分子立体结构第2课时人教版高中化学选修三导学笔记.docx
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分子立体结构第2课时人教版高中化学选修三导学笔记
第2课时 杂化轨道理论
[学习目标定位] 知道杂化轨道理论的基本内容，能根据杂化轨道理论确定简单分子的立体构型。
一、杂化轨道理论
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2s轨道和三个2p轨道发生混杂，形成四个能量相等的sp3杂化轨道。
四个sp3杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子，所以四个C—H键是等同的。
碳原子的sp3杂化可表示如下：
2.轨道杂化与杂化轨道
3.杂化轨道类型及其立体构型
（1）sp杂化
①sp杂化：
sp杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道杂化而得。
sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如BeCl2分子。
②sp杂化后，未参与杂化的两个np轨道可以用于形成π键，如乙炔分子中的C≡C键的形成。
（2）sp2杂化
①sp2杂化：
sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道杂化而得。
sp2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形，如BF3分子。
②sp2杂化后，未参与杂化的一个np轨道可以用于形成π键，如乙烯分子中的C==C键的形成。
（3）sp3杂化
①sp3杂化：
sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个np轨道杂化而得。
sp3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间正四面体形（如CH4、CF4、CCl4）。
②sp3杂化后，所有的np轨道都形成σ键，不能形成π键。
（1）原子轨道的杂化过程
（2）杂化类型与分子的立体构型
中心原子（A）的杂化类型
参与杂化的轨道
生成杂化轨道数
成键
电子
对数
A原子的孤电子对数
分子的
立体构型
实例
分子式
结构式
sp
1个s
1个p
2
2
0
直线形
BeCl2
Cl—Be—Cl
sp2
1个s
2个p
3
3
0
平面三
角形
BF3
2
1
V形
SO2
sp3
1个s
3个p
4
4
0
正四面
体形
CH4
3
1
三角
锥形
NH3
2
2
V形
H2O
例1
下列关于杂化轨道的说法错误的是（ ）
A.并不是所有的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，有利于牢固成键
D.杂化轨道中一定有电子
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 D
解析 参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p的能量相差太大，不能形成杂化轨道，即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A、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，可使电子云的重叠程度更大，形成牢固的化学键，故C项正确；并不是所有的杂化轨道中都会有电子，也可以是空轨道，也可以有一对孤电子对（如NH3、H2O的形成），故D项错误。
例2
有关杂化轨道的说法不正确的是（ ）
A.杂化前后的轨道数不变，但轨道的形状发生了改变
B.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释
D.杂化轨道全部参与形成化学键
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 D
解析 杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对。
二、杂化类型及分子构型的判断
1.杂化轨道的用途及其类型的判断
（1）用途：
杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键。
（2）判断方法：
杂化轨道数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数，再由杂化轨道数判断杂化类型。
2.杂化轨道的立体构型与微粒的立体构型
VSEPR模型和杂化轨道的立体构型是一致的，略去VSEPR模型中的孤电子对，就是分子（或离子）的立体构型。
代表物
项目
CO2
CH2O
CH4
SO2
NH3
H2O
价层电子对数
2
3
4
3
4
4
杂化轨道数
2
3
4
3
4
4
杂化类型
sp
sp2
sp3
sp2
sp3
sp3
杂化轨道
立体构型
直线形
平面三角形
正四面体形
平面
三角形
四面体形
四面
体形
VSEPR模型
直线形
平面
三角形
正四
面体形
平面
三角形
四面
体形
四面
体形
分子构型
直线形
平面三角形
正四面体形
V形
三角锥形
V形
杂化类型的判断方法
（1）利用价层电子对互斥理论、杂化轨道理论判断分子构型的思路：
价层电子对
杂化轨道数
杂化类型
杂化轨道构型。
（2）根据杂化轨道之间的夹角判断：
若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化；若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。
（3）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。
例3
（2018·深州中学期中）下列分子中中心原子的杂化方式和分子的立体构型均正确的是（ ）
A.C2H2：
sp2、直线形B.SO
：
sp3、三角锥形
C.H3O＋：
sp3、V形D.BF3：
sp2、平面三角形
【考点】分子立体构型的综合
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案 D
解析 乙炔的结构式为H—C≡C—H，每个碳原子价层电子对个数是2且不含孤电子对，所以C原子采用sp杂化，为直线形结构；SO
中，价层电子对数＝4，孤电子对数为0，采取sp3杂化，为正四面体形；H3O＋离子中价层电子对＝3＋1＝4，所以中心原子原子轨道为sp3杂化，该离子中含有一个孤电子对，所以其立体构型为三角锥形；BF3分子中硼原子价层电子对数＝3＋0＝3，杂化轨道数为3，孤电子对数为0，所以其立体构型为平面三角形。
