第二章分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第二節(jié)分子的空間結(jié)構(gòu)課時精講10雜化軌道理論【目標導航】1．了解雜化軌道理論的基本內(nèi)容。2．會用雜化軌道理論判斷分子的空間構(gòu)型，對分子的空間構(gòu)型進行解釋和預測。【知識導圖】一、軌道雜化和雜化軌道1．軌道雜化2．甲烷中碳原子的雜化類型二、三種雜化軌道比較雜化類型spsp2sp3參與雜化的原子軌道1個s和1個p1個s和2個p1個s和3個p雜化軌道數(shù)234雜化軌道間夾角180°120°109.5°空間指向直線正三角形三個頂點正四面體四個頂點三、判斷分子的中心原子雜化軌道類型的方法1．根據(jù)雜化軌道的空間分布構(gòu)型判斷(1)若雜化軌道在空間的分布為正四面體形，則分子的中心原子發(fā)生sp3雜化。(2)若雜化軌道在空間的分布呈平面三角形，則分子的中心原子發(fā)生sp2雜化。(3)若雜化軌道在空間的分布呈直線形，則分子的中心原子發(fā)生sp雜化。2．根據(jù)雜化軌道之間的夾角判斷若雜化軌道之間的夾角為109°28′，則分子的中心原子發(fā)生sp3雜化；若雜化軌道之間的夾角為120°，則分子的中心原子發(fā)生sp2雜化；若雜化軌道之間的夾角為180°，則分子的中心原子發(fā)生sp雜化。四、中心原子雜化類型的判斷雜化軌道用來形成σ鍵和容納孤電子，所以有公式：雜化軌道數(shù)＝中心原子的孤電子的對數(shù)＋中心原子的σ鍵個數(shù)。代表物雜化軌道數(shù)中心原子雜化軌道類型CO20＋2＝2spCH2O0＋3＝3sp2CH40＋4＝4sp3SO21＋2＝3sp2NH31＋3＝4sp3H2O2＋2＝4sp3五、中心原子雜化類型和分子構(gòu)型的相互判斷中心原子的雜化類型和分子構(gòu)型有關(guān)，二者之間可以相互判斷。分子組成(A為中心原子)中心原子的弧電子對數(shù)中心原子的雜化方式分子空間構(gòu)型示例AB20sp直線形BeCl21sp2V形SO22sp3V形H2OAB30sp2平面三角形BF31sp3三角錐形NH3AB40sp3正四面體形CH4六、分子空間構(gòu)型的確定軌道雜化類型電子對的空間構(gòu)型成鍵電子對數(shù)孤對電子數(shù)電子對的排列方式分子的空間構(gòu)型實例sp1直線型20直線形HC≡CHBeCl2CO2sp2平面三角形30平面三角形BF3BCl321V形SnBr2PbCl2sp3四面體40正四面體形CH4CCl431三角錐形NH3NF322V形H2O【小試牛刀】判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)。1．同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化()【答案】√【解析】參與雜化的原子軌道，其能量不能相差太大，如1s軌道與2s、2p軌道能量相差太大，不能形成雜化軌道，即只有能量相近的原子軌道才能參與雜化。2．雜化軌道能量集中，有利于牢固成鍵【答案】√【解析】雜化軌道的電子云一頭大一頭小，成鍵時利用大的一頭，可使電子云重疊程度更大，形成牢固的化學鍵。3．雜化軌道中不一定有電子()【答案】√【解析】并不是所有的雜化軌道中都會有電子，也可以是空軌道，也可以有一對孤電子對(如NH3、H2O的形成)。4．雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對()【答案】√【解析】雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對，正確。5．分子中中心原子若通過sp3雜化軌道成鍵，則該分子一定為正四面體結(jié)構(gòu)()【答案】×【解析】分子中中心原子若通過sp3雜化軌道成鍵，則該分子正四面體結(jié)構(gòu)或三角錐形或折線形，錯誤。6．NH3分子為三角錐形，N原子發(fā)生sp2雜化()【答案】×【解析】NH3分子為三角錐形，N原子發(fā)生sp3雜化，錯誤。7．只要分子構(gòu)型為平面三角形，中心原子均為sp2雜化()【答案】√【解析】只要分子構(gòu)型為平面三角形，中心原子均為sp2雜化，正確。