专项39-杂化与空间结构(新高考专用)(原卷版)

第六篇物质结构与性质专项39杂化与空间结构在选择性必修二《物质结构与性质》中，ABn型物质中心原子的杂化方式、分子或离子的空间构型是高考热点题型之一，要求运用杂化轨道理论和价层电子对互斥模型进行解释和预测分子空间结构。通过杂化轨道理论对分子空间结构及原子间成键情况解释的探究学习，强化宏观辨识与微观探析素养，借助价层电子对互斥模型对分子空间结构的预测，建立分子空间结构分析的思维模型，强化模型意识。在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫杂化轨道。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，从而使它与其它原子的原子轨道重叠的程度更大，形成的共价键更牢固。中心原子价层电子对数、杂化轨道类型与粒子的立体构型(ABnm±价层电子对数(杂化轨道数)234杂化轨道类型spsp2sp3价层电子对模型(VSEPR)直线形三角形四面体形粒子组成形式与构型AB2：直线形AB2：V形AB3：三角形AB2：V形AB3：三角锥形AB4：(正)四面体形规律当中心原子无孤电子对时，分子构型与价层电子对模型一致；当有孤电子对时，分子的构型为去掉孤电子对后剩余部分的立体构型，且孤电子对会对分子构型产生“挤压”效果，使键角变小1．(2022•辽宁省选择性考试)理论化学模拟得到一种N13+离子，结构如图。下列关于该离子的说法错误的是()A．所有原子均满足8电子结构 B．N原子的杂化方式有2种C．空间结构为四面体形 D．常温下不稳定【答案】B【解析】A项，由N13+的结构式可知，所有N原子均满足8电子稳定结构，A正确；B项，中心N原子为sp3杂化，与中心N原子直接相连的N原子为sp2杂化，与端位N原子直接相连的N原子为sp杂化，端位N原子为sp2杂化，则N原子的杂化方式有3种，B错误；C项，中心N原子为sp3杂化，则其空间结构为四面体形，C正确；D项，N13+中含叠氨结构()，常温下不稳定，D正确；故选B。2．(2021•海南选择性考试)SF6可用作高压发电系统的绝缘气体，分子呈正八面体结构，如图所示。有关SF6的说法正确的是()A．是非极性分子 B．键角都等于90°C．与之间共用电子对偏向S D．原子满足8电子稳定结构【答案】A【解析】A项，结构对称、正负电荷重心重合的分子为非极性分子，SF6分子呈正八面体结构，S

原子位于正八面体的中心，该分子结构对称、正负电荷重心重合，所以为非极性分子，A正确；B项，SF6是结构对称、正负电荷重心重合的分子，故键角不都等于90°，B错误；C项，由于F的电负性比S的大，S与F之间共用电子对偏向F，C错误；D项，中心元素价电子数+化合价的绝对值=8时该分子中所有原子都达到8电子稳定结构，但氢化物除外，该化合物中S元素化合价+价电子数=6+6=12，则S原子不是8电子稳定结构，D错误；故选A。3．(2022•山东卷节选)吡啶()替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的π66大π键、则吡啶中N原子的价层孤电子对占据_______(填标号)。A．2s轨道 B．2p轨道 C．sp杂化轨道 D．sp2杂化轨道【答案】D【解析】吡啶()替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的π66大π键，则说明吡啶中N原子也是采用sp2杂化，杂化轨道只用于形成σ键和存在孤电子对，则吡啶中N原子的价层孤电子对占据sp2杂化轨道，故选D。4．(2022•北京卷节选)比较SO42-和H2O分子中的键角大小并给出相应解释：___________。【答案】SO42-的键角大于H2O，SO42-中S原子的价层电子对数为4、孤对电子对数为0，离子的空间构型为正四面体形，H2O分子中O原子的价层电子对数为4、孤对电子对数为2，分子的空间构型为V形【解析】硫酸根离子中硫原子的价层电子对数为4、孤对电子对数为0，离子的空间型为正四面体形，水分子中氧原子的价层电子对数为4、孤对电子对数为2，分子的空间构型为V形，所以硫酸根离子的键角大于水分子。5．(2022•河北省选择性考试节选)SnCl3-的几何构型为_______，其中心离子杂化方式为_______。【答案】三角锥形

