2018-2019版高中化學 專題4 分子空間結構與物質性質 第一單元 分子構型與物質的性質 第1課時學案 蘇教版選修3.docx

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第一單元　分子構型與物質的性質 第1課時　雜化軌道理論與分子空間構型 [學習目標定位]　知道共價分子結構的多樣性和復雜性，能用雜化軌道理論解釋或預測某些分子或離子的空間結構。 一、雜化軌道及其理論要點 1．試解釋CH4分子為什么具有正四面體的空間構型？ (1)雜化軌道的形成 碳原子的1個2s軌道上的電子進入2p空軌道，1個2s軌道和3個2p軌道“混合”起來，形成能量相同的4個sp3雜化軌道，可表示為 (2)共價鍵的形成 碳原子的4個sp3雜化軌道分別與四4個H原子的1s軌道重疊形成4個相同的σ鍵。 (3)CH4分子的空間構型 甲烷分子中的4個C—H是等同的，C—H之間的夾角——鍵角是109.5，形成正四面體型分子。 2．軌道雜化與雜化軌道 (1) 軌道的雜化：在外界條件影響下，原子內部能量相近的原子軌道重新組合形成一組新軌道的過程叫做原子軌道的雜化。 (2)雜化軌道：重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。 (3)軌道雜化的過程：激發(fā)→雜化→軌道重疊。 雜化軌道理論要點 (1)原子在成鍵時，同一原子中能量相近的原子軌道可重新組合成雜化軌道。 (2)參與雜化的原子軌道數(shù)等于形成的雜化軌道數(shù)。 (3)雜化改變了原子軌道的形狀、方向。雜化使原子的成鍵能力增大。 例1　下列關于雜化軌道的說法錯誤的是(　　) A．所有原子軌道都參與雜化形成雜化軌道 B．同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化 C．雜化軌道能量集中，有利于牢固成鍵 D．雜化軌道中不一定有一個電子 答案　A 解析　參與雜化的原子軌道，其能量不能相差太大，如1s軌道與2s、2p軌道能量相差太大，不能形成雜化軌道，即只有能量相近的原子軌道才能參與雜化，故A項錯誤，B項正確；雜化軌道的電子云一頭大一頭小，成鍵時利用大的一頭，可使電子云重疊程度更大，形成牢固的化學鍵，故C項正確；并不是所有的雜化軌道中都會有電子，也可以是空軌道，也可以有一對孤電子對(如NH3、H2O)，故D項正確。 二、用雜化軌道理論解釋分子的形成及分子中的成鍵情況 1．用雜化軌道理論解釋BeCl2、BF3分子的形成 (1)BeCl2分子的形成 雜化后的2個sp雜化軌道分別與氯原子的3p軌道發(fā)生重疊，形成2個σ鍵，構成直線形的BeCl2分子。 (2)BF3分子的形成 2．用雜化軌道理論解釋乙烯、乙炔分子中的成鍵情況 (1)乙烯分子中的成鍵情況 在乙烯分子中，C原子采取sp2雜化，形成3個雜化軌道，兩個碳原子各以1個雜化軌道互相重疊，形成1個C—Cσ鍵，另外兩個雜化軌道分別與氫原子的1s軌道重疊，形成2個C—Hσ鍵，這樣形成的5個鍵在同一平面上，此外每個C原子還剩下1個未雜化的p軌道，它們發(fā)生重疊，形成一個π鍵。其結構示意圖如下： (2) 乙炔分子中的成鍵情況 在乙炔分子中，碳原子采取sp雜化，形成2個雜化軌道，兩個碳原子各以1個雜化軌道互相重疊，形成1個C—Cσ鍵，每一個碳原子又各以1個sp軌道分別與1個氫原子形成σ鍵，這樣形成的3個鍵在同一直線上，此外每個碳原子還有2個未雜化的2p軌道，它們發(fā)生重疊，形成兩個π鍵。其結構示意圖如下： 雜化軌道的類型與分子空間構型的關系 雜化類型 sp sp2 sp3 參與雜化的原子軌道及數(shù)目 ns 1 1 1 np 1 2 3 雜化軌道數(shù)目 2 3 4 雜化軌道間的夾角 180 120 109.5 空間構型 直線形 平面三角形 正四面體 實例 BeCl2、CO2、CS2 BCl3、BF3、BBr3 CF4、SiCl4、SiH4 特別提醒　雜化軌道只能形成σ鍵，不能形成π鍵。 