高中化学人教版步步高选修3第二章分子结构与性质第二章 第二节 第2课时Word格式文档下载.docx
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③sp2杂化后,未参与杂化的一个np轨道可以用于形成π键,如乙烯分子中的C===C键的形成。
(3)sp3杂化——CH4分子的形成
①CH4分子的立体构型
②sp3杂化:
sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个np轨道杂化而得。
sp3杂化轨道的夹角为109°
28′,呈空间正四面体形(如CH4、CF4、CCl4)。
归纳总结
杂化类型与分子的立体构型
中心原子(A)的杂化类型
参与杂化的轨道
生成杂化轨道数
成键电子对数
A原子的孤电子对数
分子的
立体构型
实例
分子式
结构式
sp
1个s
1个p
2
直线形
BeCl2
Cl—Be—Cl
sp2
2个p
3
平面三
角形
BF3
sp3
3个p
4
正四面
体形
CH4
1
三角
锥形
NH3
V形
H2O
1.有关杂化轨道的说法不正确的是( )
A.杂化前后的轨道数不变,但轨道的形状发生了改变
B.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°
28′、120°
、180°
C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用sp3杂化轨道解释
D.杂化轨道全部参与形成化学键
答案 D
解析 杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对。
2.下列分子的立体构型可用sp2杂化轨道来解释的是( )
①BF3 ②CH2===CH2 ③
④CH≡CH⑤NH3 ⑥CH4
A.①②③B.①⑤⑥
C.②③④D.③⑤⑥
答案 A
解析 sp2杂化轨道形成夹角为120°
的平面三角形,①BF3为平面三角形且B—F键夹角为120°
;
②C2H4中碳原子以sp2杂化,且未杂化的2p轨道形成π键;
③同②相似;
④乙炔中的碳原子为sp杂化;
⑤NH3中的氮原子为sp3杂化;
⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。
二、杂化类型及分子构型的判断
1.杂化类型的判断方法
杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对,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=中心原子孤电子对数+中心原子结合的原子数,再由杂化轨道数判断杂化类型。
2.杂化轨道的立体构型与微粒的立体构型
VSEPR模型和杂化轨道的立体构型是一致的,略去VSEPR模型中的孤电子对,就是分子(或离子)的立体构型。
代表物
项目
CO2
CH2O
SO2
价层电子对数
杂化轨道数
杂化类型
杂化轨道
平面
三角形
正四
面体形
四面
VSEPR模型
分子构型
杂化类型的判断方法
(1)利用价层电子对互斥理论、杂化轨道理论判断分子构型的思路:
价层电子对
杂化轨道构型。
(2)根据杂化轨道之间的夹角判断:
若杂化轨道之间的夹角为109°
28′,则中心原子发生sp3杂化;
若杂化轨道之间的夹角为120°
则中心原子发生sp2杂化;
若杂化轨道之间的夹角为180°
则中心原子发生sp杂化。
(3)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。
3.计算下列各微粒中心原子的杂化轨道数,判断中心原子的杂化轨道类型,写出VSEPR模型名称。
(1)CS2__________、__________、__________。
(2)NH
__________、__________、__________。
(3)H2O__________、__________、__________。
(4)PCl3__________、__________、__________。
(5)BCl3__________、__________、__________。
答案
(1)2 sp 直线形
(2)4 sp3 正四面体形 (3)4 sp3 四面体形 (4)4 sp3 四面体形 (5)3 sp2 平面三角形
4.碳原子有4个价电子,在有机化合物中价电子均参与成键,但杂化方式不一定相同。
在乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲醛分子中,碳原子采取sp杂化的分子是(写结构简式,下同)________________,采取sp2杂化的分子是________________________________________,采取sp3杂化的分子是________。
答案 CH≡CH CH2===CH2、
、HCHO CH3CH3
解析 采取sp杂化的分子呈直线形,采取sp2杂化的呈平面形,采取sp3杂化的呈四面体形。
杂化轨道类型
典型分子
SO3
平面三角形
三角锥形
正四面体形
1.下列关于原子轨道的说法正确的是( )
A.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其立体构型都是正四面体
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轨道混合起来而形成的