8．中心原子是sp雜化的，其分子構(gòu)型不一定為直線形()【答案】×【解析】中心原子是sp雜化的，其分子構(gòu)型一定為直線形，錯誤。9．PCl3分子是三角錐形，這是因為P原子是以sp2雜化的結(jié)果()【答案】×【解析】PCl3分子是三角錐形，這是因為P原子是以sp3雜化的結(jié)果且沒有孤電子對，錯誤。10．sp3雜化軌道是由任意的1個s軌道和3個p軌道混合形成的四個sp3雜化軌道()【答案】×【解析】sp3雜化軌道是由中心原子的1個s軌道和3個p軌道混合形成的四個sp3雜化軌道，錯誤。11．凡中心原子采取sp3雜化的分子，其VSEPR模型都是(正)四面體()【答案】√【解析】凡中心原子采取sp3雜化的分子，其VSEPR模型都是(正)四面體，正確。12．分子中中心原子通過sp3雜化軌道成鍵時，該分子不一定為正四面體結(jié)構(gòu)()【答案】√【解析】分子中中心原子通過sp3雜化軌道成鍵時，該分子正四面體結(jié)構(gòu)或三角錐形或折線形，正確。13．雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對()【答案】√【解析】雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對，正確。14．NH3和CH4兩個分子中中心原子N和C都是通過sp3雜化軌道成鍵()【答案】√【解析】NH3和CH4兩個分子中中心原子N和C都是通過sp3雜化軌道成鍵，正確。15．分子中中心原子通過sp3雜化軌道成鍵時，該分子不一定為正四面體結(jié)構(gòu)()【答案】√【解析】中心原子采取sp3雜化軌道成鍵的分子可能是正四面體形(如CH4)、三角錐形(如NH3)或者V形(如H2O)。16．雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對()【答案】√【解析】π鍵是由未參與雜化的軌道“肩并肩”重疊形成的，雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納孤電子對。17．NH3和CH4兩個分子中中心原子N和C都是通過sp3雜化軌道成鍵()【答案】√【解析】正四面體形的CH4和三角錐形的NH3中，中心原子C和N都是通過sp3雜化軌道成鍵。18．中心原子采取sp3雜化軌道成鍵的分子，其空間結(jié)構(gòu)都是四面體形()【答案】×【解析】中心原子采取sp3雜化的分子，VSEPR模型是四面體形，但其空間結(jié)構(gòu)不一定是四面體形，如：水和氨氣分子中中心原子均采取sp3雜化，但H2O是V形分子，NH3是三角錐形分子。19．CH4中的sp3雜化軌道是由4個H原子的1s軌道和C原子的2p軌道混雜而形成的()【答案】×【解析】CH4中sp3雜化軌道是由中心碳原子的能量相近的2s軌道和3個2p軌道雜化形成的。20．sp3雜化軌道是由同一個原子中能量相近的s軌道和p軌道混雜形成的一組能量相同的新軌道()【答案】√【解析】同一個原子中能量相近的s軌道和p軌道混雜可形成一組能量相同的新軌道。21．凡AB3型的共價化合物，其中心原子A均采取sp3雜化軌道成鍵()【答案】×【解析】BF3中B原子的價層電子對數(shù)為3，雜化軌道類型為sp2。22．SO2中硫原子采取sp2雜化，則CO2中碳原子也采取sp2雜化()【答案】×【解析】一個二氧化碳分子中含有2個σ鍵且中心原子不含孤電子對，所以碳原子采取sp雜化而不是sp2雜化。23．AlCl3中Al原子是sp2雜化，則Al2Cl6中Al原子也是sp2雜化()【答案】×【解析】AlCl3中Al原子是sp2雜化；Al2Cl6為締合雙分子，Al原子形成4個共價鍵，是sp3雜化。24．丙烯腈分子中，碳原子的雜化方式有sp3、sp2()【答案】×【解析】碳碳雙鍵中碳原子雜化類型為sp2，碳氮叁鍵中碳原子雜化類型為sp。25．中硼原子的雜化類型與苯中碳原子的雜化類型相同【答案】√【解析】BF3中中心B原子上沒有孤電子對、價層電子對數(shù)為0+3=3，屬于sp2雜化；苯分子中碳上無有孤電子對，價層電子對數(shù)為0+3=3，屬于sp2雜化。26．