2018-2019学年高中化学 第2章 化学键与分子间作用力 第2节 第1课时 一些典型分子的空间构型学案 鲁科版选修3.docx

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第1课时　一些典型分子的空间构型 [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构型。 一　杂化轨道及其理论要点 1．C原子与H原子结合形成的分子为什么是CH4，而不是CH2或CH3？CH4为什么具有正四面体的空间构型？ 答案　在形成CH4分子时，碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生混杂，形成四个能量相等的sp3杂化轨道。四个sp3杂化轨道分别与四个H原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子，所以四个C—H是等同的。可表示为 2．由以上分析可知： (1)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，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。 (2)轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。 3．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。 [归纳总结] 1．杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相同，但能量不同。 2．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。 3．杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。 4．未参与杂化的p轨道，可用于形成π键。 [活学活用] 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的形成)，故D项正确。 2．能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为(　　) 答案　D 解析　碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同。二　杂化轨道类型和空间构型 1．sp1杂化——BeCl2分子的形成 (1)BeCl2分子的形成 杂化后的2个sp1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)sp1杂化：sp1杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而得，每个sp1杂化轨道含有s和p轨道的成分。sp1杂化轨道间的夹角为180，呈直线形(如BeCl2)。 (3)sp1杂化后，未参与杂化的两个np轨道可以用于形成π键，如乙炔分子中的C≡C键的形成。 2．sp2杂化——BF3分子的形成 (1)BF3分子的形成 (2)sp2杂化：sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而得，每个sp2杂化轨道含有s和p的成分。sp2杂化轨道间的夹角为120，呈平面三角形(如BF3)。 (3)sp2杂化后，未参与杂化的1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 (1)CH4分子的空间构型 (2)sp3杂化：sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而得，每个sp3杂化轨道含有s和p的成分。sp3杂化轨道的夹角为109.5，呈空间正四面体形(如CH4、CF4、CCl4)。 [归纳总结] 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——sp1杂化 ②平面形——sp2杂化 ③四面体形——sp3杂化 (2)由电子对数判断杂化类型(包括孤电子对和电子对) ①2对——sp1杂化 ②3对——sp2杂化 ③4对——sp3杂化 (3)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——sp1杂化 [活学活用] 3．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≡CH ⑤NH3　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sp1杂化；⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。 理解感悟　分子的空间构型与杂化轨道的类型有关，因此掌握分子的空间构型并据此判断分子中杂化轨道类型。 4．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空间构型都是正四面体形 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 当堂检测 1．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sp1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参与杂化的2p轨道形成π键 D．两个碳原子间形成两个π键和一个σ键 答案　B 解析　乙炔分子中碳原子以1个2s轨道和1个2p轨道形成sp1杂化轨道。故乙炔分子中碳原子采用sp1杂化方式，且每个碳原子以两个未参与杂化的2p轨道形成2个π键，构成碳碳叁键。解答本题时必须要了解乙炔分子的结构，理解其成键过程，才能准确的判断其杂化类型。 2．形成下列分子时，一个原子用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是(　　) ①PF3　②CCl4　③NH3　④H2O A．①② B．②③ C．③④ D．①④ 答案　A 3．有关甲醛分子的说法正确的是(　　) ①C原子采取sp1杂化　②甲醛分子为三角锥形结构 ③C原子采取sp2杂化　④甲醛分子为平面三角形结构 A．①②B．②③C．③④D．①④ 答案　C 解析　甲醛分子(CH2O)中的中心C原子采取的是sp2杂化，3个杂化轨道呈平面三角形，2个sp2杂化轨道分别与1个H原子的s轨道形成C—Hσ键，另1个sp2杂化轨道与O原子的p轨道形成1个σ键，C原子中未用于杂化的一个p轨道与O原子的p轨道形成1个π键。 4．CH、CH3、CH都是重要的有机物反应的中间体，CH中四个原子是共平面的，则C原子是________杂化，键角应是________。 答案　sp2　120 解析　根据杂化轨道类型中sp2杂化轨道的空间构型特点，可得答案。 40分钟课时作业 [基础过关] 一、原子轨道杂化与杂化轨道 1．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、最小排斥原理 D．杂化轨道可分为等性杂化轨道和不等性杂化轨道 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。 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对电子 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对电子，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。 3．用鲍林的杂化轨道理论解释甲烷分子的正四面体结构，下列说法不正确的是(　　) A．C原子的四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 答案　D 解析　甲烷中碳原子采取sp3杂化，四个等同的杂化轨道分别与四个氢原子的s轨道重叠，形成正四面体形的分子。 