C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相近的新轨道
D.凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键
答案 C
解析 中心原子采取sp3杂化,轨道形状是正四面体,但如果中心原子还有孤电子对,分子的立体构型则不是正四面体;
CH4分子中的sp3杂化轨道是C原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的;
AB3型的共价化合物,A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。
2.能正确表示CH4中碳原子的成键方式的示意图为( )
解析 碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道,因此碳原子4个价电子分占在4个sp3杂化轨道上,且自旋状态相同。
3.原子轨道的杂化不但出现在分子中,原子团中同样存在原子轨道的杂化。
在SO
中S原子的杂化方式为( )
A.spB.sp2
C.sp3D.无法判断
解析 在SO
中S原子的孤电子对数为0,与其相连的原子数为4,所以根据杂化轨道理论可推知中心原子S的杂化方式为sp3杂化,立体构型为正四面体形,类似于CH4。
4.在SO2分子中,分子的立体构型为V形,S原子采用sp2杂化,那么SO2的键角( )
A.等于120°
B.大于120°
C.小于120°
D.等于180°
解析 由于SO2分子的VSEPR模型为平面三角形,从理论上讲其键角应为120°
但是由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对,对其他的两个化学键存在排斥作用,因此分子中的键角要小于120°
。
5.在
分子中,羰基碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为( )
A.sp2杂化;
sp2杂化
B.sp3杂化;
sp3杂化
C.sp2杂化;
D.sp杂化;
解析 羰基上的碳原子共形成3个σ键,为sp2杂化,两侧甲基中的碳原子共形成4个σ键,为sp3杂化。
6.ClO-、ClO
、ClO
中,中心原子Cl都是以sp3杂化轨道方式与O原子成键,则ClO-的立体构型是____________;
ClO
的立体构型是________;
的立体构型是____________;
的立体构型是______________。
答案 直线形 V形 三角锥形 正四面体形
解析 ClO-的组成决定其立体构型为直线形。
其他3种离子的中心原子的杂化方式都为sp3杂化,那么从离子的组成上看其立体构型依次类似于H2O、NH3、CH4(或NH
)。
[基础过关]
题组一 原子轨道杂化与杂化轨道
1.下列关于价层电子对互斥理论及杂化轨道理论的叙述不正确的是( )
A.价层电子对互斥理论将分子分成两类:
中心原子有孤电子对的和无孤电子对的
B.价层电子对互斥理论既适用于单质分子,也适用于化合物分子
C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化形成的一组能量相近的新轨道
D.AB2型共价化合物的中心原子A采取的杂化方式可能不同
答案 B
解析 在VSEPR理论中,将分子分成了含孤电子对与不含孤电子对两种情况,显然分子的VSEPR模型与立体构型可能相同(不含孤电子对的情况下),也可能不同(含孤电子对的情况下),A项正确;
VSEPR模型的研究对象仅限于化合物分子,不适用单质分子,B项错误;
C项明显正确;
AB2型共价化合物由于其中心原子具有的孤电子对数和σ键电子对数可能不同,则其采取的杂化方式也可能不同,D项正确。
2.下列关于杂化轨道的叙述正确的是( )
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.NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N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—Hσ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,故B正确,A不正确;
NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的1个s轨道和3个p轨道杂化而成的,C不正确;
在乙烯分子中,1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道与2个氢原子的s轨道重叠形成2个C—Hσ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—Cσ键,D不正确。
题组二 杂化轨道类型及其判断
3.BF3是典型的平面三角形分子,它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成BF
则BF3和BF
中B的原子的杂化轨道类型分别是( )
A.sp2、sp2B.sp3、sp3
C.sp2、sp3D.sp、sp2
解析 BF3中B原子的价层电子对数为3,所以为sp2杂化,BF
中B原子的价层电子对数为4,所以为sp3杂化。
4.在BrCH===CHBr分子中,C—Br键采用的成键轨道是( )
A.sppB.sp2s
C.sp2pD.sp3p