H2O和PO43-中心原子均為sp3雜化，前者空間結(jié)構(gòu)為形，后者為正四面體形()【答案】√【解析】H2O的中心原子價層電子對數(shù)為2+(6-21)=4，采取sp3雜化，有2對孤對電子，空間結(jié)構(gòu)為V形，PO43-的中心原子價層電子對數(shù)為4+(5+3-24)=4，采取sp3雜化，無孤對電子，空間結(jié)構(gòu)為正四面體形。考點一雜化軌道理論【例1】下列分子中的中心原子雜化軌道的類型相同的是()A．CO2和SO2B．CH4與NH3C．BeCl2與BF3D．C2H4與C2H2(C2H2的結(jié)構(gòu)簡式為CH≡CH)【答案】B【解析】CO2分子中，C原子為sp雜化，SO2分子中的S原子為sp2雜化；CH4分子中C原子為sp3雜化，NH3分子中N原子也為sp3雜化；BeCl2分子中Be原子為sp雜化，BF3分子中B原子為sp2雜化；C2H2分子中C原子為sp雜化，而C2H4分子中C原子為sp2雜化。【例2】對乙烯分子中的化學鍵分析正確的是()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．C、H之間是sp2雜化軌道形成的σ鍵，C、C之間是未能參加雜化的2p軌道形成的π鍵D．C、C之間是sp2雜化軌道形成的σ鍵，C、H之間是未能參加雜化的2p軌道形成的π鍵【答案】A【解析】乙烯分子中存在4個C—H鍵和1個C=C鍵，C原子上孤電子對數(shù)為0，σ鍵電子對數(shù)為3，則C原子采取sp2雜化，C、H之間是sp2雜化軌道形成的σ鍵，C、C之間有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?！窘忸}技法】雜化軌道只用于形成σ鍵(以sp3雜化形成的都是σ鍵)或用來容納孤電子對，如乙烯和二氧化碳中碳原子分別采取sp2、sp雜化，則雜化過程中還有未參與雜化的p軌道，可用于形成π鍵。對雜化過程的理解：雜化軌道類型的判斷技巧：利用中心原子的孤電子對數(shù)與相連的其他原子個數(shù)之和判斷。若之和為2，則中心原子為sp雜化；若之和為3，則中心原子為sp2雜化；若之和為4，則中心原子為sp3雜化。例如：NH3中N原子有1對孤電子對，另外與3個氫原子成鍵，所以之和為1＋3＝4，為sp3雜化，理論構(gòu)型為正四面體形，由于N原子有1對孤電子對，實際構(gòu)型為三角錐形。再如CO2中C原子沒有孤電子對，與2個氧原子成鍵，所以和為0＋2＝2，為sp雜化?！緦c訓練1】1．下列有關(guān)雜化軌道的說法不正確的是()A．原子中能量相近的某些軌道，在成鍵時，能重新組合成能量相等的新軌道B．軌道數(shù)目雜化前后可以相等，也可以不等C．雜化軌道成鍵時，要滿足原子軌道最大重疊原理、能量最低原則D．CH4分子中兩個sp3雜化軌道的夾角為109.5°【答案】B【解析】軌道數(shù)目雜化前后一定相等。2．在中，中間的碳原子和兩邊的碳原子分別采用的雜化方式是()A．sp2sp2B．sp3sp3C．sp2sp3 D．sp1sp3【答案】C【解析】中碳原子形成了3個σ鍵，無未成鍵價電子對，需要形成3個雜化軌道，采用的雜化方式是sp2。兩邊的碳原子各自形成了4個σ鍵，無未成鍵電子對，需要形成4個雜化軌道，采用的是sp3雜化?？键c二雜化軌道理論與分子空間構(gòu)型的關(guān)系【例3】下表中各粒子對應的空間結(jié)構(gòu)及解釋均正確的是 ()選項粒子空間結(jié)構(gòu)解釋A氨基負離子(NH2直線形N原子采取sp雜化B二氧化硫(SO2)V形S原子采取sp3雜化C碳酸根離子(CO32-)三角錐形C原子采取sp3雜化D乙炔(C2H2)直線形C原子采取sp雜化且C原子的價電子均參與成鍵【答案】D【解析】NH2-中N原子采取sp3雜化，且孤電子對數(shù)為2，離子的空間結(jié)構(gòu)為V形，A項錯誤；SO2中S原子的價層電子對數(shù)=σ鍵個數(shù)+孤電子對數(shù)=2+12×(6-2×2)=3，雜化軌道數(shù)為3，采取sp2雜化，孤電子對數(shù)為1，分子的空間結(jié)構(gòu)為V形，B項錯誤；CO32-中C原子的價層電子對數(shù)=3+12×(4+2-3×2)=3，不含孤電子對，雜化軌道數(shù)為3，采取sp2雜化，離子空間結(jié)構(gòu)為平面三角形，C項錯誤；C2H2中C原子采取sp雜化，且C原子的價電子均參與成鍵，所以分子的空間結(jié)構(gòu)為直線形，【例4】下列分子中，雜化類型相同，空間結(jié)構(gòu)也相同的是()A．