2018-2019版高中化学 专题4 分子空间结构与物质性质 第一单元 分子构型与物质的性质 第1课时学案 苏教版选修3.docx

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第一单元　分子构型与物质的性质 第1课时　杂化轨道理论与分子空间构型 [学习目标定位]　知道共价分子结构的多样性和复杂性，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、杂化轨道及其理论要点 1．试解释CH4分子为什么具有正四面体的空间构型？ (1)杂化轨道的形成 碳原子的1个2s轨道上的电子进入2p空轨道，1个2s轨道和3个2p轨道“混合”起来，形成能量相同的4个sp3杂化轨道，可表示为 (2)共价键的形成 碳原子的4个sp3杂化轨道分别与四4个H原子的1s轨道重叠形成4个相同的σ键。 (3)CH4分子的空间构型 甲烷分子中的4个C—H是等同的，C—H之间的夹角——键角是109.5，形成正四面体型分子。 2．轨道杂化与杂化轨道 (1) 轨道的杂化：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一组新轨道的过程叫做原子轨道的杂化。 (2)杂化轨道：重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。 (3)轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。 杂化轨道理论要点 (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杂化轨道。 (2)参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数。 (3)杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增大。 例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形成杂化轨道 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一个电子 答案　A 解析　参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s轨道与2s、2p轨道能量相差太大，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，故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，可使电子云重叠程度更大，形成牢固的化学键，故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。 二、用杂化轨道理论解释分子的形成及分子中的成键情况 1．用杂化轨道理论解释BeCl2、BF3分子的形成 (1)BeCl2分子的形成 杂化后的2个sp杂化轨道分别与氯原子的3p轨道发生重叠，形成2个σ键，构成直线形的BeCl2分子。 (2)BF3分子的形成 2．用杂化轨道理论解释乙烯、乙炔分子中的成键情况 (1)乙烯分子中的成键情况 在乙烯分子中，C原子采取sp2杂化，形成3个杂化轨道，两个碳原子各以1个杂化轨道互相重叠，形成1个C—Cσ键，另外两个杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠，形成2个C—Hσ键，这样形成的5个键在同一平面上，此外每个C原子还剩下1个未杂化的p轨道，它们发生重叠，形成一个π键。其结构示意图如下： (2) 乙炔分子中的成键情况 在乙炔分子中，碳原子采取sp杂化，形成2个杂化轨道，两个碳原子各以1个杂化轨道互相重叠，形成1个C—Cσ键，每一个碳原子又各以1个sp轨道分别与1个氢原子形成σ键，这样形成的3个键在同一直线上，此外每个碳原子还有2个未杂化的2p轨道，它们发生重叠，形成两个π键。其结构示意图如下： 杂化轨道的类型与分子空间构型的关系 杂化类型 sp sp2 sp3 参与杂化的原子轨道及数目 ns 1 1 1 np 1 2 3 杂化轨道数目 2 3 4 杂化轨道间的夹角 180 120 109.5 空间构型 直线形 平面三角形 正四面体 实例 BeCl2、CO2、CS2 BCl3、BF3、BBr3 CF4、SiCl4、SiH4 特别提醒　杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键。 例2　下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是(　　) ①BF3　②CH2===CH2　③　④CH≡CH⑤NH3　⑥CH4 A．①②③ B．①⑤⑥ C．②③④ D．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。 例3　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109.5、120、180 C．杂化轨道既可形成σ键，又可形成π键 D．已知CO2为直线形分子，其分子结构可以用sp杂化轨道解释 答案　C 解析　杂化前后的轨道数不变，杂化后，各个轨道尽可能分散、对称分布，导致轨道的形状发生了改变， A正确； sp3、sp2、sp杂化轨道其空间构型分别是正四面体型、平面三角形、直线形，所以其夹角分别为109.5、120、180，B正确；杂化轨道只能形成σ键，C错误；直线形分子的键角为180，中心原子的杂化方式是sp, D正确。 方法规律——中心原子杂化类型的判断方法 (1)由分子构型判断杂化类型 ①直线形——sp杂化 ②平面形——sp2杂化 ③四面体型——sp3杂化 (2)由碳原子的饱和程度判断 ①饱和碳原子——sp3杂化 ②双键上的碳原子——sp2杂化 ③叁键上的碳原子——sp杂化  1．