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第2章　微粒间相互作用与物质性质
第2节　共价键与分子的空间结构
第1课时　分子空间结构的理论分析
第*页
研习任务一　杂化轨道理论
[目标导航]1.了解常见分子的空间结构。2.理解杂化轨道理论的主要内容，并能用杂 化轨道理论解释或预测某些分子或离子的空间结构。
一、杂化轨道理论
1. 甲烷分子的组成和结构
分子式 空间结构 空间填充模型 球棍模型
CH4
教材　认知
能量相近　
杂
化轨道　
更
大　
（2）甲烷中碳原子的杂化类型
s　
p　
二、杂化轨道的类型及典例
1. 杂化轨道的类型
杂化类型 sp sp2 sp3
参与杂化的原子 轨道及数目 　1　个s轨道
和 　1　个p轨道 　1　个s轨道
和 　2　个p轨道 　1　个s轨道
和 　3　个p轨道
杂化轨道的数目 　2　个 　3　个 　4　个
杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28'
空间结构 　直线　形 　平面三角　形 　正四面体　形
实例 C2H2、BeCl2 C2H4、BF3 CH4、CCl4
1　
1　
1　
2　
1　
3　
2　
3　
4　
直线　
平面三角　
正四面体　
2. 苯分子的空间结构分析
（1）苯的空间结构
sp2-sp2　
sp2-s　
2p　
肩并肩　
大π键　
[思考]　指出下列原子的杂化轨道类型及分子的空间结构：
（1）BeCl2中的Be采取 　　杂化，空间结构为 　　。
提示：sp　直线形　
（2）SiF4中的Si采取 　　杂化，空间结构为 　　。
提示：sp3　正四面体形　
（3）BCl3中的B采取 　　杂化，空间结构为 　　。
提示：sp2　平面三角形　
（4）PH3中的P采取 　　杂化，空间结构为 　　。
提示：sp3　三角锥形
×
√
√
×
√
探究　活动
在形成多原子分子时，中心原子价电子层上的某些能量相近的原子轨道发生混杂，重 新组合成一组新的轨道的过程，叫作轨道的杂化。双原子分子中，不存在杂化过程。 例如sp杂化、sp2杂化的过程如下：
（1）观察上述杂化过程，分析原子轨道杂化后，数量和能量有什么变化？
提示：形成的杂化轨道数目与参与杂化的原子轨道数目相同，但能量不同。s轨 道与p轨道的能量不同，杂化后形成的一组杂化轨道能量相同。
（2）2s轨道与3p轨道能形成sp2杂化轨道吗？
提示：不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道。2s与3p不在同一能 级组，能量相差较大。
重点　讲解
1. 杂化轨道理论要点
（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。
（5）杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。
（6）未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
2. 判断中心原子杂化轨道类型的四种方法
（1）根据杂化轨道数目判断
杂化轨道数目 2 3 4
杂化类型 sp sp2 sp3
（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，则中心原子采取sp3杂化。
②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子采取sp2杂化。
③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子采取sp杂化。
④若分子的空间结构为V形，则分子的中心原子采取sp2杂化或sp3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'，则中心原子采取sp3杂化。
②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子采取sp2杂化。
③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子采取sp杂化。
（4）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。
研习　经典
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. CH4中C原子的sp3杂化轨道是由C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—H σ键
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，A错误，B正确。CH4中C原子的4个sp3杂化轨道是由C原子的1个2s轨道和3个2p轨 道杂化而成的，C错误。在乙烯分子中，1个碳原子的2个sp2杂化轨道与2个氢原子的 1s轨道重叠形成2个C—H σ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—C σ键，D错误。
B
A. 乙醛（ ） B. 丙烯腈（ ）
C. 甲醛（ ） D. 丙炔（ ）
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，碳碳三键中的两个碳原子 均采取sp杂化。
A
A. 凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是正四面体形
B. 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轨道组合起来而形成 的
C. sp3杂化轨道是由一个原子中能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合而形成的一 组能量相同的新轨道
D. 凡是AB3型的共价化合物，其中心原子A均采取sp3杂化成键