例4
计算下列各微粒中心原子的杂化轨道数，判断中心原子的杂化轨道类型，写出VSEPR模型名称。
（1）CS2__________、__________、__________。
（2）NH
__________、__________、__________。
（3）H2O__________、__________、__________。
（4）PCl3__________、__________、__________。
（5）BCl3__________、__________、__________。
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案
（1）2 sp 直线形
（2）4 sp3 正四面体形 （3）4 sp3 四面体形 （4）4 sp3 四面体形 （5）3 sp2 平面三角形
杂化轨道类型
VSEPR模型
典型分子
立体构型
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
1.能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为（ ）
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 D
解析 碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子4个价电子分占在4个sp3杂化轨道上，且自旋状态相同。
2.（2018·石室佳兴外国语学校月考）有关乙炔分子中的化学键描述不正确的是（ ）
A.两个碳原子采用sp杂化方式
B.两个碳原子采用sp2杂化方式
C.每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道形成π键
D.两个碳原子形成两个π键
【考点】分子立体构型的综合
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案 B
解析 乙炔中每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对，所以碳原子采用sp杂化，A正确，B错误；每个碳原子中两个未杂化的2p轨道肩并肩重叠形成π键，C正确；两个碳原子之间形成1个σ键2个π键，D正确。
3.原子轨道的杂化不但出现在分子中，原子团中同样存在原子轨道的杂化。
在SO
中S原子的杂化方式为（ ）
A.spB.sp2
C.sp3D.无法判断
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】微粒中心原子杂化类型的判断
答案 C
解析 在SO
中S原子的孤电子对数为0，与其相连的原子数为4，所以根据杂化轨道理论可推知中心原子S的杂化方式为sp3杂化，立体构型为正四面体形，类似于CH4。
4.在SO2分子中，分子的立体构型为V形，S原子采用sp2杂化，那么SO2的键角（ ）
A.等于120°B.大于120°
C.小于120°D.等于180°
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论解释微粒的立体构型
答案 C
解析 由于SO2分子的VSEPR模型为平面三角形，从理论上讲其键角应为120°，但是由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对，对其他的两个化学键存在排斥作用，因此分子中的键角要小于120°。
5.下列关于原子轨道的说法正确的是（ ）
A.杂化轨道形成共价键时，只能形成σ键不能形成π键
B.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
C.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其立体构型都是正四面体形
D.CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合起来而形成的
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 A
解析 中心原子采取sp3杂化，轨道形状是正四面体，但如果中心原子还有孤电子对，分子的立体构型则不是正四面体；CH4分子中的sp3杂化轨道是C原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的；AB3型的共价化合物，A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。
6.ClO－、ClO
、ClO
、ClO
中，中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键，则ClO－的立体构型是___________；ClO
的立体构型是________；ClO
的立体构型是___________；ClO
的立体构型是______________。
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断空间构型
答案 直线形 V形 三角锥形 正四面体形
解析 ClO－的组成决定其立体构型为直线形。
其他3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化，那么从离子的组成上看其立体构型依次类似于H2O、NH3、CH4（或NH
）。
[对点训练]
题组一 原子轨道杂化与杂化轨道
1.下列关于杂化轨道的叙述正确的是（ ）
A.杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成π键
B.杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对
C.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个p轨道与H原子的1个s轨道杂化而成的
D.在乙烯分子中1个碳原子的3个sp2杂化轨道与3个氢原子的s轨道重叠形成3个C—Hσ键
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 B