s轨道和p轨道杂化的类型不可能有(　　) A．sp杂化 B．sp2杂化 C．sp3杂化 D．sp4杂化 答案　D 解析　p轨道只有3个方向不同的轨道px、py、pz，与1个s轨道可形成sp杂化如二氧化碳分子中碳原子，sp2杂化如BCl3中硼原子，最多形成sp3杂化如CCl4分子中碳原子，不可能有sp4出现。 2．下列有关sp杂化轨道的叙述正确的是(　　) A．是由一个1s轨道和一个2p轨道线性组合而成 B．sp杂化轨道中的两个杂化轨道完全相同 C．sp杂化轨道可与其他原子轨道形成σ键和π键 D．sp杂化轨道有两个，一个能量升高，另一个能量降低，但总能量保持不变 答案　B 解析　sp杂化轨道是同一原子内同一电子层内轨道发生的杂化，A项错误；不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新的轨道，所形成两个能量等同的sp杂化轨道，B项正确，D项错误；杂化轨道用于形成σ键，未杂化的轨道形成π键，不是杂化轨道形成π键，C项错误。 3．在乙炔分子中有3个σ键、2个π键，它们分别是(　　) A．sp杂化轨道形成σ键、未杂化的2个2p轨道形成2个π键，且互相垂直 B．sp杂化轨道形成σ键、未杂化的2个2p轨道形成2个π键，且互相平行 C．C—H之间是sp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π键 D．C—C之间是sp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 答案　A 解析　碳原子形成乙炔时，一个2s轨道和一个2p轨道杂化成两个sp轨道，另外的两个2p轨道保持不变，其中一个sp轨道与氢原子的1s轨道头碰头重叠形成C—Hσ键，另一个sp轨道则与另一个碳原子的sp轨道头碰头重叠形成C—C σ键，碳原子剩下的两个p轨道则肩并肩重叠形成两个C—C π键，且这两个π键相互垂直。 4．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；sp3杂化 D．sp杂化；sp3杂化 答案　C 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。 5．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。 [对点训练] 题组一　原子轨道杂化与杂化轨道 1．(2018石室佳兴外国语学校月考)有关乙炔分子中的化学键描述不正确的是(　　) A．两个碳原子采用sp杂化方式 B．两个碳原子采用sp2杂化方式 C．每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道形成π键 D．两个碳原子形成两个π键 答案　B 解析　乙炔中每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对，所以碳原子采用sp杂化，A正确，B错误；每个碳原子中两个未杂化的2p轨道肩并肩重叠形成π键，C正确；两个碳原子之间形成1个σ键2个π键，D正确。 2．下列有关杂化轨道的说法不正确的是(　　) A．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 B．轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等 C．杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、能量最低原理 D．CH4分子中任意两个C—H键的夹角为109.5 答案　B 解析　原子轨道形成杂化轨道前后，轨道数目不变化，用于形成杂化轨道的原子轨道的能量相近，并满足最大重叠程度，故选B。 3．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．sp3杂化轨道是由同一原子中能量相近的s和p轨道混合形成的一组新轨道 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 答案　B 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；sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道通过杂化混合起来形成的一组能量相同的新轨道，B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错误；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—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。 题组二　杂化轨道类型及其判断 4．已知SO3分子结构呈平面三角形，则分子中S原子的杂化方式为(　　) A．spB．sp2C．sp3D．无法判断 答案　B 解析　在SO3中与S原子相连的原子数为3且呈平面三角形，类似于BF3。所以根据杂化轨道理论可推知中心原子S的杂化方式为sp2杂化。 5．甲烷中的碳原子是sp3杂化，下列用*表示碳原子的杂化和甲烷中的碳原子杂化状态一致的是(　　) A．CH≡CH3 B.H2===CHCH3 C．CH2===HCH3 D．CH2===CHH3 答案　D 解析　D项中用*表示碳原子形成了四个碳碳单键，与甲烷类似，其杂化类型为sp3杂化。 6．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[] 答案　A 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，碳碳叁键中两个碳原子采取sp杂化。 7．BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成正四面体型的BF离子，则BF3和BF中B原子的杂化轨道类型分别是(　　) A．