第2章第2节第2课时杂化轨道理论（讲义）2020-2021学年人教版(2019)高二化学选择性必修二（机构用）

第二章分子结构与性质第二节分子的空间结构第2课时杂化轨道理论学习导航1.通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。教学过程一、杂化轨道理论简介1．杂化轨道的含义在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。2．杂化轨道理论要点(1)原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。(2)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。(3)杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图，成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。(4)为使相互间的排斥最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同，但形状完全相同。【归纳总结】杂化轨道理论四要点(1)能量相近原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。(2)数目不变形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。(3)成键能力增强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)排斥力最小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。二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系1．杂化轨道的类型(1)sp3杂化轨道——正四面体形sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有eq\f(1,4)s和eq\f(3,4)p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。如下图所示。(2)sp2杂化轨道——平面三角形sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有eq\f(1,3)s和eq\f(2,3)p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如下图所示。(3)sp杂化——直线形sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有eq\f(1,2)s和eq\f(1,2)p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如下图所示。2．杂化轨道类型与分子空间结构的关系(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。杂化类型spsp2sp3轨道夹角180°120°109°28′杂化轨道示意图实例BeCl2BF3CH4分子结构示意图分子空间结构直线形平面三角形正四面体形(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。ABn型分子中心原子杂化类型中心原子孤电子对数空间结构实例AB2sp21V形SO2AB3sp31三角锥形NH3、PCl3、NF3、H3O＋AB2或(B2A)2V形H2S、NHeq\o\al(－,2)【归纳总结】判断中心原子杂化轨道类型的三种方法(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。杂化轨道数目234杂化类型spsp2sp3(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。课时训练1．下列对共价键的有关叙述中正确的是A．成键原子只能是非金属原子 B．杂化轨道不一定全部参与形成化学键C．σ键和π键均可以绕键轴旋转 D．键长等于成键两原子的半径之和2．