高考化学：分子构型与物质的性质

专题四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

思考、分析两个问题：

1．S原子与H原子结合为什么形成H2S分子，而不是H3S或H4S？

答案：共价键具有饱和性，S原子最外层有两个未成对电子，故只可与两个H原子结合形成两对共用电子对，形成H2S分子，而不会形成H3S或H4S

2.C原子与H原子结合形成的是CH4分子？而不是CH2或CH3？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。

sp3杂化

同一个原子中能量相近的一个ns轨道与三个np轨道进行混合组成四个新的原子轨道称为sp3 杂化轨道。

一、杂化轨道及其理论要点

1.杂化：原子内部能量相近的原子轨道，在外界条件影响下重新组合的过程

2.杂化轨道：原子轨道组合杂化后形成的一组新轨道

3.轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。

4.杂化结果

①变化：轨道的能量（降低）和方向发生改变；不变：轨道数目不变

②杂化轨道的电子云形状一头大，一头小。杂化轨道增强了成键能力。

例如一个ns轨道与三个np轨道进行混合杂化后得到4个sp3 杂化轨道

③常见杂化类型：sp、sp2、sp3

④杂化轨道成键时应满足化学键间最小排斥，最大夹角

如两个杂化轨道夹角理论上应为180°，三个杂化轨道为120°，四个为109°28′

⑤杂化轨道一般用于形成σ键或容纳孤电子对。未参与杂化的轨道上的电子可形成π键二、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

BF3是平面三角形构型，分子中键角均为120o；气态BeCl2是直线型分子构型，分子中键角为180o。试用杂化轨道理论加以说明。

(1)BF3分子的形成

①sp2杂化：同一个原子的一个ns轨道与两个np轨道进行杂化组合为sp2 杂化轨道。sp2 杂化轨道间的夹角是120°，分子的几何构型为平面正三角形。

②杂化后的3个sp2杂化轨道分别与F原子的2p轨道发生重叠，形成3个σ键，构成正三角形的BF3分子。

(2)BeCl2分子的形成

①sp杂化：同一原子中ns-np 杂化成新轨道：一个S轨道和一个P轨道杂化组合成两个新

的sp 杂化轨道。

②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．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—C σ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—H σ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—C σ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：

三、杂化轨道的类型与分子空间构型的关系

答案：

[特别提醒]

(1)在形成多原子分子时，中心原子价电子层上的某些能量相近的原子轨道(n s，n p)发生杂化，双原子分子中，不存在杂化过程。

(2)杂化过程中，原子轨道总数不变，即杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相等。

(3)杂化过程中，轨道的形状发生变化，但杂化轨道的形状相同，能量相等。

(4)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。

[巩固练习]

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

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

3.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

4.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

5．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

6．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

7.下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是()

①BF3②CH2===CH2③④CH≡CH⑤NH3⑥CH4

A．①②③B．①⑤⑥

C．②③④D．③⑤⑥

8．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________。