例2　下列分子的空間構型可用sp2雜化軌道來解釋的是(　　) ①BF3?、贑H2===CH2　③?、蹸H≡CH⑤NH3　⑥CH4 A．①②③ B．①⑤⑥ C．②③④ D．③⑤⑥ 答案　A 解析　sp2雜化軌道形成夾角為120的平面三角形，①BF3為平面三角形且B—F鍵夾角為120；②C2H4中碳原子以sp2雜化，且未雜化的2p軌道形成π鍵；③同②相似；④乙炔中的碳原子為sp雜化；⑤NH3中的氮原子為sp3雜化；⑥CH4中的碳原子為sp3雜化。 例3　有關雜化軌道的說法不正確的是(　　) A．雜化前后的軌道數(shù)不變，但軌道的形狀發(fā)生了改變 B．sp3、sp2、sp雜化軌道的夾角分別為109.5、120、180 C．雜化軌道既可形成σ鍵，又可形成π鍵 D．已知CO2為直線形分子，其分子結構可以用sp雜化軌道解釋 答案　C 解析　雜化前后的軌道數(shù)不變，雜化后，各個軌道盡可能分散、對稱分布，導致軌道的形狀發(fā)生了改變， A正確； sp3、sp2、sp雜化軌道其空間構型分別是正四面體型、平面三角形、直線形，所以其夾角分別為109.5、120、180，B正確；雜化軌道只能形成σ鍵，C錯誤；直線形分子的鍵角為180，中心原子的雜化方式是sp, D正確。 方法規(guī)律——中心原子雜化類型的判斷方法 (1)由分子構型判斷雜化類型 ①直線形——sp雜化 ②平面形——sp2雜化 ③四面體型——sp3雜化 (2)由碳原子的飽和程度判斷 ①飽和碳原子——sp3雜化 ②雙鍵上的碳原子——sp2雜化 ③叁鍵上的碳原子——sp雜化  1．s軌道和p軌道雜化的類型不可能有(　　) A．sp雜化 B．sp2雜化 C．sp3雜化 D．sp4雜化 答案　D 解析　p軌道只有3個方向不同的軌道px、py、pz，與1個s軌道可形成sp雜化如二氧化碳分子中碳原子，sp2雜化如BCl3中硼原子，最多形成sp3雜化如CCl4分子中碳原子，不可能有sp4出現(xiàn)。 2．下列有關sp雜化軌道的敘述正確的是(　　) A．是由一個1s軌道和一個2p軌道線性組合而成 B．sp雜化軌道中的兩個雜化軌道完全相同 C．sp雜化軌道可與其他原子軌道形成σ鍵和π鍵 D．sp雜化軌道有兩個，一個能量升高，另一個能量降低，但總能量保持不變 答案　B 解析　sp雜化軌道是同一原子內同一電子層內軌道發(fā)生的雜化，A項錯誤；不同類型能量相近的原子軌道混合起來，重新組合成一組新的軌道，所形成兩個能量等同的sp雜化軌道，B項正確，D項錯誤；雜化軌道用于形成σ鍵，未雜化的軌道形成π鍵，不是雜化軌道形成π鍵，C項錯誤。 3．在乙炔分子中有3個σ鍵、2個π鍵，它們分別是(　　) A．sp雜化軌道形成σ鍵、未雜化的2個2p軌道形成2個π鍵，且互相垂直 B．sp雜化軌道形成σ鍵、未雜化的2個2p軌道形成2個π鍵，且互相平行 C．C—H之間是sp雜化軌道形成的σ鍵，C—C之間是未參加雜化的2p軌道形成的π鍵 D．C—C之間是sp雜化軌道形成的σ鍵，C—H之間是未參加雜化的2p軌道形成的π鍵 答案　A 解析　碳原子形成乙炔時，一個2s軌道和一個2p軌道雜化成兩個sp軌道，另外的兩個2p軌道保持不變，其中一個sp軌道與氫原子的1s軌道頭碰頭重疊形成C—Hσ鍵，另一個sp軌道則與另一個碳原子的sp軌道頭碰頭重疊形成C—C σ鍵，碳原子剩下的兩個p軌道則肩并肩重疊形成兩個C—C π鍵，且這兩個π鍵相互垂直。 4．在分子中，羰基碳原子與甲基碳原子成鍵時所采取的雜化方式分別為(　　) A．sp2雜化；sp2雜化 B．