解析 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，不能用来形成π键，故B正确，A不正确；NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的1个s轨道和3个p轨道杂化而成的，C不正确；在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道与2个氢原子的s轨道重叠形成2个C—Hσ键，剩下的1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成1个C—Cσ键，D不正确。
2.甲烷分子（CH4）失去一个H＋，形成甲基阴离子（CH
），在这个过程中，下列描述不合理的是（ ）
A.碳原子的杂化类型发生了改变
B.微粒的形状发生了改变
C.微粒的稳定性发生了改变
D.微粒中的键角发生了改变
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 A
解析 CH4为正四面体结构，而CH
为三角锥形结构，形状、键角、稳定性均发生改变，但杂化类型不变，仍是sp3杂化。
3.下列关于价层电子对互斥理论及杂化轨道理论的叙述不正确的是（ ）
A.价层电子对互斥理论将分子分成两类：
中心原子有孤电子对的和无孤电子对的
B.价层电子对互斥理论既适用于单质分子，也适用于化合物分子
C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化形成的一组能量相近的新轨道
D.AB2型共价化合物的中心原子A采取的杂化方式可能不同
【考点】杂化轨道理论
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 B
解析 在VSEPR理论中，将分子分成了含孤电子对与不含孤电子对两种情况，显然分子的VSEPR模型与立体构型可能相同（不含孤电子对的情况下），也可能不同（含孤电子对的情况下），A项正确；VSEPR模型的研究对象仅限于化合物分子，不适用于单质分子，B项错误；AB2型共价化合物由于其中心原子具有的孤电子对数和σ键电子对数可能不同，则其采取的杂化方式也可能不同，D项正确。
题组二 杂化轨道类型及其判断
4.在BrCH==CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是（ ）
A.sp-pB.sp2-s C.sp2-pD.sp3-p
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】关于杂化轨道理论的理解
答案 C
解析 分子中的两个碳原子都是采取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。
5.BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成BF
，则BF3和BF
中B原子的杂化轨道类型分别是（ ）
A.sp2、sp2B.sp3、sp3
C.sp2、sp3D.sp、sp2
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】微粒中心原子杂化类型的判断
答案 C
解析 BF3中B原子的价层电子对数为3，所以为sp2杂化，BF
中B原子的价层电子对数为4，所以为sp3杂化。
6.下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是（ ）
A.乙醛[
]
B.丙烯腈[
]
C.甲醛[
]
D.丙炔[
]
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】微粒中心原子杂化类型的判断
答案 A
解析 乙醛中甲基的碳原子采取sp3杂化，醛基中的碳原子采取sp2杂化；丙烯腈中碳碳双键的两个碳原子均采取sp2杂化，另一个碳原子采取sp杂化；甲醛中碳原子采取sp2杂化；丙炔中甲基的碳原子采取sp3杂化，碳碳三键中两个碳原子均采取sp杂化。
7.（2017·曹妃甸一中期末）下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是（ ）
A.SO3与SO2B.BF3与NH3
C.BeCl2与SCl2D.H2O与SO2
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】微粒中心原子杂化类型的判断
答案 A
解析 SO3中S原子杂化轨道数为3，采取sp2杂化方式，SO2中S原子杂化轨道数为3，采取sp2杂化方式，A正确；BF3中B原子杂化轨道数为3，采取sp2杂化方式，NH3中N原子杂化轨道数为4，采取sp3杂化方式，B错误；BeCl2中Be原子杂化轨道数为2，采取sp杂化方式，SCl2中S原子杂化轨道数为4，采取sp3杂化方式，C错误。
题组三 杂化轨道类型与分子构型
8.（2017·曹妃甸一中期末）已知Zn2＋的4s和4p轨道可以形成sp3型杂化轨道，那么[ZnCl4]2－的立体构型为（ ）
A.直线形B.平面正方形
C.正四面体D.正八面体
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断立体构型
答案 C
9.下列物质，中心原子的“杂化方式”及“分子立体构型”与CH2O（甲醛）相同的是（ ）
A.PCl3B.NH3C.CH2Br2D.BF3
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案 D
解析 HCHO中C原子形成2个C—H键、1个C==O双键，C原子的价层电子对数＝3＋
＝3，且不含孤电子对，采取sp2杂化，分子立体构型为平面三角形。
PCl3分子中P原子价层电子对数是4，且含有1个孤电子对，故P原子采取sp3杂化，为三角锥形结构，A错误；NH3分子中N原子价层电子对数是4，且含有一个孤电子对，中心原子采取sp3杂化，分子立体构型为三角锥形，B错误；CH2Br2分子中的C原子价层电子对数是4，没有孤电子对，则C原子采取sp3杂化，分子立体构型为四面体形，C错误；BF3分子中B原子价层电子对数是3，且不含孤电子对，B原子采取sp2杂化，分子立体构型是平面三角形，D正确。
10.下列微粒中中心原子的杂化方式和微粒的立体构型均正确的是（ ）
A.C2H4：
sp、平面形
B.SO
：
sp3、三角锥形
C.ClO
：
sp2、V形
D.NO
：
sp2、平面三角形
【考点】分子立体构型的综合
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案 D
解析 乙烯的结构式为
，每个碳原子价层电子对个数是3且不含孤电子对，所以C原子采用sp2杂化，为平面形结构；SO
中，中心原子的价层电子对数为4，孤电子对数为0，采取sp3杂化，为正四面体形；ClO
