高中化学选修3第二章 第二节 第2课时
第2课时杂化轨道理论
[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析：通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化轨道类型对分子立体构型的影响。2.证据推理与模型认知：通过对杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子立体构型分析的思维模型。
一、杂化轨道理论简介
1．杂化轨道及其特点
2．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成
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键是等同的。
碳原子的sp3杂化可表示如下：
3．杂化轨道类型
杂化类型sp sp2sp3参与杂化的原子轨道及数目
1个s轨道
1个p轨道
1个s轨道
2个p轨道
1个s轨道
3个p轨道杂化轨道的数目 2 3 4
杂化轨道理论的要点
(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是中心原子。
(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的。
(3)只有能量相近的轨道才能杂化(如2s、2p)。
(4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。
(5)杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理，使轨道在空间取得最大夹角分布。故杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变，但杂化轨道的形状完全相同。
(6)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。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
例
1以下有关杂化轨道的说法中错误的是()
A．第ⅠA族元素成键时不可能有杂化轨道
B．杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键
C．孤电子对有可能参加杂化
D．s轨道和p轨道杂化不可能有sp4出现
【考点】杂化轨道理论
【题点】杂化轨道理论的理解
答案 B
解析第ⅠA族元素的价电子排布式为n s1，由于只有1个n s电子，因此不可能形成杂化轨道；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；H2O分子中的氧原子采取sp3杂化，其sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的，所以孤电子对有可能参加杂化；由于
n p能级只有3个原子轨道，所以s轨道和p轨道杂化只有sp3、sp2、sp 3种，不可能出现sp4杂化。
例
2下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是()
A．由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成
B．共有3个能量相同的杂化轨道
C．每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一
D．sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
【考点】杂化轨道理论
【题点】杂化轨道理论的理解
答案 D
解析同一能层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大，相互杂化的轨道的能量差异也不能
过大，A项正确；同种类型的杂化轨道能量相同，B项正确；sp2杂化轨道是由一个s轨道与2个p轨道杂化而成的，C项正确；sp2杂化轨道最多可形成3个σ键，D项错误。
二、杂化轨道理论的应用
1．杂化轨道类型的判断
因为杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳孤电子对，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。例如：
2.分子的构型与杂化类型的关系
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的立体构型与杂化轨道的立体构型相同。
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的立体构型与杂化轨道的形状有所不同。
例
3有机物C
·H3CH==C
·
H—C
·
≡CH中标有
“·”的碳原子的杂化方式依次为()
A．sp、sp2、sp3B．sp3、sp2、sp
C．sp2、sp、sp3D．sp3、sp、sp2
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】中心原子杂化类型的判断
答案 B
解析根据价层电子对互斥理论可判断C原子的杂化方式，价层电子对数＝σ键电子对数＋
孤电子对数。若价层电子对数是4，则C原子采取sp3杂化；若价层电子对数是3，则C原子采取sp2杂化；若价层电子对数是2，则C原子采取sp杂化。甲基上C原子有4对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp3杂化；碳碳双键两端的2个C原子均有3对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp2杂化；碳碳三键两端的2个C原子均有2对σ键电子对，没有孤电子对，则C原子采取sp杂化。
