专题4 第一单元 分子构型与物质的性质.docx

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专题4第一单元分子构型与物质的性质

第一单元

分子构型与物质的性质

第1课时　分子的空间构型

●课标要求

1．能根据有关理论判断简单分子或离子的构型。

2．结合实例说明“等电子原理”的应用。

●课标解读

1.能准确判断共价分子中中心原子的杂化轨道类型。

2．能用杂化轨道理论和价层电子对互斥理论判断分子的空间构型。

3．利用“等电子原理”推测分子或离子中中心原子的杂化轨道类型及空间构型。

●教学地位

本节主要内容有：

（1）杂化轨道的类型；

（2）分子的空间构型；（3）等电子原理。

上述内容在近几年的高考试题中，重现率较高，是各级考试命题的热点内容。

●新课导入建议

研究表明，CH4分子为正四面体构型，所以CH2Cl2的结构只有一种，为四面体形。

最新研制的一种分子式为PtCl2（NH3）2的抗癌药，其有2种固体，一种为淡黄色，在水中的溶解度较小，有抗癌作用；一种为黄绿色，在水中的溶解度较大，但没有抗癌作用。

（1）PtCl2（NH3）2是否和CH2Cl2一样具有四面体结构？

（2）两种固体溶解度不同的原因是什么？

若解决上述问题，请学习“分子构型与物质的性质”。

●教学流程设计

⇒

⇒步骤2：

处理CH4的空间构型：

（1）sp3杂化。

（2）CH4分子中化学键的形成。

（3）空间构型。

其中：

师生一起突破sp3杂化。

⇒步骤3：

BF3、BeCl2的空间构型：

模仿处理CH4的空间构型的模式，通过同学之间交流讨论，老师轮回指导完成，同时完成[探究1]，将分析中心原子杂化方式上升到一般规律高度。

⇓

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课　标　解　读

重　点　难　点

1.了解杂化轨道的三种类型（sp3、sp2、sp）。

2.初步认识分子的空间构型。

3.能运用杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断分子的空间构型。

4.结合实例说明“等电子原理”的应用。

1.判断分子中心原子的杂化轨道类型。

（重点）

2.用价层电子对互斥理论及杂化轨道理论推断分子的空间构型。

（难点）

杂化轨道理论与分子空间构型

1.sp3杂化与CH4分子的空间构型

（1）杂化轨道的形成

碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，1个2s轨道和3个2p轨道“混合”，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道。

图示为：

（2）sp3杂化轨道的空间指向

碳原子的4个sp3杂化轨道指向正四面体的4个顶点，每个轨道上都有一个未成对电子。

（3）共价键的形成

碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个相同的σ键。

（4）CH4分子的空间构型

CH4分子为空间正四面体结构，分子中C—H键之间的夹角都是109.5°。

2．sp2杂化与BF3分子的空间构型

（1）sp2杂化轨道的形成

硼原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道。

1个2s轨道和2个2p轨道发生杂化，形成能量相等、成分相同的3个sp2杂化轨道。

图示为：

（2）sp2杂化轨道的空间指向

硼原子的3个sp2杂化轨道指向平面三角形的三个顶点，3个sp2杂化轨道间的夹角为120°。

（3）共价键的形成

硼原子的3个sp2杂化轨道分别与3个氟原子的1个2p轨道重叠，形成3个相同的σ键。

（4）BF3分子的空间构型

BF3分子的空间构型为平面三角形，键角为120°。

3．sp杂化与BeCl2分子的空间构型

（1）杂化轨道的形成

Be原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道，1个2s轨道和1个2p轨道发生杂化，形成能量相等、成分相同的2个sp杂化轨道。

图示为：

（2）sp杂化轨道的空间指向

两个sp杂化轨道呈直线形，其夹角为180°。

（3）共价键的形成

Be原子的2个sp杂化轨道分别与2个Cl原子的1个3p轨道重叠形成2个相同的σ键。

1．任意不同的原子轨道都可以杂化吗？

【提示】　原子轨道只有在形成分子的过程中才能杂化，孤立的原子不会发生杂化；另外，不是任意的不同轨道都能杂化，只有能量相近的轨道才能杂化。

价层电子对互斥模型

1.理论

分子中的价电子对（包括成键电子对和孤电子对）由于相互排斥作用，而趋向于尽可能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间构型。

