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第二章
分子结构与性质
第二节　分子的空间结构
课时2　杂化轨道理论
能用杂化轨道理论解释简单分子或离子的空间结构。
1．根据价层电子对互斥理论可以知道H2O、NH3、CH4分子的空间结构分别为什么形，分子内的键角分别为多少度？
【答案】 V形、三角锥形、正四面体形。105°、107°、109°28′。
2．画出基态氧原子和氮原子的价电子排布图，它们所含成单电子所处的原子轨道间的夹角是多少度？如果直接用这些原子轨道与氢原子成键，则键角分别是多少度？
活动一：从原子轨道角度预测分子的空间结构与实际结构的差异
3．画出基态碳原子的价电子排布图，碳原子要与4个氢原子形成CH4，需要4个未成对电子。基态碳原子中的电子如何激发，才能满足这一条件？从s轨道和p轨道的空间取向来看，原有的轨道可以与4个氢原子形成正四面体形的CH4分子吗？
1．阅读下列材料，回答问题。
美国化学家鲍林在探索化学键理论时，为了解释一些分子的空间结构提出了杂化轨道理论。其基本要点如下：在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中能量相近的不同类型的原子轨道发生混杂、叠加而形成等数量、同能量的新原子轨道——“杂化轨道”。杂化轨道的形状发生了改变，使得在某个方向更有利于原子轨道间的重叠，因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强。杂化轨道之间的夹角发生了变化，其分布尽可能夹角最大以使相互间的排斥能最小。杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。
活动二：学会用杂化轨道理论解释分子空间结构
s轨道和p轨道共可以形成三种杂化方式：sp3杂化、sp2杂化和sp杂化。
(1) 填写下表。
杂化轨道类型 杂化轨道数目 轨道夹角 参与杂化的轨道类型和数目
sp3
sp2
sp
(2) s轨道和p轨道形成sp2杂化轨道或sp杂化轨道后，还有未参与杂化的p轨道，该轨道与杂化轨道在空间上是什么关系？
【答案】 未参与杂化的p轨道垂直于sp2杂化轨道；未参与杂化的2个p轨道与sp杂化轨道相互垂直。
4
109°28′
1个s轨道和3个p轨道
3
120°
1个s轨道和2个p轨道
2
180°
1个s轨道和1个p轨道
(3) 用杂化轨道理论解释CH4分子的空间结构。
【答案】 碳原子的1个s轨道和3个p轨道形成4个sp3杂化轨道，4个sp3杂化轨道之间的夹角为109°28′，每个杂化轨道中有1个未成对电子，4个氢原子各提供1个电子，分别从四个方向以“头碰头”的方式与杂化轨道重叠形成4个σ键。
(4) NH3、H2O分子中中心原子的杂化方式分别是什么？
【答案】 均为sp3杂化。
2．用杂化轨道理论解释乙烯、乙炔的分子空间结构。
(1) 乙烯中碳原子采用什么类型的杂化？杂化轨道分别与什么原子成键，形成什么类型的键？未参与杂化的轨道形成什么类型的键，共几个？
【答案】 sp2杂化；2个氢原子和1个碳原子，形成σ键；形成π键，共1个。
(2) 乙炔中碳原子采用什么类型的杂化？杂化轨道分别与什么原子成键，形成什么类型的键？未参与杂化的轨道形成什么类型的键，共几个？
【答案】 sp杂化；1个氢原子和1个碳原子，形成σ键；形成π键，共2个。
(3) 某有机物的分子式为C9H8，球棍模型如图所示，其分子中的所有碳原子都在同一平面上。
①写出该有机物的结构简式。
【答案】
②该有机物分子中采用sp3、sp2、sp杂化的碳原子数分别是多少？
【答案】 采用sp3、sp2、sp杂化的碳原子数分别为1、6、2。
价层电子对互斥理论常用来预测分子的结构，杂化轨道理论常用来解释原子如何通过轨道杂化形成相应键角。对于ABn型分子或离子，可用下表归纳价层电子对互斥模型与杂化轨道理论之间的关系，填写下表。
活动三：归纳价层电子对互斥模型与杂化轨道理论之间的关系
ABn型分子或离子 σ键数 中心原子孤电子对数 VSEPR模型名称 粒子的空间结构名称 中心原子杂化方式
n＝2 0
1
2
2
直线形
直线形
sp
2
平面三角形
V形
sp2
2
四面体形
V形
sp3
ABn型分子或离子 σ键数 中心原子孤电子对数 VSEPR模型名称 粒子的空间结构名称 中心原子杂化方式
n＝3 0
1
n＝4 0
3
平面三角形
平面三角形
sp2
3
四面体形
三角锥形
sp3
4
正四面体形
正四面体形
sp3
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
【答案】 A
1
2
3
4
5
6
7
2．下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是 (　　)
【解析】 A项，该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，不是杂化轨道，错误；C项，该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，该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。
1
2
3
4
5
6
7
【答案】 D
1
2
3
4
5
6
7
3．水分子在特定条件下容易得到一个H＋，形成水合氢离子 (H3O＋)。下列对上述过程的描述错误的是 (　　)
A．氧原子的杂化轨道类型发生了改变
B．微粒的空间结构发生了改变
C．微粒的化学性质发生了改变
D．微粒中的键角发生了改变
【解析】 H2O中氧原子的杂化轨道类型为sp3，H3O＋中氧原子的杂化轨道类型也为sp3，氧原子的杂化轨道类型没有改变，A错误；H2O为V形，H3O＋为三角锥形，微粒的空间结构发生了改变，键角发生了改变，B、D正确；因H2O和H3O＋的结构不同，则其性质不同，微粒的化学性质发生了改变，C正确。
1
2
3
4
5
6
7
【答案】 A
1
2
3
4
5
6
7
4．下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是 (　　)
A．由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成
B．所形成的3个sp2杂化轨道的能量相同
C．每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一
D．sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
【解析】 同一能层上的s轨道与p轨道的能量差异不大，sp2杂化轨道是由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成的，A正确；同种类型的杂化轨道能量相同，B正确；sp2杂化轨道是1个s轨道与 2个 p轨道杂化而成的，C正确；sp2杂化轨道最多可形成3个σ键，D错误。
【答案】 D
1
2
3
4
5
6
7
5．下列分子的中心原子形成sp2杂化轨道的是 (　　)
A．H2O B．C2H4
C．C2H2 D．CH4
【答案】 B
1
2
3
4
5
6
7
6．根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型，判断下列分子或者离子的空间结构正确的是 (　　)
1
2
3
4
5
6
7
【答案】 D
1
2
3
4
5
6
7
7．写出下列中心原子与氢结合所得相应的分子或离子的化学式。
(1) 氧原子以sp3杂化轨道与氢原子形成3个σ键：_________。
【解析】 1个O与H形成3个σ键，符合条件的是H3O＋。
H3O＋
1
2
3
4
5
6
7
(2) 分子中4个碳原子间形成了2个π键且碳原子的杂化类型均为sp2杂化：________。
C4H6
1
2
3
4
5
6
7
(3) 分子中有2个磷原子，均为sp3杂化，共形成5个σ键：_____。
P2H4
1
2
3
4
5
6
7
(4) 氮原子以sp3杂化轨道与氢原子形成4个σ键：________。

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