方法规律——中心原子杂化类型的判断方法
(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°28′，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sp杂化。
(2)有机物中碳原子杂化类型的判断：饱和碳原子采取sp3杂化，连接双键的碳原子采取sp2杂化，连接三键的碳原子采取sp杂化。
例
4(2018·深州中学期中)下列分子中中心原子的杂化方式和分子的立体构型均正确的是()
A．C2H2：sp2、直线形
B．SO2－4：sp3、三角锥形
C．H3O＋：sp3、V形
D．BF3：sp2、平面三角形
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断立体构型
答案 D
解析乙炔的结构式为H—C≡C—H，每个碳原子价层电子对数是2且不含孤电子对，所以C原子采用sp杂化，为直线形结构；SO2－4中硫原子价层电子对数是4，孤电子对数为0，采取sp3杂化，为正四面体形；H3O＋中氧原子价层电子对数＝3＋1＝4，所以中心原子的杂化方式为sp3杂化，该离子中含有一对孤电子对，所以其立体构型为三角锥形；BF3分子中硼原子价层电子对数＝3＋0＝3，杂化轨道数为3，孤电子对数为0，所以其立体构型为平面三角形。
1．正误判断
(1)所有的原子轨道都参与杂化(×)
(2)杂化轨道能量集中，有利于牢固成键(√)
(3)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同，但能量不同(√)
(4)杂化轨道的键角与分子内的键角不一定相同(√)
(5)只要分子的立体构型为平面三角形，中心原子均为sp2杂化(√)
(6)杂化方式相同的分子，立体构型一定相同(×)
2．(2019·荆门高二月考)在CH3COCH3中，中间碳原子和两边碳原子成键所采用的杂化方式分别是()
A．sp2、sp3B．sp3、sp3
C．sp2、sp2D．sp、sp3
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】中心原子杂化类型的判断
答案 A
解析首先写出CH3COCH3的结构简式：，由此知两边的碳均为sp3杂化(与CH4类似)；中间碳原子采用了sp2杂化。
3．鲍林是两位获得诺贝尔奖不同奖项的人之一，杂化轨道是鲍林为了解释分子的立体结构提出的。下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是()
A．sp杂化轨道的夹角最大
B．sp2杂化轨道的夹角最大
C．sp3杂化轨道的夹角最大
D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论解释分子立体构型
答案 A
解析sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28 ′、120°、180°，故A项正确。
4．对于短周期元素形成的各分子，下表所述的对应关系错误的是()
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断分子立体构型
答案 B
解析A项，C原子形成了4个σ键，孤电子对数为0，VSEPR模型及分子的立体构型均是正四面体形，正确；B项，N原子有1对孤电子对且形成了3个σ键，VSEPR模型为四面体
形，分子的立体构型为三角锥形，错误；C项，C原子的价层电子对数为2＋1
2×(4－2×2)＝2，VSEPR模型为直线形，分子的立体构型也为直线形，正确；D项，S原子有2对孤电子对且形成了2个σ键，VSEPR模型为四面体形，分子的立体构型为V形，正确。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______________。
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断分子立体构型
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，中心原子的孤电子对数分别为2、1、0，由此判断其立体构型依次类似于H2O、NH3、CH4(或NH＋4)。
题组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．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
【考点】杂化轨道理论
【题点】杂化轨道理论的理解
答案 D
解析杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对。
2．(2018·福建厦门月考)如图是乙烯分子的模型，对乙烯分子中的化学键分析正确的是()
A．sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键
B．sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键
C．C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键D．C、C之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、H之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键【考点】杂化轨道理论
【题点】杂化轨道理论的理解
答案 A