2．相关说明

（1）具有相同价电子对数的分子，中心原子的杂化轨道类型相同，价电子对分布的几何构型也相同。

（2）如果分子中中心原子的杂化轨道上存在孤电子对，价电子对之间的斥力大小顺序为：

孤电子对与孤电子对之间的斥力＞孤电子对与成键电子对之间的斥力＞成键电子对与成键电子对之间的斥力，且随着孤电子对数目的增多，成键电子对与成键电子对之间的斥力减小，键角也减小。

2．价电子对数相同的分子，其空间构型都相同吗？

以价电子对数为4的分子举例说明。

【提示】　CH4、NH3、H2O分子的价电子对数均为4，CH4呈正四面体构型，NH3为三角锥型，H2O为V形。

分子的空间结构对物质性质的影响

1.影响：

具有相似分子空间结构的物质，在性质方面通常表现出一定的相似性。

2．等电子原理

（1）原理

具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构特征。

（2）应用

①判断一些简单分子或离子的立体构型。

②利用等电子体在性质上的相似性制造新材料。

③利用等电子原理针对某物质找等电子体。

3．CO和N2为等电子体，那么在CO分子中所含的价键类型及数目如何？

【提示】　CO和N2为等电子体，结构相似，N2中有一个σ键、两个π键，则CO中也有一个σ键，两个π键。

杂化轨道类型的判断方法

【问题导思】　

①试推测C2H6、C2H4、C2H2分子中，碳原子的杂化方式。

②杂化轨道能形成π键吗？

【提示】　①C2H6、C2H4、C2H2分子中，碳原子采用的杂化方式依次为sp3、sp2、sp。

②不能形成π键。

1．三种杂化轨道比较

杂化类型

sp

sp2

sp3

参与杂化的原子轨道

1个s和1个p

1个s和2个p

1个s和3个p

杂化轨道数

2

3

4

杂化轨道间夹角

180°

120°

109.5°

空间指向

直线

正三角形三个顶点

正四面体四个顶点

2.杂化类型的判断

因为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。

例如：

代表物

杂化轨道数

杂化轨道类型

CO2

0＋2＝2

sp

CH2O

0＋3＝3

sp2

CH4

0＋4＝4

sp3

SO2

1＋2＝3

sp2

NH3

1＋3＝4

sp3

H2O

2＋2＝4

sp3

1．杂化轨道数为2、3、4分别对应sp、sp2、sp3杂化。

2．杂化轨道只用于形成σ键或者容纳孤电子对。

　指出下列分子中带*号的原子采用的杂化方式：

【解析】　

（1）H2O2中每个氧原子上有2对孤电子对，每个氧原子结合2个原子，故杂化轨道数＝2＋2＝4，采用sp3杂化。

（2）在

中，碳原子无孤电子对，碳原子结合3个原子，故杂化轨道数＝0＋3＝3，采用sp2杂化。

（3）在CO2中，碳原子无孤电子对，碳原子结合2个原子，故杂化轨道数＝0＋2＝2，采用sp杂化。

（4）在C2H4中，每个碳原子上无孤电子对，每个碳原子结合3个原子（2个H和1个C），故杂化轨道数＝0＋3＝3，采用sp2杂化。

【答案】　

（1）sp3　

（2）sp2　（3）sp　（4）sp2

1．杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同，但能量介于两种参与杂化的原子轨道之间。

2．上述计算杂化轨道数的方法，只适用于已知分子结构的分子，否则将无法确定中心原子上的孤电子对数。

1．试分析H—C≡C—H中碳原子的杂化方式，并详细说出各化学键的形成过程。

【解析】　碳原子的杂化轨道数为2，采用sp杂化。

C2H2分子中，每个碳原子通过1个2s轨道和1个2p轨道杂化形成2个sp杂化轨道，呈直线形，2个sp杂化轨道分别与H原子1s轨道、另一碳原子的1个sp杂化轨道形成2个σ键；每个碳原子上剩余的2个2p轨道与另一个碳原子上剩余的2个2p轨道形成2个π键。

