高中化学物质结构杂化轨道理论

第2课时 杂化轨道理论
[学习目标定位] 知道杂化轨道理论的基本内容，能根据杂化轨道理论确定简单分子的立体构型。

一 杂化轨道理论
1.杂化轨道及其理论要点
(1)阅读教材内容，并讨论甲烷分子中四个C—H 键的键能、键长，为什么都完全相同？ 答案 在形成CH 4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sp 3杂化轨道。

四个sp 3杂化轨道分别与四个H 原子的1s 轨道重叠成键形成CH 4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加。

2.杂化轨道类型和立体构型 (1)sp 杂化——BeCl 2分子的形成 ①BeCl 2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BeCl 2分子。

②sp 杂化：sp 杂化轨道是由一个n s 轨道和一个n p 轨道杂化而得，每个sp 杂化轨道含有12
s
和1
2
p 轨道的成分。

sp 杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形(如BeCl 2)。

③sp 杂化后，未参与杂化的两个n p 轨道可以用于形成π键，如乙炔分子中的C ≡C 键的形成。

(2)sp 2杂化——BF 3分子的形成 ①BF 3分子的形成
②sp 2杂化：sp 2杂化轨道是由一个n s 轨道和两个n p 轨道杂化而得，每个sp 2杂化轨道含有
1
3s 和2
3
p 的成分。

sp 2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形(如BF 3)。

③sp 2杂化后，未参与杂化的一个n p 轨道可以用于形成π键，如乙烯分子中的C===C 键的形成。

(3)sp 3杂化——CH 4分子的形成 ①CH 4分子的立体构型
②sp 3杂化：sp 3杂化轨道是由一个n s 轨道和三个n p 轨道杂化而得，每个sp 3杂化轨道含有
1
4s 和3
4p 的成分。

sp 3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间正四面体形(如CH 4、CF 4、CCl 4)。

[归纳总结]
杂化类型与分子间的空间构型
[
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()
①BF3②CH2===CH2③④CH≡CH
⑤NH3⑥CH4
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；⑤NH 3中的氮原子为sp 3杂化；⑥CH 4中的碳原子为sp 3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。

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――→判断
杂化轨道数――→判断
杂化类型――→判断
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sp 3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp 2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sp 3杂化，连接双键的碳原子采取sp 2杂化，连接三键的碳原子采取sp 杂化。

[活学活用]
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)C ．
S 2 、 、 。

(2)N．H＋4、、。

(3)H2O．、、。

(4)P．Cl3、、。

(5)B．Cl3、、。

答案(1)2sp直线形(2)4sp3正四面体形(3)4sp3四面体形(4)4sp3四面体形(5)3sp2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VSEPR模型典型分子立体构型
当堂检测
1.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几何构型都是正四面体
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
的空间结构不是正四面体。

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.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SO2－4中S原子的杂化方式为()
A.sp
B.sp2
C.sp3
D.无法判断
答案C
解析在SO2－4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。

3.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°
答案C
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°。

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.ClO－、ClO－2、ClO－3、ClO－4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－2的立体构型是；ClO－3的立体构型是；ClO－4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＋4)。

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—H σ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，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—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不正确。

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－4，则BF3和BF－4中
B的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BF3中B原子的价层电子对数为3，所以为sp2杂化，BF－4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.sp­p
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()
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，碳碳三键中两个碳原子采取sp杂化。

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.NH 3为三角锥形结构，CO 2为直线形结构
D.N 原子和C 原子上都没有孤对电子 答案 C
解析 NH 3和CO 2分子的中心原子分别采取sp 3杂化和sp 杂化的方式成键，但NH 3分子的N 原子上有1对孤对电子来参与成键，根据杂化轨道理论，NH 3的分子构型应为三角锥形，CO 2的分子构型为直线形。

7.下列推断正确的是( ) A.BF 3为三角锥形分子
B.NH ＋
4的电子式为
，离子呈平面正方形结构
C.CH 4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s­p σ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 BF 3为平面三角形，NH ＋4为正四面体形，CH 4分子中碳原子的2s 轨道与2p 轨道形成4个sp 3杂化轨道，然后与氢原子的1s 轨道重叠，形成4个s­sp 3 σ键；甲醛分子为平面三角形，为sp 2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(CH 4)失去一个H ＋
，形成甲基阴离子(CH －
3)，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 答案 A
解析 CH 4为正四体结构，而CH －3
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sp 3杂化。

9.有机物C ·H 3C ·H==CH—C ·≡CH 中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为( ) A.sp 、sp 2、sp 3
B.sp 2、sp 、sp 3
C.sp3、sp2、sp
D.sp3、sp、sp2
答案C
[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.(1)SCN－、NO＋2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)CO2－3、NO－3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)24SO3平面三角sp2
解析(1)中SCN－，NO＋2与CO2为等电子体。

由于CO2中C原子采用sp杂化，形成直线形分子，所以SCN－、NO＋2的中心原子都采用sp杂化。

(2)中CO2－3、NO－3与SO3为等电子体，SO3中S采取sp2杂化形成平面三角形分子。

12.有A、B、C、D、E五种短周期元素，其中A、B、C属于同一周期，A原子最外层p能级的电子数等于次外层的电子总数；B原子最外层中有两个不成对的电子；D、E原子核内各自的质子数与中子数相等；B元素可分别与A、C、D、E生成RB2型化合物，并知在DB2和EB2中，D与B的质量比为7∶8，E与B的质量比为1∶1。

试回答：
(1)写出D元素基态原子的电子排布式：。

(2)写出AB2的结构式：。

(3)B、C两元素的第一电离能大小关系为> (填元素符号)，原因是。

(4)根据VSEPR模型预测C的氢化物的立体构型为，中心原子C的杂化轨道类型为。

(5)C的单质分子中π键的数目为，B、D两元素的气态氢化物的稳定性大小关系为> (填化学式)。

答案(1)1s22s22p63s23p2(2)O===C===O
(3)N O N原子最外层的p能级电子处于半充满状态，比较稳定(4)三角锥形sp3杂化(5)2H2O SiH4
解析阅读题干寻找突破口，如A原子最外层p能级的电子数等于次外层的电子总数，可知A原子的核外电子排布式为1s22s22p2，A为碳元素；然后顺藤摸瓜，如A、B、C属于同一周期，B原子最外层中有两个不成对的电子，可知B为氧元素；C能与B形成CB2型化
合物且位于第二周期，可知C为氮元素；DB2中7
M(D)∶8
16
＝1∶2，可知M(D)＝28，D中质子数等于中子数，可知D为硅元素，同理可知E为硫元素。

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，分子的空间构型为。

(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的空间构型为三角双锥形(如下图所示)。

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
[拓展探究]
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)它的所有原子是否可能处于同一个平面上？(填“可能”或“不可能”)。

(3)它是否带有电荷？(填“是”或“否”)。

(4)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。

(5)为什么人们推测它是炸药？。

答案(1)C6H2O2N10(2)可能(3)否(4)190
(5)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)碳原子和氮原子均相当于有3个价电子对，根据价层电子对互斥理论，可知它们为平面三角形结构，由此推出碳原子和氮原子构成的环为平面结构，氧原子有4对电子对，它们的排列方式为四面体结构，故与氧原子连接的氢原子可能在平面内，与环不直接连接的2个氮原子也在平面内；(3)由电子数可以确定，该分子不带电荷；(4)根据氮原子的成键特征和结构(或价层电子对互斥模型)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，(5)物质越稳定，能量越低，反应放出的能量越多。