解析：中心原子采取sp3杂化的分子，其空间结构可能是正四面体形，也可能是三角 锥形（如NH3），也可能是V形（如H2O），A错误。CH4分子中的sp3杂化轨道是由C 原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的，B错误。AB3型的共价化合物，A原子可 能采取sp2杂化（如BF3）或sp3（如NH3）杂化，也可能是其他杂化方式，D错误。
C
A. 中心原子的杂化轨道可用于形成σ键和容纳孤电子对
B. 轨道杂化前后轨道数目可以相等，也可以不相等
C. 杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理
D. 杂化轨道可分为sp、sp2、sp3杂化等
解析：中心原子形成的杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对，而形成π键的电子不 占据中心原子的杂化轨道，A正确；杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原 理、最小排斥原理，这样形成的分子才最稳定，C正确。
B
A. sp杂化 B. sp2杂化 C. sp3杂化 D. sp4杂化
解析：p能级只有3个轨道，不可能有sp4杂化。
D
第*页
研习任务二　典型分子的空间结构
教材　认知
1. CH4分子的空间结构
CH4分子中碳原子的杂化过程如图：
σ　
正四面体形　
2. 乙烯分子的空间结构
乙烯分子中碳原子的杂化过程如图：
σ　
σ　
肩并肩　
π　
乙烯分子中的σ键　乙烯分子中的π键
3. 乙炔分子的空间结构
乙炔分子中碳原子的杂化过程如图：
σ　
σ　
肩并肩　
两　
π　
4. NH3分子的空间结构
（1）NH3分子为三角锥形，分子中N—H键的键角为107.3°，分子空间结构如 图所示。
（2）NH3分子中N原子的杂化类型及成键情况：
109°28'　
5. 杂化轨道类型与分子空间结构的关系
sp3　
2　
1　
角形　
三角锥形　
√
√
√
探究　活动
（1）如何用杂化轨道理论解释BeCl2分子的空间结构？
提示：基态铍原子的核外电子排布式为1s22s2，从表面上看铍原子似乎不能形成 共价键，但是在激发态下，铍原子2s轨道上的一个电子可以进入2p空轨道，经过杂化 形成两个sp杂化轨道，如图1所示。
铍原子的两个sp杂化轨道分别与两个氯原子的 3p轨道重叠形成两个sp－p σ键。由于杂化轨道 间的夹角为180°，所以BeCl2分子的空间结构 为直线形，如图2所示。
（2）NH3、CH4两分子中，N、C原子都采用sp3杂化，为什么NH3分子空间结构是三 角锥形，CH4分子是正四面体形？
提示：形成的4个sp3杂化轨道中，NH3分子中只有三个杂化轨道与H原子的1s轨 道重叠成键。另1个杂化轨道中有1对孤电子对不参与成键，但对成键电子对有较强的 排斥作用，使3个N—H键键角变小，成为三角锥形。而CH4分子中4个sp3杂化轨道分 别与4个H原子的1s轨道重叠形成共价键，轨道夹角＝共价键键角＝109°28'，故CH4 为正四面体形。
研习　经典
A. 都是直线形结构
B. 中心原子都采取sp杂化
C. NH3为三角锥形结构，CO2为直线形结构
D. N原子和C原子上都没有孤电子对
解析：NH3和CO2分子的中心原子N、C分别采取sp3杂化、sp杂化，但NH3分子的N原 子上有1对孤电子对未参与成键，根据杂化轨道理论，NH3的空间结构应为三角锥 形，CO2的空间结构为直线形。
C
A. sp2　sp2 B. sp3　sp3 C. sp2　sp3 D. sp　sp3
C
A. CHCl3是正四面体形结构，中心原子碳原子为sp3杂化
B. H2O分子中氧原子为sp2杂化，其分子空间结构为角形
C. 二氧化碳中碳原子为sp杂化，为直线形分子结构
C
4. 判断下列中心原子的杂化轨道类型（标“·”的原子为中心原子）。
微粒 杂化轨道数 杂化轨道类型
解析：杂化轨道数为2时，杂化方式为sp，杂化轨道数为3时，杂化方式为sp2，杂化轨 道数为4时，杂化方式为sp3。
4
sp3
3
sp2
4
sp
3　
sp3
4
sp3
　4
A. sp3杂化轨道中轨道数为 4，且4个杂化轨道能量相同
B. 杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键
C. 杂化轨道不能容纳孤电子对
D. sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
解析：杂化前后轨道数目不变，杂化后轨道能量相同，因此sp3杂化轨道中轨道数为 4，且4个杂化轨道能量相同，故A正确；杂化轨道只能形成σ键，π键是未参与杂化的 p轨道形成的，故B错误；杂化轨道可以容纳孤电子对，比如氨气，故C错误；sp2杂化 轨道数目有3个，因此最多可形成3个σ键，故D错误。
A
1
2
3
4
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解析：sp杂化轨道夹角为180°，sp3杂化轨道夹角为109°28'，sp2杂化轨道夹角为 120°，C项属于未杂化的p轨道。
D
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①CH4　②NH3　③CF4　④SiH4　⑤C2H4
A. ①②③ B. ①③④ C. ②④⑤ D. ①③⑤
B
1
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A. 甲醛分子中有4个σ键
B. 甲醛分子中的碳原子为sp3杂化
C. 甲醛分子中的氧原子为sp杂化
D. 甲醛分子为平面三角形，有一个π键垂直于三角形平面
解析：甲醛分子为平面三角形，所以中心原子碳应为sp2杂化，形成三个杂化轨道， 分别与氧原子和两个氢原子形成3个σ键，还有一个未参与杂化的p轨道与氧原子形成π 键，该π键垂直于杂化轨道的平面。
D
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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. 三种微粒的空间结构相同
C
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A. 含有四个原子的分子的空间结构不可能为正四面体形