解析乙烯分子中存在4个C—H键和1个C==C键，C原子上孤电子对数为0，σ键电子对数为3，则C原子采取sp2杂化，C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间有1个是sp2杂化轨道形成的σ键，还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键。
3．下列关于原子轨道的说法正确的是()
A．杂化轨道形成共价键时，只能形成σ键不能形成π键
B．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
C．凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其立体构型都是正四面体形
D．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
【考点】杂化轨道理论
【题点】杂化轨道理论的理解
答案 A
解析中心原子采取sp3杂化，轨道形状可能是正四面体，如果中心原子还有孤电子对，分子的立体构型则不是正四面体；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。
题组二杂化轨道类型与分子立体构型的判断
4．(2019·延安高二调研)在BrCH==CHBr分子中，C—Br键采用的成键轨道是()
A．sp-p B．sp2-s
C．sp2-p D．sp3-p
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】中心原子杂化类型的判断
答案 C
解析分子中的两个碳原子都是采取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．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．sp2C．sp3D．无法判断
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】中心原子杂化类型的判断
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。6．(2018·四川资阳伍隍中学高二月考)sp3杂化形成的AB4型分子的立体构型是() A．平面四方形B．正四面体形
C．三角锥形D．平面三角形
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论判断分子立体构型
答案 B
7．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°
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】利用杂化轨道理论解释分子的立体构型
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
SO 2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°。
8．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( ) A ．SO 3与SO 2 B ．BF 3与NH 3 C ．BeCl 2与SCl 2
D ．H 2O 与SO 2
【考点】 杂化轨道理论的应用 【题点】 中心原子杂化类型的判断 答案 A
解析 SO 3中S 原子杂化轨道数为3，采取 sp 2杂化方式，SO 2中S 原子杂化轨道数为3，采取 sp 2杂化方式，A 正确；BF 3中B 原子杂化轨道数为3，采取 sp 2杂化方式，NH 3中N 原子杂化轨道数为4，采取 sp 3杂化方式，B 错误； BeCl 2中Be 原子杂化轨道数为2，采取 sp 杂化方式，SCl 2中S 原子杂化轨道数为4，采取sp 3杂化方式，C 错误；H 2O 中O 原子杂化轨道数为4，采取sp 3杂化方式，SO 2中S 原子采取sp 2杂化方式，D 项错误。 9．下表中各粒子对应的立体构型及杂化方式均正确的是( )
【考点】 杂化轨道理论的应用 【题点】 杂化轨道理论的综合应用 答案 D
解析 A 项，SO 3分子中硫原子的价层电子对数＝3＋1
2×(6－3×2)＝3，不含孤电子对，采取
sp 2杂化，立体构型为平面三角形，错误；B 项，SO 2分子中硫原子的价层电子对数＝2＋1
2
×(6
－2×2)＝3，含1对孤电子对，采取sp 2杂化，立体构型为V 形，错误；C 项，CO 2－3
中碳原子价层电子对数＝3＋1
2×(4＋2－3×2)＝3，不含孤电子对，采取sp 2杂化，立体构型为平面
三角形，错误；D 项，乙炔(CH ≡CH)分子中每个碳原子均形成2个σ键和2个π键，价层电子对数是2，为sp 杂化，立体构型为直线形，正确。
10．根据价层电子对互斥理论，判断下列分子或离子的立体构型正确的是()
A.①②B．②③C．②④D．①④
【考点】价层电子对互斥理论
【题点】价层电子对互斥(VSEPR)模型与分子立体构型的对比
答案 D
解析AsCl3分子的价层电子对数为4，价层电子对互斥模型为四面体形，含有一对孤电子对，分子立体构型为三角锥形，①正确；甲醛(H2C==O)分子的价层电子对数为3，价层电子对互斥模型为平面三角形，没有孤电子对，分子的立体构型为平面三角形，②错误；NF3分子的价层电子对数为4，价层电子对互斥模型为四面体形，含有一对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，③错误；NH＋4的价层电子对数为4，价层电子对互斥模型为正四面体形，没有孤电子对，离子的立体构型为正四面体形，④正确。
题组三分子结构的综合分析