BeCl2、CO2 B．H2O、NH3 C．NH3、HCHO D．H2O、SO2【答案】A【解析】A項，氯化鈹分子中鈹原子的價層電子對數(shù)2、孤對電子對數(shù)為0，鈹原子的雜化方式為sp雜化，分子的空間結(jié)構(gòu)為直線形，二氧化碳分子中碳原子的價層電子對數(shù)2、孤對電子對數(shù)為0，碳原子的雜化方式為sp雜化，分子的空間結(jié)構(gòu)為直線形，則兩者的雜化類型相同，空間結(jié)構(gòu)也相同，故A正確；B項，水分子中氧原子的價層電子對數(shù)4、孤對電子對數(shù)為2，分子的空間結(jié)構(gòu)為V形，氨分子中氮原子的價層電子對數(shù)4、孤對電子對數(shù)為1，分子的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形，兩者的空間結(jié)構(gòu)比同，故B錯誤；C項，氨分子中氮原子的價層電子對數(shù)4，氮原子的雜化方式為sp3雜化，甲醛分子中雙鍵碳原子的雜化方式為sp2雜化，兩者的雜化方式不同，故C錯誤；D項，水分子中氧原子的價層電子對數(shù)4，氧原子的雜化方式為sp3雜化，二氧化硫分子中硫原子的雜化方式為sp2雜化，兩者的雜化方式不同，故D錯誤；故選A?！窘忸}技法】【對點訓練2】3．下表中各粒子對應的空間結(jié)構(gòu)及雜化方式均正確的是 ()選項粒子空間結(jié)構(gòu)雜化方式ASO3平面三角形S原子采取sp雜化BSO2V形S原子采取sp3雜化CCO32-三角錐形C原子采取sp2雜化DC2H2直線形C原子采取sp雜化【答案】D【解析】A項，SO3分子中硫原子的價層電子對數(shù)=3+12×(6-3×2)=3，不含孤電子對，采取sp2雜化，空間結(jié)構(gòu)為平面三角形，錯誤；B項，SO2分子中硫原子的價層電子對數(shù)=2+12×(6-2×2)=3，含1個孤電子對，采取sp2雜化，空間結(jié)構(gòu)為V形，錯誤；C項，CO32-中碳原子價層電子對數(shù)=3+12×(4+2-3×2)=3，不含孤電子對，采取sp2雜化，空間結(jié)構(gòu)為平面三角形，錯誤；D項，乙炔(CH≡CH)分子中每個碳原子均形成2個σ鍵和2個π鍵，價層電子對數(shù)是2，為sp雜化，4．下列粒子空間構(gòu)型和中心原子雜化方式都正確的是()A．CH2Cl2、正四面體、sp3 B．H2O、V形、sp2C．BCl3、平面三角形、sp2 D．、三角錐形、sp3【答案】C【解析】A項，CH2Cl2中心原子C與H和Cl形成4個共價鍵，采取sp3，分子構(gòu)型為四面體、，故A錯誤；B項，H2O中心原子的價層電子對為4，有兩對孤電子對，采取sp3，分子構(gòu)型為V形，故B錯誤；C項，BCl3中心原子的價層電子對為3，采取sp2，分子構(gòu)型為平面三角形，故C正確；D項，NH4+中心原子的價層電子對為4，采取sp3，分子構(gòu)型為正四面體形，故D錯誤；故選C。1．下列有關(guān)sp2雜化軌道的說法錯誤的是()A．由同一能層上的s軌道與p軌道雜化而成B．共有3個能量相同的雜化軌道C．每個sp2雜化軌道中s能級成分占三分之一D．sp2雜化軌道最多可形成2個σ鍵【答案】D【解析】同一能層上s軌道與p軌道的能量差異不是很大，相互雜化的軌道的能量差異也不能過大，A項正確；同種類型的雜化軌道能量相同，B項正確；sp2雜化軌道是由一個s軌道與2個p軌道雜化而成的，C項正確；sp2雜化軌道最多可形成3個σ鍵，D項錯誤。2．在BrCHCHBr分子中，C—Br鍵采用的成鍵軌道是()A．sp－pB．sp2－sC．sp2－p D．sp3－p【答案】C【解析】分子中的兩個碳原子都采取sp2雜化，溴原子的價電子排布式為4s24p5，4p軌道上有一個單電子，與碳原子的一個sp2雜化軌道成鍵。3．下列分子的立體構(gòu)型可用sp2雜化軌道來解釋的是()①BF3②CH2CH2③④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A．