sp3杂化【解析】Sn是ⅣA族元素，SnCl3-的中心离子Sn2+价层电子对数为3+，有1对孤电子对，中心离子是sp3杂化，SnCl3-的几何构型是三角锥形。6．(2021•全国甲卷节选)太阳能电池板主要材料为单晶硅或多晶硅。Si的价电子层的电子排式为________；单晶硅的晶体类型为_________。SiCl4是生产高纯硅的前驱体，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轨道的杂化类型有：①dsp2、②sp3d、③sp3d2，中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为________(填标号)。【答案】(1)3s23p2原子晶体(共价晶体)sp3②【解析】(1)基态Si原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2，因此Si的价电子层的电子排式为3s23p2；晶体硅中Si原子与Si原子之间通过共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构，因此晶体硅为原子晶体；SiCl4中Si原子价层电子对数为4+=4，因此Si原子采取sp3杂化；由图可知，SiCl4(H2O)中Si原子的δ键数为5，说明Si原子的杂化轨道数为5，由此可知Si原子的杂化类型为sp3d。7．(2021•全国乙卷节选)[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_______。NH3的沸点比PH3的_______，原因是_______，H2O的键角小于NH3的，分析原因_______。【答案】sp3高NH3存在分子间氢键NH3含有一对孤对电子，而H2O含有两对孤对电子，H2O中的孤对电子对成键电子对的排斥作用较大【解析】PH3的价层电子对为3+1=4，故PH3中P的杂化类型是sp3；N原子电负性较强，NH3分子之间存在分子间氢键，因此NH3的沸点比PH3的高；H2O的键角小于NH3的，原因是：NH3含有一对孤对电子，而H2O含有两对孤对电子，H2O中的孤对电子对成键电子对的排斥作用较大。1．判断分子中中心原子的杂化轨道类型的方法(1)根据分子或离子中有无π键及π键数目判断。没有π键的为sp3杂化，如CH4中的C原子；含1个π键的为sp2杂化，如HCHO中的C原子；含2个π键的为sp杂化，如二氧化碳分子和乙炔分子中的碳原子。(2)根据VSEPR模型、中尽原子价层电子对数判断。如ABn型中心原子的价层电子对数为4，中心原子的杂化轨道类型为sp3杂化；价层电子对数为3，中心原子的杂化轨道类型为sp2杂化；价层电子对数为2，中心原子的杂化轨道类型为sp杂化；2．分子的立体结构的判断(1)三种杂化轨道的轨道形状，sp杂化夹角为180°的直线型杂化轨道，例如BeCl2、C2H2；sp2杂化轨道为120°的平面三角形，例如BF3、C2H4；sp3杂化轨道为109°28′的正四面体构型，例如CH4、CCl4。(2)根据价层电子对互斥理论确定中心原子杂化类型，价层电子对数n＝，(氧族元素原子做中心原子提供6个价电子，做配位原子不提供价电子，卤族元素原子做中心原子提供7个价电子，做配位原子提供1个价电子)，一般n＝2，采取sp杂化，n＝3采取sp2杂化，n＝4采取sp3杂化，据此判断。3．预测分子或离子空间结构的步骤。第一步：确定中心原子上的价层电子对数a为中心原子的价电子数(若为离子则应加上或减去相应的电荷数)，x为与中心原子结合的原子数，b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。如NH4+的中心原子为N，a=5-1=4，b=1，x=4，所以中心原子上的孤电子对数=12(a-xb)=12第二步：确定价层电子对的VSEPR模型由于价层电子对之间的相互排斥作用，它们趋向于尽可能地相互远离，这样已知价层电子对的数目，就可以确定价层电子对的VSEPR模型。第三步：分子空间结构的确定。价层电子对有成键电子对和孤电子对之分，价层电子对的总数减去成键电子对数，得孤电子对数。根据成键电子对数和孤电子对数，可以确定相应的较稳定的分子空间结构。注意：(1)若ABn型分子中，A与B之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成，则价层电子对互斥理论把双键或三键作为一对电子对看待。(2)价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：孤电子对-孤电子对>孤电子对-成键电子对>成键电子对-成键电子对。随着孤电子对数目的增多，斥力增大，键角减小。