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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
1.了解杂化轨道理论的基本内容。
2.能根据有关理论判断简单分子或离子的立体构型。
学习目标
一、杂化轨道理论
知能通关
1.杂化轨道
(1)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作原子轨道的　　　　,组合后形成的一组新的原子轨道叫作杂化原子轨道,简称　　　　　　　　。
(2)杂化轨道特点:s轨道和p轨道杂化后,杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的　　　　　　　 　 , 而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更　　　　　　　。
杂化
杂化轨道
空间取向
牢固
2.甲烷(CH4)分子中碳原子的杂化
(1)杂化轨道形成
2s
2p
能量相同
(2)甲烷分子形成
3.杂化轨道的类型
杂化类型 sp sp2 sp3
用于杂化的原子轨道及数目 ns
np
杂化轨道的数目
杂化轨道间的夹角
1
1
1
1
2
3
2
3
4
180°
120°
109°28'
4.杂化轨道理论的四要点
(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空间取向,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。
下列说法不正确的是　　　　。
①任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道
②有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道
③甲烷分子中杂化轨道能量相同
④sp2杂化后轨道数目是2
⑤sp杂化轨道是直线形,夹角为180°
⑥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
⑦杂化轨道可用于形成π键或用于容纳未参与成键的孤电子对
①④⑦
小题对点过
1.下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是(　　)
解析　A项,杂化轨道的空间结构为直线形,夹角为180°,共有2个杂化轨道,为sp杂化,错误;B项,未形成杂化轨道,错误;C项,杂化轨道的空间结构为正四面体形,共有4个杂化轨道,为sp3杂化,错误;D项,杂化轨道的空间结构为平面三角形,夹角为120°,共有3个杂化轨道,为sp2杂化,正确。
D
2.用鲍林的杂化轨道理论解释CH4分子的正四面体结构,下列说法不正确的是(　　)
A.C原子的4个杂化轨道的能量一样
B.C原子的sp3杂化轨道之间夹角一样
C.C原子的4个价电子分别占据4个sp3杂化轨道
D.C原子有1个sp3杂化轨道由孤电子对占据
解析　甲烷中C原子采取sp3杂化,每个杂化轨道上1个电子分别与1个H原子上的电子结合形成共价键,这四个共价键完全相同,轨道间的夹角约为109°28',形成正四面体形的分子。
D
3.杂化轨道是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较,得出结论正确的是(　　)
A.sp杂化轨道的夹角最大
B.sp2杂化轨道的夹角最大
C.sp3杂化轨道的夹角最大
D.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等
解析　sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28'、120°、180°,故A项正确。
A
理解杂化轨道理论的三个注意点
(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轨道数相等的杂化轨道。
(2)杂化轨道可用于形成σ键,也可用来容纳未参与成键的孤电子对,不可形成π键。
(3)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,单个的原子是不可能发生杂化的。
二、典型分子的空间结构
知能通关
1.甲烷
甲烷分子中每两个sp3杂化轨道的夹角为109°28',碳原子中每个杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成一个共价键,从而使甲烷分子具有　　　　　结构。
2.乙烯
形成乙烯分子时碳原子采用　　　　杂化,三个sp2杂化轨道和一个未参与杂化的p轨道中各有一个未成对电子。两个碳原子各以一个sp2杂化轨道重叠形成一个　　　　键,同时以p轨道重叠形成一个　　　　键,每个碳原子都以另外两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个σ键。乙烯分子6个原子在同一平面内。
正四面体形
sp2
σ
π
如图所示,乙烯分子中有5个σ键、1个π键,下列表述不正确的是　　　　。
①②④
小题对点过
①C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、C之间是未参加杂
化的2p轨道形成的σ键
②C、C之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、H之间是未参加杂
化的2p轨道形成的π键
