\al(－,2)三種微粒的鍵角大小關(guān)系為NHeq\o\al(＋,4)>NH3>NHeq\o\al(－,2)，D正確。9．氯化亞砜(SOCl2)是一種很重要的化學(xué)試劑，可以作為氯化劑和脫水劑。下列關(guān)于氯化亞砜分子的VSEPR模型、分子的空間結(jié)構(gòu)和中心原子(S)采取雜化方式的說法正確的是()A．四面體形、三角錐形、sp3B．平面三角形、V形、sp2C．平面三角形、平面三角形、sp2D．四面體形、三角錐形、sp2答案A解析SOCl2分子中S原子形成2個S—Cl、1個S=O，價層電子對數(shù)＝σ鍵數(shù)＋孤電子對數(shù)＝3＋eq\f(1,2)×(6－1×2－2)＝4，雜化軌道數(shù)是4，故S原子采取sp3雜化，SOCl2分子的VSEPR模型為四面體形，且S原子含1個孤電子對，則其分子的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形，A項正確。10．下列說法正確的是()A．含有四個原子的分子的空間結(jié)構(gòu)不可能為正四面體形B．分子式為AB2的分子的空間結(jié)構(gòu)一定為V形C．在SOeq\o\al(2－,4)中硫原子的雜化方式為sp2，是正四面體形結(jié)構(gòu)D．COeq\o\al(2－,3)中心碳原子的孤電子對數(shù)為0，故其結(jié)構(gòu)為平面三角形答案D解析P4分子的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，A錯誤；BeCl2中鈹原子成鍵電子對數(shù)是2，無孤電子對，是sp雜化，分子是直線形，B錯誤；在SOeq\o\al(2－,4)中硫原子的孤電子對數(shù)是0，與其相連的原子數(shù)為4，根據(jù)雜化軌道理論可推知硫原子為sp3雜化，SOeq\o\al(2－,4)的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，C錯誤；COeq\o\al(2－,3)中心碳原子的成鍵電子對數(shù)為3，孤電子對數(shù)為eq\f(1,2)×(4＋2－3×2)＝0，該離子是平面三角形結(jié)構(gòu)，D正確。11．下列說法正確的是()A．PCl3分子是三角錐形，這是因為磷原子是sp2雜化的結(jié)果B．sp3雜化軌道是由任意的1個s軌道和3個p軌道混合形成的4個sp3雜化軌道C．中心原子采取sp3雜化的分子，其空間結(jié)構(gòu)可能是四面體形或三角錐形或V形D．AB3型的分子空間結(jié)構(gòu)必為平面三角形答案C解析PCl3中P原子形成3個σ鍵，有1個孤電子對，采取sp3雜化，PCl3分子是三角錐形，A項錯誤；sp3雜化軌道是由能量相近的1個s軌道和3個p軌道混合形成的4個sp3雜化軌道，B項錯誤；中心原子采取sp3雜化的分子，其空間結(jié)構(gòu)可能是四面體形(如CH3Cl)或三角錐形(如NH3)或V形(如H2O)，C項正確；AB3型的分子空間結(jié)構(gòu)可能為平面三角形(如BF3)或三角錐形(如NH3)，D項錯誤。12．化合物A是一種新型鍋爐水除氧劑，其結(jié)構(gòu)式為，下列說法正確的是()A．碳、氮原子的雜化類型相同B．氮原子與碳原子分別為sp3雜化與sp2雜化C．1molA分子中所含σ鍵的數(shù)目為10NAD．編號為a的氮原子和與其成鍵的另外三個原子在同一平面內(nèi)答案B解析A分子中碳、氮原子各形成了3個σ鍵，氮原子有1個孤電子對而碳原子沒有孤電子對，故氮原子是sp3雜化而碳原子是sp2雜化，A項錯誤、B項正確；1個A分子中有11個σ鍵，C項錯誤；氮原子為sp3雜化，相應(yīng)的四個原子形成的是三角錐形結(jié)構(gòu)，不可能共平面，D項錯誤。13．根據(jù)雜化軌道理論可以判斷分子的空間結(jié)構(gòu)，試根據(jù)相關(guān)知識填空：(1)AsCl3分子的空間結(jié)構(gòu)為________，其中As的雜化軌道類型為________。(2)CS2分子中C原子的雜化軌道類型是________。(3)X射線衍射測定發(fā)現(xiàn)，I3AsF6中存在Ieq\o\al(＋,3)。Ieq\o\al(＋,3)的空間結(jié)構(gòu)為____________，中心原子的雜化方式為____________。答案(1)三角錐形sp3(2)sp(3)V形sp3解析(1)AsCl3中As原子價層電子對數(shù)為4，含有1個孤電子對，As的雜化方式為sp3雜化，AsCl3分子的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形。(2)CS2的結(jié)構(gòu)式為S=C=S，C原子形成2個雙鍵，無孤電子對，呈直線形，所以C為sp雜化。(3)Ieq\o\al(＋,3)中I原子為中心原子，則其孤電子對數(shù)為eq\f(1,2)×(7－1－2×1)＝2，且其形成了2個σ鍵，中心原子采取sp3雜化，空間結(jié)構(gòu)為V形。14．已知：①紅磷在氯氣中燃燒可以生成兩種化合物——PCl3和PCl5，氮與氫也可形成兩種化合物——NH3和NH5。②PCl5分子中，P原子的1個3s軌道、3個3p軌道和1個3d軌道發(fā)生雜化形成5個sp3d雜化軌道，PCl5分子呈三角雙錐形()。(1)NH3、PCl3和PCl5分子中，所有原子的最外層電子數(shù)都是8個的是________(填分子式)，該分子的空間結(jié)構(gòu)是________。(2)下列關(guān)于PCl5分子的說法正確的有________(填字母)。A．PCl5分子中磷原子沒有孤電子對B．PCl5分子中沒有形成π鍵C．