二、杂化轨道类型及其判断 4．在BrCH===CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是(　　) A．sp1p B．sp2s C．sp2p D．sp3p 答案　C 解析　分子中的两个碳原子都是采用sp2杂化，溴原子的价电子排布为4s24p5,4p轨道上有一个单电子，与碳原子的1个sp2杂化轨道成键。 5．下列分子中的碳原子采用sp2杂化的是(　　) A．C2H2 B．CS2 C．HCHO D．C3H8 答案　C 解析　乙炔是直线形分子，碳原子采取sp1杂化形成两个sp1杂化轨道，碳原子上的另两个p轨道未参与杂化，而是与另一个碳原子同样的轨道形成两个π键；CS2类似于CO2，是直线形分子，也采取sp1杂化；HCHO是平面三角形分子，碳原子采取sp2杂化；C3H8是烷烃，类似于CH4，碳原子采取sp3杂化。 6．乙烯分子中含有4个C—H键和1个C===C键，6个原子在同一平面上。下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是(　　) ①每个C原子的2s轨道与2p轨道杂化，形成两个sp1杂化轨道　②每个C原子的2s轨道与2个2p轨道杂化，形成3个sp2杂化轨道　③每个C原子的2s轨道与3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道　④每个C原子的3个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道 A．①③ B．②④ C．①④ D．②③ 答案　B 解析　乙烯分子中每个C原子与1个C原子和2个H原子成键，必须形成3个σ键，6个原子在同一平面上，则键角为120，为sp2杂化，形成3个sp2杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道，2个C原子成键时形成1个π键。 三、杂化轨道类型与分子构型 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[HN,H]＋，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 答案　D 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．下列关于苯分子结构或性质的描述错误的是(　　) A．苯分子呈平面正六边形，六个碳碳键完全相同，键角皆为120 B．苯分子中的碳原子采取sp2杂化，6个碳原子中未参与杂化的2p轨道以“肩与肩”形式形成一个大π键 C．苯分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊类型的键 D．苯能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色 答案　D 解析　苯分子中的碳原子采取sp2杂化，六个碳碳键完全相同，呈平面正六边形结构，键角皆为120；在苯分子中有一个大π键，因此苯分子中的碳碳键并不是单、双键交替结构，也就不能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色。 9．下列分子中的中心原子的杂化方式为sp1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．BF3 答案　C 10．下列分子的中心原子的杂化轨道类型相同的是(　　) A．CO2与SO2 B．CH4与NH3 C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2 答案　B 解析　 [能力提升] 11．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。 12．通过计算判断下列中心原子的杂化轨道类型(点“”的原子为中心原子)。 微粒 杂化轨道数 杂化轨道类型 ①H3O＋ ②CH2===CH2 ③CCl4 ④NCl3 ⑤PH3 答案　①4　sp3　②3　sp2　③4　sp3　④4　sp3 ⑤4　sp3 解析　根据杂化轨道数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数，以及杂化轨道数为2时杂化方式为sp1，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，可得出正确答案。 13．中国古代四大发明之一——黑火药，它的爆炸反应为 2KNO3＋3C＋SA＋N2↑＋3CO2↑(已配平) (1)除S外，上列元素的电负性从大到小依次为______________________________ ______________。 (2)在生成物中，A的晶体类型为_________________________________________， 含极性共价键的分子的中心原子轨道杂化类型为____________________________。 (3)已知CN－与N2结构相似，推算HCN分子中σ键与π键数目之比为__________。 答案　(1)O>N>C>K　(2)离子晶体　sp1　(3)1∶1 解析　由原子守恒可知A为K2S，其晶体类型为离子晶体，含有极性共价键的分子为CO2，其中心原子轨道杂化为sp1杂化，N2中含有1个σ键和2个π键，所以CN－中也含有1个σ键和2个π键，在HCN中又多了一个H—Cσ键，所以在HCN中σ键和π键各为2个。 14．已知：①红磷在氯气中燃烧可以生成两种化合物——PCl3和PCl5，氮与氢也可形成两种化合物——NH3和NH5。 ②PCl5分子中，P原子的1个3s轨道、3个3p轨道和1个3d轨道发生杂化形成5个sp3d杂化轨道，PCl5分子呈三角双锥型(ClPClClClCl)。 (1)NH3、PCl3和PCl5分子中，所有原子的最外层电子数都是8个的是______________(填分子式)，该分子的空间构型是________。 (2)有同学认为，NH5与PCl5类似，N原子的1个2s轨道、3个2p轨道和1个2d轨道可能发生sp3d杂化。请你对该同学的观点进行评价：_________________________________。 (3)经测定，NH5中存在离子键，N原子最外层电子数是8，所有氢原子的最外层电子数都是2，则NH5中H元素的化合价为__________和__________；该化合物中N原子的杂化方式__________。 答案　(1)PCl3　三角锥形 (2)不对，因为N原子没有2d轨道 (3)＋1　－1　sp3 [拓展探究] 15．“三鹿奶粉事件”在社会上引起了人们对食品质量的恐慌，三 鹿奶粉中被掺杂了被称为“蛋白精”的工业原料三聚氰胺。已知三聚氰胺的结构简式如图所示。三聚氰胺是氰胺(H2N—C≡N)的三聚体，请回答下列问题： (1)写出基态碳原子的电子排布式______________。 (2)氰胺中—C≡N中的氮原子、三聚氰胺环状结构中的氮原子和氨基中的氮原子，这三种氮原子的杂化轨道类型分别是__________、__________、__________。 (3)一个三聚氰胺分子中有______个σ键。 (4)三聚氰胺与三聚氰酸(NHNNHHOOO)分子相互之间通过氢键结合，在肾脏内易形成结石。三聚氰酸分子中C原子采取________杂化。该分子的结构简式中，每个碳氧原子之间的共价键是__________(填字母)。 A．2个σ键B．2个π键 C．1个σ键，1个π键 答案　(1)1s22s22p2　(2)sp1　sp2　sp3　(3)15 (4)sp2　C 解析　(2)—C≡N中的N原子、环上的N原子、—NH2中的N原子分别形成1、2、3个σ键且均有一对未成键电子，所以分别采取sp1、sp2、sp3杂化。 (3)除每个双键上有1个π键外，其余均为σ键，共15个。 (4)由于该分子中C与O形成双键，则应采取sp2方式成键，sp2杂化的C原子与氧原子间有1个σ键、1个π键。