①②③ B．①⑤⑥C．②③④ D．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鍵夾角為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。4．乙炔分子中的碳原子采取的雜化方式是()A．sp1雜化B．sp2雜化C．sp3雜化 D．無法確定【答案】A【解析】乙炔的結(jié)構(gòu)式為H—C≡C—H，其空間構(gòu)型為直線形，屬于sp1雜化。5．下列分子中的中心原子雜化軌道的類型相同的是()A．CS2與C6H6B．CH4與NH3C．BeCl2與BF3 D．C2H2與C2H4【答案】B【解析】A項，CS2分子中，C原子采用sp1雜化，C6H6分子中，C原子采用sp2雜化；B項，CH4和NH3分子中C、N原子均采用sp3雜化；C項，BeCl2分子中Be原子為sp1雜化，BF3分子中B原子為sp2雜化；D項，C2H2分子中C原子為sp1雜化，C2H4分子中C原子為sp2雜化。6．根據(jù)價電子對互斥理論及雜化軌道理論判斷NF3分子的空間構(gòu)型和中心原子的雜化方式為()A．直線形，sp1雜化 B．三角形，sp2雜化C．三角錐形，sp2雜化 D．三角錐形，sp3雜化【答案】D【解析】在NF3分子中N原子價電子對數(shù)為1/2×(5＋3×1)＝4，孤對電子數(shù)4－3＝1，與其相連的原子數(shù)為3，根據(jù)理論可推知中心原子的雜化方式為sp3雜化，空間構(gòu)型為三角錐形。7．氨氣分子的空間結(jié)構(gòu)是三角錐形，而甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，這是因為 ()A．兩種分子的中心原子的雜化軌道類型不同，NH3中N原子為sp2雜化，而CH4中C原子是sp3雜化B．NH3分子中氮原子形成3個雜化軌道，CH4分子中碳原子形成4個雜化軌道C．NH3分子中中心原子上有一對未成鍵的孤電子對，它對成鍵電子對的排斥作用較強D．氨氣是四原子化合物，甲烷為五原子化合物【答案】C【解析】A項，NH3和CH4中的中心原子都是sp3雜化，都形成夾角為109°28'的四個雜化軌道，只是NH3分子中N原子利用其中3個sp3雜化軌道與3個H原子的1s軌道成鍵，另一個sp3雜化軌道被孤電子對占據(jù)，所以NH3分子為三角錐形，而CH4分子中4個sp3雜化軌道全部用于形成4個C—H鍵，所以CH4分子為正四面體形。8．CHeq\o\al(＋,3)、—CH3、CHeq\o\al(－,3)都是重要的有機反應中間體，有關(guān)它們的說法正確的是()A．它們互為等電子體，碳原子均采取sp2雜化B．CHeq\o\al(－,3)與NH3、H3O＋互為等電子體，中心原子均為sp3雜化，幾何構(gòu)型均為正四面體形C．CHeq\o\al(＋,3)中的碳原子采取sp2雜化，所有原子共平面D．CHeq\o\al(＋,3)中的碳原子采取sp3雜化，所有原子均共面【答案】C【解析】CHeq\o\al(＋,3)、—CH3、CHeq\o\al(－,3)中原子個數(shù)相等但價電子總數(shù)不等，不互為等電子體，A項錯誤。CHeq\o\al(－,3)與NH3、H3O＋中原子個數(shù)相等、價電子總數(shù)相等，互為等電子體，CHeq\o\al(－,3)中碳原子價層電子對數(shù)是4且孤電子對數(shù)為1，NH3中氮原子價層電子對數(shù)是4且孤電子對數(shù)為1、H3O＋中氧原子價層電子對數(shù)是4且孤電子對數(shù)為1，三者中心原子都為sp3雜化，幾何構(gòu)型都為三角錐形，B項錯誤。CHeq\o\al(＋,3)中碳原子價層電子對數(shù)是3且不含孤電子對，所以碳原子采取sp2雜化，為平面三角形，所有原子共平面，C項正確，D項錯誤。9．下列說法正確的是()A．某化合物M的結(jié)構(gòu)式如圖，則碳、氮原子的雜化方式相同B．上述化合物M中，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)C．I3+的立體構(gòu)型為V形，中心原子的雜化方式為sp3D．S8分子中S原子的采取的