如CH4、NH3和H2O分子中的键角依次减小。4．比较键角大小的思维模型1．(2023届·北京市第十一中学高三摸底考试)下列粒子的空间构型不同于其他三个的是()A．气态SeO3 B．气态SO3 C．SO32- D．NO3-2．推理是学习化学知识的一种重要方法。下列推理合理的是()A．SO2中硫原子采取sp2杂化，则CO2中碳原子也采取sp2杂化B．NH3分子的空间结构是三角锥形，则NCl3分子的空间结构也是三角锥形C．H2O分子的键角是105°，则H2S分子的键角也是105°D．PCl3分子中每个原子最外层达到8电子稳定结构，则BF3分子中每个原子最外层也能达到8电子稳定结构3．下列中心原子的杂化轨道类型和分子几何构型不正确的是()A．PCl3中P原子sp3杂化，为三角锥形B．BCl3中B原子sp2杂化，为平面三角形C．CS2中C原子sp杂化，为直线形D．H2S分子中，S为sp杂化，为直线形4．(2022·江苏省木渎苏苑高三联合适应性检测)下列有关SO2、SO3、SO32-和SO42-的说法正确的是()A．SO32-中S原子的杂化方式为sp2B．SO42-的空间构型为平面正方形C．SO2分子中的键角小于SO3分子中的键角D．SO3分子是极性分子5．(2022·江苏省泰州市第四次调研测试)催化剂作用下，SO2与Cl2反应生成SO2Cl2；对SO2水溶液的光谱分析可以检测到HSO3-、S2O32-和痕量的SO32-，三氧化硫在液态时有单分子SO3和三聚的(SO3)3(结构如下图所示)两种形式，在高温时能将HBr氧化为Br2。关于说法正确的是()A．SO2、SO3都是非极性分子B．SO2Cl2为正四面体结构C．SO3、SO32-中S原子都是sp2杂化D．1mol(SO3)3分子中含有12molσ键6．(2022·江苏省平潮高级中学等五校临门一脚)氨是一种重要的化工原料，主要用于化肥工业，也广泛用于硝酸、纯碱、制药等工业；合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1。实验室用加热NH4Cl和Ca(OH)2固体混合物的方法制取少量氨气；侯氏制碱法用氨气、二氧化碳，与饱和食盐水制备纯碱碳酸钠。下列有关NH3、NF3、NH4+、NO2-、NO3-等含氮粒子的说法正确的是()A．NH3中N-H键角比NH4+中N-H键角大B．NH3极易溶于水，主要原因是NH3分子间能形成氢键C．NH3的水溶液能导电，但一水合氨不能完全电离，因此NH3属于弱电解质D．NH3、NF3的空间构型都是三角锥型，NO2-、NO3-中的N都是sp2杂化7．有几种阴离子的信息如下：阴离子ClO4-ClO3-MClO-中心元素化合价+5+3+1中心原子杂化类型sp3sp3下列推断不正确的是()A．ClO3-和CO32-的价电子总数相同 B．M的化学式为ClO2-C．ClO3-、ClO-中氯原子的杂化类型都为sp3 D．M的空间结构为V形8．短周期元素X、Y、Z原子序数依次增大，X元素基态原子有2个未成对电子，Y元素基态原子的核外p电子数比s电子数少1个，Z的一种“超原子”(Z13-)具有40个价电子，下列说法错误的是()A．简单离子半径：YZ B．XO32-的空间构型为平面三角形C．YO3-中心原子的杂化方式为sp2杂化 D．X、Y、Z的电负性：YXZ9．根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型，判断下列分子或离子的空间结构正确的是()选项分子或离子中心原子杂化方式价层电子对互斥模型分子或离子的空间结构ASO2sp直线形直线形BHCHOsp2平面三角形三角锥形CNF3sp2四面体形平面三角形DNHsp3正四面体形正四面体形10．(2022·四川省内江市高三模拟节选)锂离子电池的电解液一般为溶有LiPF6的碳酸酯类有机溶剂，LiPF6遇水反应生成PF3和POF3+，PF6-中心原子的价层电子对数为_______，POF3的空间构型为_______。下列对PF5中心原子杂化方式的推断合理的是_______(填字母)。A．sp2B．sp3C．sp3dD．sp3d211．氮是一种典型的非金属元素，其单质及化合物在生活和生产中具有广泛的用途。回答下列问题：(1)磷元素与氮元素同主族，基态磷原子有________个未成对电子，白磷的分子式为P4，其结构如图甲所示。科学家目前合成了N4分子，N4分子中氮原子的杂化轨道类型是________，N—N—N键角为________；N4分解后能产生N2并释放出大量能量，推测其用