【答案】　sp杂化；

利用价层电子对互斥模型分析

分子空间构型

【问题导思】　

①CH4、NH3、H2O中心原子均采用sp3杂化，其分子空间构型如何？

SO2的空间构型如何？

②如何确定中心原子价电子对数？

【提示】　①

分子

CH4

NH3

H2O

SO2

空间构型

正四面体

三角锥型

V形

V形

②对于ABm型分子（A是中心原子，B是配位原子），分子的价电子对数可以通过下式确定：

n＝

其中，中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数，配位原子中卤素原子、氢原子提供1个价电子，氧原子和硫原子按不提供价电子计算。

1．确定中心原子价电子对数的方法

对于ABm型分子（A是中心原子，B是配位原子），分子的价电子对数可以通过下式确定：

即n＝

。

规定：

①作为配体，卤素原子和氢原子提供1个电子，氧族元素的原子不提供电子；②作为中心原子，卤素原子按提供7个电子计算，氧族元素的原子按提供6个电子计算，即中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数；③对于复杂离子，在计算价电子对数时，还应加上阴离子的电荷数或减去阳离子的电荷数；④计算价电子对数时，若剩余1个电子，亦当作1对电子处理。

⑤双键、叁键等多重键作为1对电子看待。

2．判断分子的空间构型

根据成键电子对数和孤电子对数，可以确定相应的较稳定的分子几何构型，如下表所示：

价电子

成键电子对数

孤电子对数

分子空对构型

实例

2

2

0

直线形

BeCl2、CO2

3

3

0

平面三角形

BF3、SO3

2

1

V形

SnBr2、PbCl2

4

4

0

正四面体型

CH4、CCl4

3

1

三角锥型

NH3、PCl3

2

2

V形

H2O

价电子对数的另一种确定方法

a为中心原子的价电子数，x为与中心原子结合的原子数，b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。

　（高考组合题）

（1）（2013·山东高考节选）BCl3和NCl3中心原子的杂化方式分别为________和________。

（2）（2013·新课标高考卷Ⅰ节选）在硅酸盐中，SiO

四面体[如下图（a）]通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。

图（b）为一种无限长单链结构的多硅酸根；其中Si原子的杂化形式为________，Si与O的原子数之比为________，化学式为________。

图（a）　　　　　　　　　　　图（b）

（3）（2013·江苏高考节选）元素X位于第四周期，其基态原子的内层轨道全部排满电子，且最外层电子数为2。

元素Y基态原子的3p轨道上有4个电子。

元素Z的原子最外层电子数是其内层的3倍。

在Y的氢化物（H2Y）分子中，Y原子轨道的杂化类型是________。

【解析】　

（1）杂化轨道用于形成σ键和容纳孤对电子。

BCl3分子中B原子形成3个σ键，无孤对电子，则B原子采取sp2杂化。

NCl3中N原子形成3个σ键，且有1对孤对电子，则N原子采取sp3杂化。

Be、B、N、O原子的最外层电子排布式分别为2s2、2s22p1、2s22p3、2s22p4，Be原子的2s轨道处于全充满的稳定状态，故其第一电离能大于B；N原子的2p轨道处于半充满的稳定状态，故其第一电离能大于O，因此元素的第一电离能介于B和N元素之间的第二周期的元素有Be、C、O3种。

（2）依据图（a）可知，SiO

的结构类似于甲烷分子的结构，为正四面体结构，Si原子的杂化形式和甲烷分子中碳原子的杂化形式相同，为sp3杂化；图（b）是一种无限长单链结构的多硅酸根，每个结构单元中两个氧原子与另外两个结构单元顶角共用，所以每个结构单元含有1个Si原子、3个氧原子，Si原子和O原子数之比为1∶3，化学式可表示为[SiO3]

或SiO

。

（3）H2S中S原子采取sp3杂化。

【答案】　

（1）sp2　sp3　

（2）sp3　1∶3　[SiO3]

（或SiO

）

2．（2011·山东高考）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________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