11．下列关于NH＋4、NH3、NH－2三种微粒的说法不正确的是()
A．三种微粒所含有的电子数相等
B．三种微粒中氮原子的杂化方式相同
C．三种微粒的立体构型相同
D．键角大小关系：NH＋4>NH3>NH－2
【考点】分子结构的综合考查
【题点】分子结构的综合考查
答案 C
解析NH＋4、NH3、NH－2含有的电子数均为10，A正确；NH＋4、NH3、NH－2三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化，B正确；NH＋4立体构型为正四面体形，NH3为三角锥形，NH－2为V形，C错误；NH＋4、NH3、NH－2三种微粒的键角大小关系为NH＋4>NH3>NH－2，D正确。12．化合物A是一种新型锅炉水除氧剂，其结构式如图所示：
，下列说法正确的是()
A．碳、氮原子的杂化类型相同
B．氮原子与碳原子分别为sp3杂化与sp2杂化
C．1 mol A分子中所含σ键的数目为10N A
D．编号为a的氮原子和与其成键的另外三个原子在同一平面内
【考点】分子结构的综合考查
【题点】分子结构的综合考查
答案 B
解析A分子中碳、氮原子各形成了3个σ键，氮原子有一对孤电子对而碳原子没有，故氮原子是sp3杂化而碳原子是sp2杂化，A项错误、B项正确；A分子中有一个碳氧双键，故有12对共用电子对、11个σ键，C项错误；氮原子为sp3杂化，相应的四个原子形成的是三角锥形结构，不可能共平面，D项错误。
13．(1)X 射线衍射测定等发现，I 3AsF 6中存在I ＋3。I ＋
3的立体构型为__________________，中心原子的杂化方式为________________。
(2)从结构角度分析，NH ＋
4和H 3O ＋
两种阳离子的相同之处为__________，不同之处为__________(填字母)。 A ．中心原子的杂化轨道类型 B ．中心原子的价层电子对数 C ．立体构型 D ．共价键类型
(3)CO 2和CH 3OH 分子中C 原子的杂化方式分别为________和________。 【考点】 杂化轨道理论的应用 【题点】 杂化轨道理论的综合应用 答案 (1)V 形 sp 3 (2)ABD C (3)sp sp 3 解析
(1)I ＋3中
I 原子为中心原子，其价层电子对数＝2＋7－1－2×1
2
＝4，则中心原子采取sp 3
杂化，I ＋3的立体构型为V 形。
(2)NH ＋4中N 原子的价层电子对数＝4＋5－1－4×1
2＝4，采取sp 3杂化，立体构型为正四面体
形；H 3O ＋中O 原子的价层电子对数＝3＋6－1－3×1
2＝4，采取sp 3杂化，立体构型为三角锥
形；两离子中均只含极性共价键，共价键类型相同。
(3)CO 2中C 原子的价层电子对数＝2＋4－2×2
2＝2，采取sp 杂化。由甲醇的结构式可知，C
原子形成四个共价单键，故C 原子采取sp 3杂化。 14．磷与氯气在一定条件下反应，可以生成PCl 3、PCl 5。
(1)写出磷原子的电子排布式：__________________________________________________。 (2)PCl 3分子中磷原子采用的杂化方式是__________，分子的立体构型为________________。 (3)磷原子在形成PCl 5分子时，除最外层s 、p 轨道参与杂化外，其3d 轨道也有1个轨道参与了杂化，称为sp 3d 杂化。成键电子对数与孤电子对数总和为5的原子常采用sp 3d 杂化。磷原子中5个杂化轨道分别与5个氯原子的3p 轨道配对成键，PCl 5的立体构型为三角双锥形(如图所示)。下列关于PCl 5分子的说法正确的有___________(填字母)。
A．PCl5分子中磷原子没有孤电子对
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，不能形成NCl5，原因是_____________________________________________________。
【考点】分子结构的综合考查
【题点】分子结构的综合考查
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
15．按要求回答下列问题：
(1)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型为________。
(2)醛基中碳原子的杂化轨道类型是________。
(3)化合物中阳离子的立体构型为____________，阴离子的中心原子轨道采用__________杂化。
(4)X的单质与氢气可化合生成气体G，其水溶液pH>7。G分子中X原子的杂化轨道类型是__________。
(5)S单质的常见形式为S8，其环状结构如图所示，S原子采用的轨道杂化方式是__________。
(6)H＋可与H2O形成H3O＋，H3O＋中O原子采用________杂化。H3O＋中H—O—H键角比H2O 中H—O—H键角大，原因为_________________________________________________。
【考点】杂化轨道理论的应用
【题点】杂化轨道理论的综合应用
答案(1)sp3、sp2(2)sp2(3)三角锥形sp3(4)sp3
(5)sp3(6)sp3H3O＋中O原子只有1对孤电子对，H2O中O原子有2对孤电子对，前者σ键电子对与孤电子对的排斥力较小，因而键角大
解析(1)CH3COOH分子中，—CH3和—COOH上的碳原子的杂化轨道类型分别是sp3和sp2。
(2)上的碳原子形成3个σ键和1个π键，是sp2杂化。(4)G是NH3分子，N原子采取sp3杂化。(5)硫原子形成2个S—S键，还有2对孤电子对，杂化方式为sp3。(6)H2O和H3O＋中的氧原子均采取sp3杂化，其键角的差异是由σ键电子对与孤电子对的斥力差异所造成的。