解析 分子中的两个碳原子都是采取sp2杂化,溴原子的价电子排布式为4s24p5,4p轨道上有一个单电子,与碳原子的一个sp2杂化轨道成键。
5.下列分子所含原子中,既有sp3杂化,又有sp2杂化的是( )
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,醛基中碳原子采取sp2杂化;
丙烯腈中碳碳双键的两个碳原子采取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;
丙炔中甲基碳原子采取sp3杂化,碳碳三键中两个碳原子采取sp杂化。
题组三 杂化轨道类型与分子构型
6.下列对于NH3和CO2的说法中正确的是( )
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杂化和sp杂化的方式成键,但NH3分子的N原子上有1对孤电子对来参与成键,根据杂化轨道理论,NH3的分子构型应为三角锥形,CO2的分子构型为直线形。
7.下列推断正确的是( )
A.BF3为三角锥形分子
B.NH
的电子式为
离子呈平面正方形结构
C.CH4分子中的4个C—H键都是氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道形成的spσ键
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 BF3为平面三角形,NH
为正四面体形,CH4分子中碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个sp3杂化轨道,然后与氢原子的1s轨道重叠,形成4个ssp3σ键;
甲醛分子为平面三角形,为sp2杂化,还有一个未参与杂化的p轨道与O原子形成π键,该π键垂直于杂化轨道的平面。
8.甲烷分子(CH4)失去一个H+,形成甲基阴离子(CH
),在这个过程中,下列描述不合理的是( )
A.碳原子的杂化类型发生了改变
B.微粒的形状发生了改变
C.微粒的稳定性发生了改变
D.微粒中的键角发生了改变
解析 CH4为正四体结构,而CH
为三角锥形结构,形状、键角、稳定性均发生改变,但杂化类型不变,仍是sp3杂化。
9.NH3分子立体构型是三角锥形,而CH4是正四面体形,这是因为( )
A.两种分子的中心原子杂化轨道类型不同,NH3为sp2杂化,而CH4是sp3杂化
B.NH3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
C.NH3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
D.NH3分子中有3个σ键,而CH4分子中有4个σ键
解析 NH3和CH4的中心原子均是sp3杂化,但NH3分子中有一对孤电子对,CH4分子中没有孤电子对,由于孤电子对与成键电子对之间的排斥作用>
成键电子对与成键电子对之间的排斥作用,NH3分子进一步被“压缩”成三角锥形,甲烷则呈正四面体形。
[能力提升]
10.如图是甲醛分子的模型,根据该图和所学化学知识回答下列问题:
(1)甲醛分子中碳原子的杂化方式是__________,作出该判断的主要理由是________________________________________________________________________。
(2)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断,其中正确的是________(填序号)。
①单键 ②双键 ③σ键 ④π键 ⑤σ键和π键
(3)甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角________(填“=”“>
”或“<
”)120°
出现该现象的主要原因是______________________________________________。
答案
(1)sp2杂化 甲醛分子的立体构型为平面三角形
(2)②⑤ (3)<
碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强
解析
(1)原子的杂化轨道类型不同,分子的立体构型也不同。
由图可知,甲醛分子为平面三角形,所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。
(2)醛类分子中都含有C===O键,所以甲醛分子中的碳氧键是双键。
一般来说,双键是σ键和π键的组合。
(3)由于碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强,所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°
11.石墨烯(图甲)是一种由单层碳原子构成的平面结构新型材料,石墨烯中部分碳原子被氧化后,其平面结构会发生改变,转化为氧化石墨烯(图乙)。
(1)图甲中,1号C与相邻C形成σ键的个数为________。
(2)图乙中,1号C的杂化方式是________,该C与相邻C形成的键角________(填“>”“<”或“=”)图甲中1号C与相邻C形成的键角。
答案
(1)3
(2)sp3 <
解析
(1)图甲中,1号C与相邻的3个C形成1个碳碳双键和2个碳碳单键,即形成3个σ键和1个π键。
(2)图乙中,1号C除与3个C形成化学键外,还与羟基氧原子形成化学键,故该C采取sp3杂化。
12.