B. 分子式为AB2的分子的空间结构一定为角形
D. 苯分子中含有大π键，不能使酸性KMnO4溶液褪色
D
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A. 乙炔分子中，每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键
B. sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合形成的4个能量不同的 sp3杂化轨道
C. 凡中心原子采取sp2杂化的分子，其分子空间结构都是平面三角形
D. 氨分子中有1对未参与杂化的孤电子对
A
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解析：乙炔分子的结构式为H—C≡C—H，中心原子碳原子采取sp杂化，每个碳原子 都有2个未杂化的2p轨道肩并肩重叠形成π键，A项正确；sp3杂化轨道是指同一电子层 内能量相近的1个s轨道和3个p轨道进行重新组合，形成能量相同的4个sp3杂化轨道， B项错误；中心原子采取sp2杂化且不含孤电子对的分子空间结构都是平面三角形，否 则不是，如二氧化硫分子中，硫原子采取了sp2杂化，但S原子上含有1对孤电子对， 所以SO2的空间构形为角形，C项错误；氨分子中氮原子为sp3杂化，形成4个sp3杂化 轨道，其中1个sp3杂化轨道已有2个电子，属于孤电子对，D项错误。
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A. 两种分子的电子数相同
B. NH3分子中N原子形成四个不等性杂化轨道，CH4分子中C原子形成4个等性杂化轨道
C. NH3分子中有1对未成键的孤电子对，而甲烷分子中没有孤电子对，两分子的空间 结构不同
D
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A. NH3　平面三角形、sp3
B. CCl4　正四面体形、sp3
C. H2O　角形、sp2
D. C2H4　三角锥形、sp2
B
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4
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①H2O　②NH3　③CH4　④PCl3　⑤CO2　⑥N2
A. 3种 B. 4种 C. 5种 D. 6种
解析：形成共价键时中心原子采用sp3杂化的分子有H2O、NH3、CH4、PCl3；CO2、N2 分子中的C、N原子均采用sp杂化。
B
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A. 碳铂中所有碳原子在同一平面上
B. 顺铂分子中氮原子的杂化方式是sp2杂化
C. 碳铂分子中sp3杂化的碳原子与sp2杂化的碳原子数目之比为2∶1
D. 1 mol 1，1－环丁二羧酸含有σ键的数目为12NA
C
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解析：根据碳铂的结构简式可知，与4个C相连的碳原子为sp3杂化，存在四面体形结 构，因此分子中所有碳原子不可能在同一平面上，A错误；顺铂分子中N原子形成4个 共价单键，因此杂化类型为sp3杂化，B错误；碳铂分子中sp3杂化的碳原子有4个，sp2 杂化的碳原子有2个，即数目之比为2∶1，C正确；由题中信息可知，1，1－环丁二羧 酸的结构简式为 ，可得1 mol此有机物含有σ键的数目为18NA，D错误。
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3∶1　
sp2　
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HC≡CH
CH3CH3
CH3CH　 CHCH2C≡CH（答案合理即可）
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解析：水分子中的中心O原子形成2个σ键、含有2对孤电子对，杂化轨道数目为 4，为sp3杂化，所以分子空间结构为角形；COCl2中的中心C原子形成3个σ键、1个π 键，且无孤电子对，C原子采取sp2杂化。
正四面体形
sp3
角形　
sp3　
sp2　
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sp3　
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14. 氯吡苯脲是一种常用的膨大剂，其结构简式为 ，它是经国家 批准使用的植物生长调节剂。
解析：氯元素基态原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p5，所以未成对电 子数为1。
1　
解析：根据氯吡苯脲的结构简式可知，有2个氮原子均形成3个单键，孤电子对 数为1，采取sp3杂化，剩余1个氮原子形成1个双键和1个单键，孤电子对数为1，采取 sp2杂化；羰基碳原子形成2个单键和1个双键，采取sp2杂化。
sp3、sp2　
sp2　
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（3）查文献可知，可用2－氯－4－氨基吡啶与异氰酸苯酯反应，生成氯吡苯脲，其 反应的化学方程式为
NA　
NA　
1
2
3
4
5
6
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（4）膨大剂能在动物体内代谢，其产物较为复杂，其中有H2O、NH3、CO2等。
解析：①O、N属于同周期元素，O的原子半径小于N，电负性O＞N，H—O键 能大于H—N键能，所以H2O分子比NH3分子稳定。
H—O键能大于H—N键
能
角形　
三角锥形　
直线形　
1
2
3
4
5
6
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