③sp2杂化轨道形成σ键,未杂化的2p轨道形成π键
④sp2杂化轨道形成π键,未杂化的2p轨道形成σ键
解析　乙烯分子中两个碳原子均采取sp2杂化,其中杂化轨道共形成5个σ键,未杂化的2p轨道形成π键。C、H之间形成4个σ键,C、C之间形成1个σ键和1个π键。
3.乙炔
乙炔分子中的碳原子采用　　　　　杂化,两个碳原子之间存在着一个______键和两个　　　　　键,乙炔的结构为　　　　　　　　形。
sp
σ
π
直线
乙炔分子的成键情况如图所示。
sp
小题对点过
(1)碳原子的杂化方式:碳原子为　　　　　杂化,形成2个　　　　杂化轨道。
sp
(2)成键方式和空间结构:每个碳原子的　　　　杂化轨道分别与1个氢原子的_______轨道形成2个C—H　　　　键(sp—s),与另一个碳原子的　　　　杂化轨道形成C—C　　　　键(sp—sp)。碳原子未杂化的2p轨道两两形成2个__________键。乙炔分子的空间结构为　　　　　　 形。
(3)C≡C、C≡N、CO2中的碳原子,都是　　　 杂化。
sp
1s
σ
sp
σ
π
直线
sp
解析　(1)由题干图示乙炔中碳原子的杂化过程可知,碳原子为sp杂化,形成2个sp杂化轨道。(2)由题干图示信息可知,每个碳原子的sp杂化轨道分别与1个氢原子的1s轨道形成2个C—H σ键(sp—s),与另一个碳原子的sp杂化轨道形成C—C σ键(sp—sp),碳原子未杂化的2p轨道两两形成2个π键,乙炔分子的空间结构为直线形。(3)C≡C、C≡N、CO2中的碳原子周围的价电子对数均为2,故都是sp杂化。
4.苯
(1)苯分子形成时每个碳原子的价电子原子轨道都发生了　　　　杂化,每个杂化轨道上有一个　　　　电子,每个碳原子的两个　　　　杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的　　　　杂化轨道重叠形成　　　　键,六个碳原子组成一个正六边形的碳环,每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成　　　　键。
(2)每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,以“肩并肩”的方式相互重叠,形成属于六个碳原子的π键,形象地称为　　　　键。
(3)苯分子中,六个碳原子和六个氢原子都在同一个平面内,整个分子呈　 　　　　　,键角皆为　　　　。
sp2
未成对
sp2
sp2
σ
σ
大π
平面正六边形
120°
5.氨
(1)形成氨分子时氮原子发生了sp3杂化,生成了四个sp3杂化轨道,其中有三个轨道各含有一个　　　　电子,可分别与一个氢原子的1s电子形成一个σ键。
(2)在另一个　　　　杂化轨道中,含有一对未成键的电子,称为孤电子对,它对成键电子对的排斥作用较强,使NH3分子空间结构成为　　　　　　(如图)。
未成对
sp3
三角锥形
氨气分子的空间结构是三角锥形,而甲烷的空间结构是正四面体形,其原因是　　　　。
①两种分子的中心原子的杂化轨道类型不同,NH3中N原子采取sp2杂化,而CH4中C原子采取sp3杂化
②NH3分子中N原子形成3个杂化轨道,CH4分子中C原子形成4个杂化轨道
③NH3分子中有一对未成键的孤电子对,它对成键电子的排斥作用较强
④一个氨气分子中有4个原子,而一个甲烷分子中有5个原子
③
小题对点过
6.(1)ABm型分子的杂化轨道类型与分子的空间结构
ABm 中心原
子杂化类型 杂化轨道空间结构 分子空
间结构 实例
AB2 sp 直线形 直线形 CO2、CS2、BeCl2等
AB3 sp2 平面
三角形 平面三角形
AB2 V形或角形 SO2
AB4 sp3 正四面体形 正四面体形
AB3 三角锥形 NH3、PCl3、NF3
AB2或A2B V形或角形
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对的排斥作用,分子的空间结构会发生变化,如H2O和NH3,O与N原子的杂化类型都为　　　　杂化,孤电子对数分别为　　　、　　　,分子空间结构分别为　　　　　形、　　　　形。
sp3
2
1
角
三角锥
判断下列中心原子的杂化轨道类型(标“·”的原子为中心原子)。
4
小题对点过
微粒 杂化轨道数 杂化轨道类型

②CH2==CH2
③CCl4
④NCl3
⑤PH3
sp3
3
sp2
4
sp3
4
sp3
4
sp3
1.下列分子中的碳原子采用sp2杂化的是(　　)
A.C2H2 B.CS2
C.HCHO D.C3H8
解析　饱和C原子采取sp3杂化,双键C原子采取sp2杂化,三键C原子采取sp杂化,所以C2H2中的C原子采取sp杂化,HCHO分子中含有碳氧双键,C原子采取sp2杂化,C3H8中的C原子采取sp3杂化,CS2中C原子采取sp杂化。
C
A.sp2、sp2 B.sp3、sp3
C.sp2、sp3 D.sp、sp3
解析　中间的碳原子形成了一个π键,p轨道形成π键,3个p轨道减去一个p轨道,则两个p轨道参与杂化,杂化方式是sp2;两边的碳原子各自形成了4个σ键,需要形成4个杂化轨道,采用的是sp3杂化。
C
3.下列分子中,中心原子的杂化类型相同,分子的空间结构也相同的是(　　)
A.H2O、SO2 B.BeCl2、CO2
C.H2O、NH3 D.NH3、HCHO
解析　A项,H2O中氧原子为sp3杂化,分子的空间结构为角形,SO2中硫原子为sp2杂化,分子的空间结构为角形;B项,BeCl2和CO2的中心原子都是sp杂化,分子的空间结构都为直线形;C项,NH3中氮原子为sp3杂化,分子的空间结构为三角锥形;D项,HCHO中碳原子为sp2杂化,分子的空间结构为平面三角形。
