2020版高中化学 第2章 第2节 共价键与分子的空间构型 第1课时学案 鲁科版选修3

第1课时一些典型分子的空间构型

[学习目标定位] 1.了解常见分子的空间构型。2.理解杂化轨道理论的主要内容，并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．试解释CH4分子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．轨道杂化与杂化轨道

杂化轨道理论四要点

(1)能量相近

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)数目不变

形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。

(3)成键能力增强

杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。

(4)排斥力最小

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。

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

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电子

答案 A

解析只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，1s轨道与2s、2p轨道能量相差太大，不能形成杂化轨道，故A 项不正确，B项正确；杂化轨道重叠程度更大，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有电子，可以是空轨道，也可以有1对孤对电子(如NH3、H2O的形成)，故D项正确。

易错警示

(1)杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤对电子。

(2)未参与杂化的p轨道，可用于形成π键。

例2用鲍林的杂化轨道理论解释CH 4分子的正四面体结构，下列说法不正确的是( )

A．C原子的4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杂化轨道由孤对电子占据

答案 D

解析甲烷中C原子采取sp3杂化，每个杂化轨道上1个电子分别与1个H原子上的电子结合形成共价键，这四个共价键完全相同，轨道间的夹角为109.5°，形成正四面体形的分子。

规律总结

1个n s轨道和3个n p轨道杂化得到4个能量相等的sp3杂化轨道，且4个轨道间夹角相等。

二、杂化轨道类型和分子的空间构型

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n s轨道和1个n p轨道杂化而得，sp1杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形。

(3)sp1杂化后，未参与杂化的2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．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n s轨道和2个n p轨道杂化而得，sp2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三

角形。

(3)sp2杂化后，未参与杂化的1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．sp3杂化——NH3、H2O与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n s轨道和3个n p轨道杂化而得，sp3杂化轨道的夹角为109.5°，呈正四面体构型。

(3)NH3、H2O分子中N原子和O原子的杂化类型分别为sp3、sp3杂化。由于N原子和O原子分别有1对和2对孤对电子，孤对电子对成键电子对的排斥作用较强，且孤对电子数越多，排斥作用越强，使键角依次变小。

1.杂化轨道类型的判断方法

(1)根据杂化轨道之间的夹角判断：若杂化轨道之间的夹角为109.5°，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sp1杂化。

(2)根据分子(或离子)的空间构型判断

①正四面体形―→中心原子为sp3杂化；三角锥形―→中心原子为sp3杂化；

②平面三角形―→中心原子为sp2杂化；

③直线形―→中心原子为sp1杂化。

2．杂化轨道类型与分子空间构型的关系

(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时

杂化类型sp1sp2sp3

参与杂化的原子轨道及数目n s 1 1 1 n p 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 正四面体形 实例

BeCl 2、CO 2、CS 2

BCl 3、BF 3、BBr 3

CF 4、SiCl 4、SiH 4

(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤对电子时，由于孤对电子的排斥作用，会使分子的空间构型与杂化轨道的形状不同，如H 2O 和NH 3，O 与N 的杂化类型都为sp 3

杂化，孤电子对数分别为2、1，分子空间构型分别为V 形、三角锥形。

例3 NH 3分子空间构型是三角锥形，而CH 4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，NH 3为sp 2

杂化，而CH 4是sp 3

杂化 B ．NH 3分子中N 原子形成3个杂化轨道，CH 4分子中C 原子形成4个杂化轨道 C ．NH 3分子中有一对未成键的孤对电子，它对成键电子的排斥作用较强 D ．NH 3分子中有3个σ键，而CH 4分子中有4个σ键 答案 C

解析 NH 3和CH 4的中心原子均是sp 3

杂化，但NH 3分子中有一对孤对电子，CH 4分子中没有孤对电子，由于孤对电子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，NH 3分子进一步被“压缩”成三角锥形，甲烷则呈正四面体形。 方法规律

AB m 型分子(或离子)的空间构型与中心原子杂化轨道类型和孤电子对数的关系：

AB m 型分子或离子

中心原子杂化类型

中心原子孤电子对数

空间构型 AB 4 sp 3

0 正四面体形 AB 3(B 3A)

sp 3 1 三角锥形 sp 2 0 平面三角形

AB 2(B 2A)

sp 2 1 V 形 sp 1

直线形

中心原子或离子的杂化轨道空间构型与分子或离子的空间构型不一定相同。中心原子杂化轨道类型相同的分子或离子的空间构型不一定相同。

例4 下列有关NCl 3分子的叙述正确的是( ) A ．NCl 3分子中的N 原子采取sp 2

杂化 B ．NCl 3分子为平面三角形

C ．NCl 3分子中Cl —N —Cl 键角小于109.5°

D ．NCl 3分子中含有非极性键 答案 C

解析 NCl 3分子中心原子N 原子的杂化轨道数为n ＝12

×(5＋3)＝4，N 原子的杂化类型为sp 3

，其中1个杂化轨道