提出“杂化轨道理论”的科学家是A．门捷列夫 B．普鲁特 C．玻尔 D．鲍林3．把下列液体分别装在酸式滴定管中，并使其以细流流下，当用带电的玻璃棒接近液体细流时，细流流向可能发生偏转的是A．CCl4 B．CO2 C．CS2 D．H2O4．已知HF沸点为19.5℃，BF3沸点为100℃，HF+BF3=HBF4，下列有关说法错误的是A．HBF4中B原子为sp3杂化B．BF3和HBF4分子中B最外层均为8e稳定结构C．HBF4中存在配位键D．HF沸点高于BF3沸点的原因可能为HF分子之间存在氢键5．二茂铁在工业、医药、航天等领域具有广泛应用，其结构如图所示，其中Fe(Ⅱ)处在两个环戊二烯负离子(C5H)平面之间。下列有关说法错误的是A．环戊二烯负离子中的π键可以表示为πB．二茂铁核磁共振氢谱中有三组峰C．二茂铁中碳原子的杂化方式只有sp2D．二茂铁中所有碳碳键键长均相等6．硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体，具有强氧化性，浓硝酸见光易分解。下列有关硝酸的说法正确的是A．NO的空间构型为三角锥形B．浓硝酸保存在棕色带橡胶塞的试剂瓶中C．用蘸有浓氨水的玻璃棒靠近浓硝酸有白烟产生D．常温下用铁制容器运输浓硝酸是因为铁与浓硝酸不反应7．X、Y、Z、W是原子序数依次增大的前四周期元素。基态X原子的2p轨道上有4个电子，X、Y同主族，Y、Z同周期，基态Z原子能量最高的能级上有1个未成对电子，基态W原子的3d能级上只有1对成对电子。下列说法正确的是A．气态氢化物的热稳定性：Y＞XB．Y2Z2分子中存在极性键和非极性键C．加热条件下，Z与W的单质化合生成WZ2D．的空间构型为平面三角形8．绿原酸的结构简式如图所示，下列有关绿原酸说法正确的是A．绿原酸分子存在顺反异构B．绿原酸分子中碳原子均为sp3杂化C．1mol绿原酸可消耗5molNaOHD．分子中含氧官能团为羟基、羧基和羰基9．有电极化特性、非磁绝缘性、光致发光性等多种优异性能。回答下类问题：(1)、、的键角由大到小的顺序为_______；C、N、O、F的第一电离能由大到小的顺序为_______。(2)碱金属离子镶入适合的冠醚空腔可形成特殊材料，两种冠醚结构如图所示。

①冠醚中O原子的杂化形式为_______；H、C、O的电负性由小到大的顺序为_______。②K+不能镶入甲中而易镶入乙中的原因为_______。10．H、C、N、O、S是重要的非金属元素，请按要求回答下列问题：(1)C元素的一种氢化物(分子中含有6个原子)是重要的化工原料，常把该氢化物的产量作为衡量石油化工发展水平的标志。有关该氢化物分子的说法正确的是___。(填序号)。a.该氢化物分子中C原子采用sp2杂化b.6个原子不在同一平面上c.只含有4个sp2—sσ键和1个p—pπ键d.属于含有极性键的非极性分子(2)相同条件下CO2与SO2分子在水中的溶解度较大的是__(写分子式)，理由是__。中的O—C—O键角___(填“>”“<”或“=”)中的O—S—O键角。(3)已知(CN)2是直线形分子，且有对称性，则(CN)2分子的结构式为___；其中π键与σ键的个数比为___。(4)配位化合物[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4中，的空间结构呈___；阳离子中存在的化学键类型有___；该化合物加热时首先失去的组分是__(写化学式)，判断理由是__。答案解析1．B【详解】A．金属和非金属之间也能形成共价键，A错误；B．杂化轨道不一定全部参与形成化学键，如氨气中的氮原子，B正确；C．π键不能旋转，C错误；D．键长指的是两个成键原子的平均核距离，D错误；故选B。2．D【详解】杂化轨道理论是1931年由鲍林等人在价键理论的基础上提出，答案选D。3．D【详解】A．CCl4中心原子碳原子价层电子对数为4，无孤对电子，采用sp3杂化，为正四面体形构型，属于非极性分子，故A不选；B．CO2中心原子碳原子价层电子对数为2，无孤对电子，采用sp杂化，为直线形构型，属于非极性分子，故B不选；C．CS2中心原子碳原子价层电子对数为2，无孤对电子，采用sp杂化，为直线形构型，属于非极性分子，故C不选；D．H2O中心原子氧原子价层电子对数为2，有2对孤对电子，采用sp3杂化，为V形构型，属于极性分子，故D应选；答案选D。4．B【详解】A．