B
1.杂化轨道类型的判断
(1)根据杂化轨道之间的夹角判断
(2)根据分子(或离子)的空间结构判断
空间结构 中心原子杂化类型
正四面体形 　sp3杂化
三角锥形
平面三角形 sp2杂化
直线形 sp杂化
2.有机物分子中碳原子杂化类型的判断
(1)根据碳原子形成的σ键数目判断
有机物中,碳原子杂化轨道形成σ键,未杂化轨道形成π键。
(2)由碳原子的饱和程度判断
①饱和碳原子采取sp3杂化;
②双键上的碳原子或苯环上的碳原子采取sp2杂化;
③三键上的碳原子采取sp杂化。
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1.下列有关杂化轨道的说法不正确的是(　　)
A.轨道杂化前后数目相等,形状、能量不同
B.杂化轨道既可能形成σ键,也可能形成π键
C.杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理
D.原子中能量相近的某些轨道,在成键时能重新组合成能量相等的新轨道
解析　轨道杂化前后数目相等,轨道形状发生变化,A正确;杂化轨道只能用于形成σ键或容纳孤电子对,不能形成π键,π键是轨道之间“肩并肩”形成的,B错误;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,这样能量才能最低,分子才能最稳定,C正确;原子中能量相近的某些轨道,在成键时能重新组合成能量相等的新轨道,但轨道个数不变,轨道形状发生变化,D正确。
B
2.下列关于原子轨道的说法正确的是(　　)
A.中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其空间结构都是四面体形
B.CH4中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混杂而形成的
C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂形成的一组能量相同的新轨道
D.凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采取sp3杂化轨道成键
C
解析　中心原子采取sp3杂化的分子,其空间结构不一定是四面体形,如:水和氨气分子,中心原子均采取sp3杂化,但H2O的空间结构是角形,NH3是三角锥形,故A错误;CH4中sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近的2s轨道和3个2p轨道杂化形成的,故B错误;同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂可形成一组能量相同的新轨道,故C正确;BF3中B原子的杂化轨道类型为sp2,故D错误。
3.下列关于NH3和CO2的说法正确的是(　　)
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
4.在以下的分子或离子中,空间结构的几何形状不是三角锥形的是(　　)
C
5.有机物中碳原子的杂化类型是有规律的:当碳原子全部形成单键时,其为________杂化;当其形成的键中有一个双键时,其为　　　　杂化;当其形成的键中有一个三键时,其为　　　　杂化。苯分子中碳原子的杂化类型为_______杂化,CH3CH==CH2分子中,中间的碳原子的杂化类型为　　　　,该分子中有__________个σ键与　　　　个π键。
sp3
sp2
sp
sp2
sp2
8
1
解析　当碳原子全部以单键的形式与其他原子成键时,形成了4个σ键,故此时为sp3杂化;当形成一个双键时,碳原子形成了3个σ键、没有孤电子对,故参加杂化的轨道数为3,此时为sp2杂化;当形成一个三键时,参加杂化的轨道数为2,杂化轨道类型为sp。
课时精练9
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.下列关于杂化轨道的说法错误的是(　　)
A.所有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.杂化轨道中不一定有电子
A
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,A项错误,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,可使原子轨道重叠程度更大,形成牢固的化学键,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),故D项正确。
2.下列分子或离子的中心原子采用sp3杂化的是(　　)
B
3.(2025·沧州高二月考)下列说法正确的是(　　)
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个未参与杂化的孤电子对
A
解析　乙炔分子的结构式为H—C≡C—H,碳原子采取sp杂化,每个碳原子都有2个未杂化的2p轨道形成π键,A项正确;杂化轨道的能量相同,B项错误;中心原子采取sp2杂化的分子,若不含孤电子对,其分子空间结构是平面三角形,若含孤电子对,如SO2分子中,硫原子采取sp2杂化,含有1个孤电子对,其分子空间结构为角形,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杂化轨道上有1个孤电子对,D项错误。
4.下列关于有机化合物结构特点说法正确的是(　　)