离子中价层电子对数＝2＋2＝4，所以中心原子原子轨道为sp3杂化，该离子中含有两个孤电子对，所以其立体构型为V形；NO
中价层电子对数＝3＋0＝3，杂化轨道数为3，孤电子对数为0，所以其立体构型为平面三角形。
题组四 杂化轨道理论与分子立体构型的综合考查
11.下列关于NH
、NH3、NH
三种微粒的说法不正确的是（ ）
A.三种微粒所含有的电子数相等
B.三种微粒中氮原子的杂化方式相同
C.三种微粒的立体构型相同
D.键角大小关系：
NH
>NH3>NH
【考点】分子立体构型的综合考查
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案 C
解析 NH
、NH3、NH
含有的电子数均为10，A正确；NH
、NH3、NH
三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化，B正确；NH
立体构型为正四面体形，NH3为三角锥形，NH
为V形，C错误；NH
、NH3、NH
三种微粒的键角大小关系为NH
>NH3>NH
，D正确。
12.下列说法正确的是（ ）
A.CH2Cl2分子的立体构型为正四面体形
B.H2O分子中氧原子的杂化轨道类型为sp2，分子的立体构型为V形
C.CO2分子中碳原子的杂化轨道类型为sp，分子的立体构型为直线形
D.SO
的立体构型为平面三角形
【考点】分子立体构型的综合
【题点】分子立体构型的综合考查
答案 C
解析 CH4中4个共价键完全相同，为正四面体形，CH2Cl2分子的4个共价键不完全相同，所以分子的立体构型不是正四面体形，A错误；H2O分子中O原子的价层电子对数＝2＋
×（6－1×2）＝4，为sp3杂化，含有2个孤电子对，分子的立体构型为V形，B错误；CO2中C原子的价层电子对数＝2＋
×（4－2×2）＝2，为sp杂化，分子的立体构型为直线形，C正确；SO
中S原子的价层电子对数＝3＋
×（6＋2－3×2）＝4，为sp3杂化，含1对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，D错误。
[综合强化]
13.如图是甲醛分子的模型，根据该图和所学化学知识回答下列问题：
（1）甲醛分子中碳原子的杂化方式是_______，作出该判断的主要理由是____________。
（2）下列是对甲醛分子中碳氧键的判断，其中正确的是__________（填序号）。
①单键 ②双键 ③σ键 ④π键 ⑤σ键和π键
（3）甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角________（填“＝”“>”或“<”）120°，出现该现象的主要原因是__________________________________________________________。
答案
（1）sp2杂化 甲醛分子的立体构型为平面三角形
（2）②⑤ （3）< 碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强
解析
（1）原子的杂化轨道类型不同，分子的立体构型也不同。
由图可知，甲醛分子为平面三角形，所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。
（2）醛类分子中都含有C==O键，所以甲醛分子中的碳氧键是双键。
一般来说，双键是σ键和π键的组合。
（3）由于碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强，所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°。
14.磷与氯气在一定条件下反应，可以生成PCl3、PCl5。
（1）写出磷原子的电子排布式：
________________________________________________。
（2）PCl3分子中磷原子采用的杂化方式是_________，分子的立体构型为_____________。
（3）磷原子在形成PCl5分子时，除最外层s、p轨道参与杂化外，其3d轨道也有1个参加了杂化，称为sp3d杂化。
成键电子对数与孤电子对数总和为5的原子常采用sp3d杂化。
PCl5分子中5个杂化轨道分别与氯原子配对成键，PCl5的立体构型为三角双锥形（如下图所示）。
下列关于PCl5分子的说法正确的有_______________________________________________。
A.PCl5分子中磷原子没有孤对电子
B.PCl5分子中没有形成π键
C.PCl5分子中所有的Cl—P—Cl键角都相等
D.SF4分子中S原子也采用sp3d杂化
（4）N、P是同一族元素，P能形成PCl3、PCl5两种氯化物，而N只能形成一种氯化物NCl3，而不能形成NCl5，原因是___________________________________________________。
【考点】分子立体构型的综合
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案
（1）1s22s22p63s23p3
（2）sp3杂化 三角锥形 （3）ABD （4）N原子最外层无d轨道，不能发生sp3d杂化，故无NCl5
15.
（1）（2017·湖北荆、襄、宜等地七校高三联考）蓝矾（CuSO4·5H2O）的结构如图所示：
SO
的立体构型是________，其中S原子的杂化轨道类型是________；基态O原子的价电子排布图为________________。
（2）（2017·山西大学附中高三诊断）气态SO3分子的立体构型为________；与其互为等电子体的阴离子为________（举一例）；将纯液态SO3冷却到289.8K时凝固得到一种螺旋状单链结构的固体，其结构如图，此固态SO3中S原子的杂化轨道类型是________________。
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断立体构型
答案
（1）正四面体形 sp3杂化
（2）平面三角形 NO
（或CO
等） sp3杂化
解析
（1）SO
中S有4个σ键，孤电子对数是
＝0，因此价层电子对数为4，立体构型是正四面体形，杂化轨道数＝价层电子对数＝4，即杂化类型为sp3杂化；基态O原子的价电子排布式为2s22p4，故价电子排布图是
。
（2）SO3中价层电子对数为3，没有孤电子对，立体构型为平面三角形；价电子数和原子数都相等的微粒互为等电子体，则与SO3互为等电子体的阴离子为NO
、CO
等；图中固态SO3中S原子形成4个共价单键，其杂化轨道类型是sp3杂化。
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