(1)SCN-、NO
具有相同的原子个数,它们的价电子总数都是16,因此它们的结构与由第二周期两元素组成的________分子的结构相同,微粒呈________形,中心原子都采取________杂化。
(2)CO
、NO
等微粒具有相同的原子个数,它们的价电子总数都是________,因此它们与由ⅥA族两元素组成的________分子的结构相同,呈________形,中心原子都采取________杂化。
答案
(1)CO2 直线 sp
(2)24 SO3 平面三角 sp2
解析
(1)SCN-、NO
与CO2互为等电子体。
由于CO2中C原子采取sp杂化,形成直线形分子,所以SCN-、NO
的中心原子都采取sp杂化。
与SO3互为等电子体,SO3中S采取sp2杂化,形成平面三角形分子。
13.磷与氯气在一定条件下反应,可以生成PCl3、PCl5。
(1)写出磷原子的电子排布式:
________________________________________________。
(2)PCl3分子中磷原子采用的杂化方式是__________,分子的立体构型为________________。
(3)磷原子在形成PCl5分子时,除最外层s、p轨道参与杂化外,其3d轨道也有1个参加了杂化,称为sp3d杂化。
成键电子对数与孤电子对数总和为5的原子常采用sp3d杂化。
PCl5分子中5个杂化轨道分别与氯原子配对成键,PCl5的立体构型为三角双锥形(如图所示)。
下列关于PCl5分子的说法正确的有________。
A.PCl5分子中磷原子没有孤对电子
B.PCl5分子中没有形成π键
C.PCl5分子中所有的Cl—P—Cl键角都相等
D.SF4分子中S原子也采用sp3d杂化
(4)N、P是同一族元素,P能形成PCl3、PCl5两种氯化物,而N只能形成一种氯化物NCl3,而不能形成NCl5,原因是___________________________________________________。
答案
(1)1s22s22p63s23p3
(2)sp3杂化 三角锥形
(3)ABD (4)N原子最外层无d轨道,不能发生sp3d杂化,故无NCl5
14.
(1)F2通入稀NaOH溶液中可生成OF2,OF2分子构型为________,其中氧原子的杂化方式为__________。
(2)V2O5常用作SO2转化为SO3的催化剂。
SO2分子中S原子价层电子对数是________对,分子的立体构型为________;
SO3气态为单分子,该分子中S原子的杂化轨道类型为________;
SO3的三聚体环状结构如图所示,该结构中S原子的杂化轨道类型为________;
该结构中S—O键长有两类,一类键长约140pm,另一类键长约160pm,较短的键为________(填图中字母),该分子中含有________个σ键。
答案
(1)V形 sp3
(2)3 V形 sp2杂化 sp3杂化 a 12
解析
(1)OF2分子中O与2个F原子形成2个σ键,O原子还有2对孤电子对,所以O原子的杂化方式为sp3,空间构型为V形。
(2)SO2分子中硫原子价电子排布式为3s23p4,价层电子对数是3对,分子的立体构型为V形;
SO3气态为单分子,该分子中硫原子的杂化轨道类型为sp2杂化;
SO3的三聚体环状结构如图所示,该结构中硫原子形成4个键,该结构中硫原子的杂化轨道类型为sp3杂化;
该结构中S—O键长有两类,一类如图中a所示,含有双键的成分键能大,键长较短,另一类为配位键,为单键,键能较小;
由题给结构分析该分子中含有12个σ键。
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