A
5.下列分子所含原子中,既有sp3杂化,又有sp2杂化的是(　　)
A
6.徐光宪在《分子共和国》一书中介绍了许多明星分子,如H2O2、CO2、BF3、CH3COOH等。下列说法正确的是(　　)
A.H2O2分子中O原子采取sp2杂化
B.CO2分子中C原子采取sp杂化
C.BF3分子中B原子采取sp3杂化
D.CH3COOH分子中C原子均采取sp2杂化
B
解析　H2O2分子中每个O原子形成2个σ键,孤电子对数为2,采取sp3杂化,A项错误;CO2分子中C原子形成2个σ键,不含孤电子对,采取sp杂化,B项正确;BF3分子中B原子形成3个σ键,不含孤电子对,采取sp2杂化,C项错误;CH3COOH分子中含有2个C原子,其中甲基上的C原子形成4个σ键,不含孤电子对,采取sp3杂化,而羧基上的C原子形成3个σ键,不含孤电子对,采取sp2杂化,D项错误。
7.下列分子的空间结构可以用sp2杂化轨道来解释的是(　　)
A.①②③ B.①②
C.②③⑤ D.③④
B
8.下列有关苯分子中的化学键描述正确的是(　　)
A.每个碳原子的sp2杂化轨道中的其中一个形成大π键
B.每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成大π键
C.碳原子的三个sp2杂化轨道与其他原子形成三个π键
D.碳原子的未参加杂化的2p轨道与其他原子形成σ键
解析　苯分子中每个碳原子的三个sp2杂化轨道分别与两个碳原子和一个氢原子形成σ键。同时每个碳原子还有一个未参加杂化的2p轨道,它们均有一个未成对电子,这些2p轨道相互平行,以“肩并肩”方式相互重叠,形成一个多电子的大π键。
B
C
10.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是(　　)
A.BeCl2与BF3 B.CO2与SO2
C.CCl4与NH3 D.C2H2与C2H4
解析　A项中,BeCl2分子、BF3分子中杂化轨道数分别为2、3,中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2;B项中,CO2分子中杂化轨道数为2,SO2分子中杂化轨道数为3,中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2;C项中,中心原子杂化轨道类型均为sp3;D项中,中心原子杂化轨道类型分别为sp、sp2。
C
11.顺铂[Pt(NH3)2Cl2]是1969年发现的第一种具有抗癌活性的金属配合物;碳铂是1,1 环丁二羧酸二氨合铂(Ⅱ)的简称,属于第二代铂族抗癌药物,结构如图所示,其毒副作用低于顺铂。下列说法正确的是(　　)
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（NA为阿伏加德罗常数的值）
C
试回答下列问题。
(1)微粒的空间结构为正四面体形的是　　　　(填序号,下同)。
(2)中心原子为sp3杂化的是　 　　　,中心原子为sp2杂化的是　　　　,中心原子为sp杂化的是　　　　。
(3)所有原子共平面(含共直线)的是　　　　　,共直线的是　　　　。
①⑤
①④⑤⑦⑧
②⑥
③
②③⑥⑦
③
B级　素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
13.(2025·厦门高二期中)某种有机物的结构如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.该分子中所有N原子都为sp3杂化
B.该分子中含有的元素N、O、F的第一电离能由大到小的
顺序为F>N>O
C.该分子中C—H键的键长小于C—F键的键长
D.该分子中有4个π键
A
解析　该分子中双键N原子为sp2杂化,故A项错误;第一电离能:F>N>O,故B项正确;F原子的半径大于H原子的,所以C—H键的键长小于C—F键的键长,故C项正确;双键中含有1个σ键、1个π键,该分子中有4个双键,故该分子中有4个π键,故D项正确。
14.(2025·重庆高二月考)三聚氰胺(结构如图所示)是一种重要的化工原料,其结构中含有大π键。下列有关说法错误的是(　　)
A.该分子中所有原子不在同一平面上
B.该分子中C、N原子均为sp2杂化
C.1 mol该分子中含有15 mol σ键
D.六元环中键角均为120°
B
解析　该分子的环状结构中含有大π键,环上的C、N原子的σ键数都为3,无孤电子对,故均为sp2杂化;环外的3个N原子,σ键数都为3,有1个孤电子对,均为sp3杂化,故所有原子不在同一平面上,A项正确、B项错误。1 mol该分子中环外含有6 mol N—H σ键、环外与环之间含有3 mol N—C σ键,环上含有6 mol N—C σ键,共15 mol σ键,故C项正确。该六元环的空间结构为平面正六边形,环中的键角均为120°,故D项正确。
15.小明同学上网查阅了如下资料:
中心原子杂化类型的判断方法:
(1)公式:n=(中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数±电荷数)÷2。
说明:配位原子为氧原子或硫原子时,成键电子数看为0;当电荷数为正值时,公式中取“-”号,当电荷数为负值时,公式中取“+”号。
(2)根据n值判断杂化类型:n=2时为sp杂化,n=3时为sp2杂化,n=4时为sp3杂化。
4
sp3
3
sp2
4
sp3
3
sp2

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