sp3雜化；sp3雜化 C．sp2雜化；sp3雜化 D．sp雜化；sp3雜化 答案　C 解析　羰基上的碳原子共形成3個σ鍵，為sp2雜化；兩側甲基中的碳原子共形成4個σ鍵，為sp3雜化。 5．石墨烯(圖甲)是一種由單層碳原子構成的平面結構新型材料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面結構會發(fā)生改變，轉化為氧化石墨烯(圖乙)。 (1)圖甲中，1號C與相鄰C形成σ鍵的個數(shù)為________。 (2)圖乙中，1號C的雜化方式是________，該C與相鄰C形成的鍵角________(填“＞”“＜”或“＝”)圖甲中1號C與相鄰C形成的鍵角。 答案　(1)3　(2)sp3　＜ 解析　(1)圖甲中，1號C與相鄰的3個C形成1個碳碳雙鍵和2個碳碳單鍵，即形成3個σ鍵和1個π鍵。 (2)圖乙中，1號C除與3個C形成化學鍵外，還與羥基氧原子形成化學鍵，故該C采取sp3雜化。 [對點訓練] 題組一　原子軌道雜化與雜化軌道 1．(2018石室佳興外國語學校月考)有關乙炔分子中的化學鍵描述不正確的是(　　) A．兩個碳原子采用sp雜化方式 B．兩個碳原子采用sp2雜化方式 C．每個碳原子都有兩個未雜化的2p軌道形成π鍵 D．兩個碳原子形成兩個π鍵 答案　B 解析　乙炔中每個碳原子價層電子對數(shù)是2且不含孤電子對，所以碳原子采用sp雜化，A正確，B錯誤；每個碳原子中兩個未雜化的2p軌道肩并肩重疊形成π鍵，C正確；兩個碳原子之間形成1個σ鍵2個π鍵，D正確。 2．下列有關雜化軌道的說法不正確的是(　　) A．原子中能量相近的某些軌道，在成鍵時，能重新組合成能量相等的新軌道 B．軌道數(shù)目雜化前后可以相等，也可以不等 C．雜化軌道成鍵時，要滿足原子軌道最大重疊原理、能量最低原理 D．CH4分子中任意兩個C—H鍵的夾角為109.5 答案　B 解析　原子軌道形成雜化軌道前后，軌道數(shù)目不變化，用于形成雜化軌道的原子軌道的能量相近，并滿足最大重疊程度，故選B。 3．下列關于雜化軌道的敘述正確的是(　　) A．雜化軌道可用于形成σ鍵，也可用于形成π鍵 B．sp3雜化軌道是由同一原子中能量相近的s和p軌道混合形成的一組新軌道 C．NH3中N原子的sp3雜化軌道是由N原子的3個p軌道與H原子的s軌道雜化而成的 D．在乙烯分子中1個碳原子的3個sp2雜化軌道與3個氫原子的s軌道重疊形成3個C—Hσ鍵 答案　B 解析　雜化軌道只用于形成σ鍵，或用來容納未參與成鍵的孤電子對，不能用來形成π鍵，A錯誤；sp3雜化軌道是由同一個原子中能量相近的s軌道和p軌道通過雜化混合起來形成的一組能量相同的新軌道，B正確；NH3中N原子的sp3雜化軌道是由N原子的1個s軌道和3個p軌道雜化而成的，C錯誤；在乙烯分子中，1個碳原子的3個sp2雜化軌道中的2個sp2雜化軌道與2個氫原子的s軌道重疊形成2個C—H σ鍵，剩下的1個sp2雜化軌道與另一個碳原子的sp2雜化軌道重疊形成1個C—C σ鍵，D錯誤。 題組二　雜化軌道類型及其判斷 4．已知SO3分子結構呈平面三角形，則分子中S原子的雜化方式為(　　) A．spB．sp2C．sp3D．無法判斷 答案　B 解析　在SO3中與S原子相連的原子數(shù)為3且呈平面三角形，類似于BF3。所以根據雜化軌道理論可推知中心原子S的雜化方式為sp2雜化。 5．甲烷中的碳原子是sp3雜化，下列用*表示碳原子的雜化和甲烷中的碳原子雜化狀態(tài)一致的是(　　) A．CH≡CH3 B.H2===CHCH3 C．CH2===HCH3 D．CH2===CHH3 答案　D 解析　D項中用*表示碳原子形成了四個碳碳單鍵，與甲烷類似，其雜化類型為sp3雜化。 6．