氟硼酸根离子中B原子没有孤电子对，杂化方式为sp3，故A正确；B．氟化硼是平面正三角形结构，B分别与三个F各共用1对电所有F达到8电子稳定结构，而B只有6个电子，未达到8电子稳定结构，故B错误；C．氟硼酸根离子有一个配位键，故C正确；D．HF中存在氢键，沸点比没有氢键的BF3高，故D正确；故选B。5．B【详解】A．环戊二烯负离子中C原子采取sp2杂化，形成五元环，5个C原子均参与形成大π键，每个C原子中未杂化的轨道中有一个电子参与形成大π键，整个离子带一个单位负电荷，所以形成大π键的电子数为5+1=6，π键可以表示为π，A正确；B．二茂铁中Fe2+处于中心位置，分子结构对称，只有一种环境的氢原子，二茂铁核磁共振氢谱中有一组峰，B错误；C．二茂铁中碳原子形成两个五元环，参考苯环的结构，可知每个五元环均为平面结构，均采取sp2杂化，C正确；D．二茂铁中碳原子形成两个五元环，参考苯环的结构，可知所有碳碳键键长均相等，D正确；综上所述答案为B。6．C【详解】A．硝酸根离子中氮原子的价层电子对数为3，孤对电子对数为0，则硝酸根离子的空间构型为平面三角形，故A错误；B．浓硝酸具有强氧化性，能腐蚀橡胶塞，则浓硝酸应保存在棕色带玻璃塞的试剂瓶中，故B错误；C．浓氨水和浓硝酸都具有挥发性，用蘸有浓氨水的玻璃棒靠近浓硝酸时，挥发出的氨气与硝酸蒸汽反应生成硝酸铵，会有白烟产生，故C正确；D．常温下用铁制容器运输浓硝酸是因为铁在浓硝酸中发生钝化，阻碍反应的进行，并非是铁与浓硝酸不反应，故D错误；故选C。7．B【详解】A．X为O元素，Y为S元素，二者属于同主族元素，从上而下，非金属性减弱，非金属性越强，气态氢化物的热稳定性越强，原子序数O＜S，非金属性O＞S，气态氢化物的热稳定性O＞S，故A错误；B．Y为S元素，Z为Cl元素，Y2Z2分子为S2Cl2，其结构式为ClSSCl，该分子中存在ClS极性键和SS非极性键，故B正确；C．Z为Cl元素，W为Fe元素，在加热条件下，Fe与Cl2发生反应生成FeCl3，即2Fe+3Cl22FeCl3，故C错误；D．X为O元素，Y为S元素，为，的价层电子对个数=3+=3+1=4，有1对孤电子对，S原子采取sp3杂化，其空间构型为三角锥形，故D错误；答案为B。8．A【详解】A．绿原酸分子存在和顺反异构，故A正确；B．绿原酸分子中碳原子为sp3、sp2杂化，故B错误；C．1mol绿原酸含有酚羟基2mol，含有羧基1mol，含有酯基1mol，可以和4mol氢氧化钠反应，故C错误；D．分子中含氧官能团为羟基、羧基和酯基，故D错误；选A。9．＞＞F＞N＞O＞Csp3H＜C＜OK+半径较大，因此K+不能镶入甲中而易镶入乙中【详解】(1)孤电子对孤电子对斥力＞孤电子对价电子斥力＞价电子价电子斥力，所以、、的键角由大到小的顺序为：＞＞；同一周期从左到右，第一电离能逐渐增大的，N是半充满结构，较稳定，第一电离能大于O，所以C、N、O、F的第一电离能由大到小的顺序为：F＞N＞O＞C；(2)①冠醚分子中O原子形成2个键，根据氧原子的最外层电子数可知O原子价层还有2个孤电子对，所以O原子的价层电子对数为4，为sp3杂化；同一周期从左到右，电负性逐渐增大，同一主族从上到下，电负性逐渐减小，所以电负性：H＜C＜O；②K+半径较大，因此K+不能镶入甲中而易镶入乙中。10．adSO2SO2为极性分子，CO2为非极性分子，H2O为极性溶剂，极性分子易溶于极性溶剂>N≡C—C≡N4：3四面体形共价键和配位键H2OH2O和Cu2+形成的配位键比NH3与Cu2+的弱【详解】（1）碳元素一种氢化物是的产量作为衡量石油化工发展水平的标志，该氢化物为C2H4，a．C原子呈1个C=C双键、2个CH键，杂化轨道数为3，原子采用sp2杂化，选项a正确；b.乙烯分子是平面结构，乙烯分子中6个原子处于同一平面，选项b错误；c．乙烯分子中含有1个C=C双键、4个CH键，故含有4个sp2—sσ键、1个pσ—pσ键和1个p—pπ键，选项c错误；d.乙烯分子中含有1个C=C双键、4个CH键，属于含有极性键的非极性分子，选项d正确；答案选ad；（2）在相同的条件下CO2、SO2在水中的溶解度较大的是，SO2；SO2是极性分子，CO2是非极性分子，水是极性分子，根据相似相溶原理：极性分子易溶于极性溶剂中，所以SO2在水中的溶解度比CO2的大；故答案为：SO2；SO2为极性分子，CO2为非极性分子，H2O为极性溶剂，极性分子易溶于极性溶剂；中中心原子C采用sp2