sp2、sp2 B．sp3、sp3 C．sp2、sp3 D．sp、sp2 答案　C 解析　根据粒子的空间构型可知BF3中B原子为sp2杂化，BF中B原子为sp3杂化。 题组三　杂化轨道理论的应用 8．形成下列分子时，中心原子采用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是(　　) ①PF3　②CF4　③NH3　④H2O A．①②B．②③C．③④D．①④ 答案　A 解析　PF3、CF4、NH3、H2O分子中P原子、C原子、N原子、O原子都采取sp3杂化， NH3和H2O分子中H原子以1s轨道与N或O原子形成σ键，PF3和CF4分子中F原子以2p轨道分别与P和C原子形成σ键。 9．下列分子中的中心原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间构型为直线形，且分子中没有形成π键的是(　　) A．CH≡CH B．CO2 C．BeCl2 D．BBr3 答案　C 解析　CH≡CH和CO2中的C原子均采取sp杂化，且都含有π键；BeCl2分子中Be采取sp杂化，没形成π键；BBr3中B原子采取sp2杂化，且没有π键。 10．下列关于丙烯(CH3—CH===CH2)的说法正确的是(　　) A．丙烯分子有8个σ键，1个π键 B．丙烯分子中3个碳原子都是sp3杂化 C．丙烯分子不存在非极性键 D．丙烯分子中所有原子都共平面 答案　A 解析　C—C、C—H键均为σ键，C===C中有一个σ键，一个π键，则丙烯分子有8个σ键，1个π键， A正确；甲基中的C原子为sp3杂化，C===C中的C原子为sp2杂化，则丙烯分子中1个碳原子是sp3杂化，2个碳原子是sp2杂化， B错误；同种元素之间形成非极性键，则丙烯中存在C－C非极性共价键， C错误；由甲基为四面体结构可知，丙烯分子中所有原子不可能共平面，故D错误。 11．(2017石室佳兴外国语学校月考)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杂化轨道只形成2个σ键 D．碳原子的未参加杂化的2p轨道形成σ键 答案　B 解析　苯分子中，每个碳原子中的三个sp2杂化轨道分别与两个碳原子和一个氢原子形成3个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。 12．氮的最高价氧化物为无色晶体，它由NO和NO构成，已知其阴离子构型为平面三角形，阳离子中氮的杂化方式为sp杂化，则其阳离子的构型和阴离子中氮的杂化方式为(　　) A．直线形　sp2杂化 B．V形　sp杂化 C.平面三角形　sp2杂化 D．平面三角形　sp3杂化 答案　A 解析　NO构型为平面三角形，其中氮原子的杂化类型为sp2杂化；NO中氮的杂化方式为sp杂化，构型为直线形。 [综合强化] 13．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　甲醛分子的空间构型为平面三角形 (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，分子的空间构型也不同。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用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。 14．2001年是伟大的化学家、1954年诺贝尔化学奖得主、著名的化学结构大师、20世纪的科学怪杰鲍林(L.Pauling)教授的诞辰100周年。1994年这位老人谢世后，人们打开他的办公室，发现里面有一块黑板，画得满满的，其中一个结构式如图所示。老人为什么画这个结构式？它能合成吗？它有什么性质？不得而知。这是鲍林留给世人的一个谜，也许这是永远无法解开的谜，也许有朝一日你就能解开它。不管结果如何，让我们先对这个结构作一番了解。 (1)它的分子式是_______________________________________________________。 (2)它是否带有电荷？________(填“是”或“否”)。 (3)该分子中sp杂化的氮原子有________个；sp2杂化的氮原子有________个；sp3杂化的氮原子有________个。 (4)为什么人们推测它是炸药？_________________________________________________。 答案　(1)C6H2O2N10　(2)否　(3)1　9　0 (4)它分解能产生大量很稳定的气体N2 解析　(1)根据有机物分子结构简式的书写规则，不难确定，每个环上除3个氮原子外还有3个碳原子，由此可以确定其分子式。(2)由电子数可以确定，该分子不带电荷。(3)根据氮原子的成键特征和结构可以确定，采用sp2杂化方式的氮原子数为9个，采用sp杂化方式的氮原子数为1个，无sp3杂化方式。 15．化合物YX2、ZX2中X、Y、Z都是短周期元素，X与Y同周期，Y与Z同主族，Y原子的最外层p轨道上的电子数等于前一电子层电子总数；X原子最外层的p轨道中有一个轨道填充了2个电子。 (1)X元素基态原子的电子排布式是________，Y原子的价层电子的轨道表示式是________。 (2)YX2的分子构型是________。 (3)YX2分子中，Y原子的杂化轨道类型是________，1个YX2分子中含有________个π键。 答案　(1)1s22s22p4　 (2)直线形　(3)sp　2 解析　解此类题，首先从信息寻找突破口，如Y属于短周期元素，Y原子的最外层p轨道上的电子数等于前一电子层电子总数，可判断p轨道上有2个电子，则Y为碳元素；X原子最外层的p轨道中有一个轨道填充了2个电子，则p轨道上有4个电子，根据X与Y同周期可知X为氧元素；sp杂化得到夹角为180的直线形杂化轨道，所以CO2的分子构型为直线形，Y原子的杂化类型为sp；双键中一个是σ键，一个是π键，CO2的结构式为O===C===O，故CO2分子中含有2个π键。