下列分子所含原子中，既有sp3雜化，又有sp2雜化的是(　　) 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雜化，醛基中碳原子采取sp2雜化；丙烯腈中碳碳雙鍵的兩個碳原子采取sp2雜化，另一個碳原子采取sp雜化；甲醛中碳原子采取sp2雜化；丙炔中甲基碳原子采取sp3雜化，碳碳叁鍵中兩個碳原子采取sp雜化。 7．BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氫氟酸或NaF溶液中都形成正四面體型的BF離子，則BF3和BF中B原子的雜化軌道類型分別是(　　) A．sp2、sp2 B．sp3、sp3 C．sp2、sp3 D．sp、sp2 答案　C 解析　根據粒子的空間構型可知BF3中B原子為sp2雜化，BF中B原子為sp3雜化。 題組三　雜化軌道理論的應用 8．形成下列分子時，中心原子采用sp3雜化軌道和另一個原子的p軌道成鍵的是(　　) ①PF3?、贑F4?、跱H3　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雜化， NH3和H2O分子中H原子以1s軌道與N或O原子形成σ鍵，PF3和CF4分子中F原子以2p軌道分別與P和C原子形成σ鍵。 9．下列分子中的中心原子的雜化方式為sp雜化，分子的空間構型為直線形，且分子中沒有形成π鍵的是(　　) 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雜化，且都含有π鍵；BeCl2分子中Be采取sp雜化，沒形成π鍵；BBr3中B原子采取sp2雜化，且沒有π鍵。 10．下列關于丙烯(CH3—CH===CH2)的說法正確的是(　　) A．丙烯分子有8個σ鍵，1個π鍵 B．丙烯分子中3個碳原子都是sp3雜化 C．丙烯分子不存在非極性鍵 D．丙烯分子中所有原子都共平面 答案　A 解析　C—C、C—H鍵均為σ鍵，C===C中有一個σ鍵，一個π鍵，則丙烯分子有8個σ鍵，1個π鍵， A正確；甲基中的C原子為sp3雜化，C===C中的C原子為sp2雜化，則丙烯分子中1個碳原子是sp3雜化，2個碳原子是sp2雜化， B錯誤；同種元素之間形成非極性鍵，則丙烯中存在C－C非極性共價鍵， C錯誤；由甲基為四面體結構可知，丙烯分子中所有原子不可能共平面，故D錯誤。 11．(2017石室佳興外國語學校月考)有關苯分子中的化學鍵描述正確的是(　　) A．每個碳原子的sp2雜化軌道中的其中一個形成大π鍵 B．每個碳原子的未參加雜化的2p軌道形成大π鍵 C．碳原子的三個sp2雜化軌道只形成2個σ鍵 D．碳原子的未參加雜化的2p軌道形成σ鍵 答案　B 解析　苯分子中，每個碳原子中的三個sp2雜化軌道分別與兩個碳原子和一個氫原子形成3個σ鍵，同時每個碳原子還有一個未參加雜化的2p軌道，它們均有一個未成對電子，這些2p軌道相互平行，以“肩并肩”方式相互重疊，形成一個多電子的大π鍵。 12．氮的最高價氧化物為無色晶體，它由NO和NO構成，已知其陰離子構型為平面三角形，陽離子中氮的雜化方式為sp雜化，則其陽離子的構型和陰離子中氮的雜化方式為(　　) A．直線形　sp2雜化 B．V形　sp雜化 C.平面三角形　sp2雜化 D．平面三角形　sp3雜化 答案　A 解析　NO構型為平面三角形，其中氮原子的雜化類型為sp2雜化；NO中氮的雜化方式為sp雜化，構型為直線形。 [綜合強化] 13．如圖是甲醛分子的模型，根據該圖和所學化學知識回答下列問題： (1)甲醛分子中碳原子的雜化方式是__________，作出該判斷的主要理由是____________ ___________________________________________________。 (2)下列是對甲醛分子中碳氧鍵的判斷，其中正確的是________(填序號)。 ①單鍵?、陔p鍵?、郐益I　④π鍵?、荭益I和π鍵 (3)甲醛分子中C—H鍵與C—H鍵間的夾角________(填“＝”“>”或“<”)120，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是________________________________________________________。 答案　(1)sp2　甲醛分子的空間構型為平面三角形 (2)②⑤　(3)<　碳氧雙鍵中存在π鍵，它對C—H鍵的排斥作用較強 解析　(1)原子的雜化軌道類型不同，分子的空間構型也不同。由圖可知，甲醛分子為平面三角形，所以甲醛分子中的碳原子采用sp2雜化。 (2)醛類分子中都含有C===O鍵，所以甲醛分子中的碳氧鍵是雙鍵。一般來說，雙鍵是σ鍵和π鍵的組合。 (3)由于碳氧雙鍵中存在π鍵，它對C—H鍵的排斥作用較強，所以甲醛分子中C—H鍵與C—H鍵間的夾角小于120。 14．2001年是偉大的化學家、1954年諾貝爾化學獎得主、著名的化學結構大師、20世紀的科學怪杰鮑林(L.Pauling)教授的誕辰100周年。1994年這位老人謝世后，人們打開他的辦公室，發(fā)現(xiàn)里面有一塊黑板，畫得滿滿的，其中一個結構式如圖所示。老人為什么畫這個結構式？它能合成嗎？它有什么性質？不得而知。這是鮑林留給世人的一個謎，也許這是永遠無法解開的謎，也許有朝一日你就能解開它。不管結果如何，讓我們先對這個結構作一番了解。 (1)它的分子式是_______________________________________________________。 (2)它是否帶有電荷？________(填“是”或“否”)。 (3)該分子中sp雜化的氮原子有________個；sp2雜化的氮原子有________個；sp3雜化的氮原子有________個。 (4)為什么人們推測它是炸藥？_________________________________________________。 答案　(1)C6H2O2N10　(2)否　(3)1　9　0 (4)它分解能產生大量很穩(wěn)定的氣體N2 解析　(1)根據有機物分子結構簡式的書寫規(guī)則，不難確定，每個環(huán)上除3個氮原子外還有3個碳原子，由此可以確定其分子式。(2)由電子數(shù)可以確定，該分子不帶電荷。(3)根據氮原子的成鍵特征和結構可以確定，采用sp2雜化方式的氮原子數(shù)為9個，采用sp雜化方式的氮原子數(shù)為1個，無sp3雜化方式。 15．化合物YX2、ZX2中X、Y、Z都是短周期元素，X與Y同周期，Y與Z同主族，Y原子的最外層p軌道上的電子數(shù)等于前一電子層電子總數(shù)；X原子最外層的p軌道中有一個軌道填充了2個電子。 (1)X元素基態(tài)原子的電子排布式是________，Y原子的價層電子的軌道表示式是________。 (2)YX2的分子構型是________。 (3)YX2分子中，Y原子的雜化軌道類型是________，1個YX2分子中含有________個π鍵。 答案　(1)1s22s22p4　 (2)直線形　(3)sp　2 解析　解此類題，首先從信息尋找突破口，如Y屬于短周期元素，Y原子的最外層p軌道上的電子數(shù)等于前一電子層電子總數(shù)，可判斷p軌道上有2個電子，則Y為碳元素；X原子最外層的p軌道中有一個軌道填充了2個電子，則p軌道上有4個電子，根據X與Y同周期可知X為氧元素；sp雜化得到夾角為180的直線形雜化軌道，所以CO2的分子構型為直線形，Y原子的雜化類型為sp；雙鍵中一個是σ鍵，一個是π鍵，CO2的結構式為O===C===O，故CO2分子中含有2個π鍵。