【解析】　H2O、H3O＋中的O原子均采取sp3杂化，孤电子对对成键电子对具有排斥作用，而孤电子对数多的H2O中排斥力大，键角小。

【答案】　sp3　H2O中O原子上有2对孤电子对，H3O＋中O原子上只有1对孤电子对，排斥力较小

【教师备课资源】（教师用书独具）

典型的等电子体

应用等电子原理，可利用已知的分子构型（几何构型、电子构型）和物理性质对相应等电子分子的构型和物理性质进行预测。

如：

（1）CO2、CNS－、NO

、N

具有相同的通式——AX2，价电子总数为16。

中心原子上没有孤电子对，都是sp杂化，都是直线形分子，键角为180°。

（2）CO

、NO

、SO3等离子或分子具有相同的通式——AX3，价电子总数为24，中心原子上没有孤电子对，都是sp2杂化，都形成平面三角形分子。

（3）SO2、O3、NO

等离子或分子具有相同的通式——AX2，价电子总数为18，中心原子都是sp2杂化，VSEPR理想模型为平面三角形，中心原子上有1个孤电子对（处于分子平面上），分子空间构型为V形（或角形、折线形）。

（4）SO

、PO

等离子具有AX4的通式，价电子总数为32，中心原子有4个σ键，采取sp3杂化，呈正四面体立体结构。

（5）PO

、SO

、ClO

等离子具有AX3的通式，价电子总数为26，中心原子有4个σ轨道（3个σ键和1对占据σ轨道的孤电子对），中心原子采取sp3杂化，VSEPR理想模型为四面体（不计孤电子对），分子空间构型为三角锥型。

　1919年，langmuir提出等电子原理：

原子数相同、最外层电子总数相同的分子，互称为等电子体。

等电子体的结构相似、物理性质相近。

（1）根据上述原理，仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是：

________和________；________和________。

（2）此后，等电子原理又有发展。

例如：

由短周期元素组成的物质中，与NO

互为等电子体的分子有：

________。

【解析】　

（1）仅由第二周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，N2与CO均为14个电子，N2O与CO2均为22个电子，符合题意。

（2）依据等电子原理的发展，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和也相同，即可互称为等电子体。

NO

是三原子组成的离子，最外层电子（价电子）数之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也是三原子，价电子总数为6×3＝18。

【答案】　

（1）N2O　CO2　N2　CO　

（2）O3、SO2

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．杂化轨道中一定有一个电子

【解析】　参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p能量相差太大，不能形成杂化轨道，即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A项错误，B项正确；杂化轨道的电子云一头大一头小，成键时利用大的一头，可使电子云重叠程度更大，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会有电子，也可以是空轨道，也可以有一对孤电子对（如NH3、H2O的形成），故D项错误。

【答案】　AD

2．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是（　　）

A．CO2和SO2

B．CH4与NH3

C．BeCl2与BF3

D．C2H4与C2H2（C2H2的结构简式为CH≡CH）

【解析】　CO2分子中，C原子为sp杂化，SO2分子中的S原子为sp2杂化；CH4分子中C原子为sp3杂化，NH3分子中N原子也为sp3杂化；BeCl2分子中Be原子为sp杂化，BF3分子中B原子为sp2杂化；C2H2分子中C原子为sp杂化，而C2H4分子中C原子为sp2杂化。

【答案】　B

3．用价层电子对互斥理论判断SO3的分子构型为（　　）

A．正四面体型　　　　　B．V形

C．三角锥型D．平面三角形

【解析】　SO3分子中S原子的价电子对数＝

＝3，由于结合3个O原子，故成键电子对数为3，孤电子对数是0，其分子为平面三角形构型。

【答案】　D

4．（2013·湛江高二质检）下列关于SO2与CO2分子的说法正确的是（　　）

A．SO2和CO2是等电子体

B．中心原子都采取sp杂化

C．S原子和C原子上都没有孤电子对

D．SO2为V形结构，CO2为直线形结构

【解析】　SO2和CO2的组成原子数相等，但价电子总数不等；SO2中S原子有未用于成键的孤电子对，与两个成键电子对相互排斥，采取sp2杂化，是V形结构；而CO2中C原子上没有孤电子对，采取sp杂化，是直线形结构。

【答案】　D

5．（2013·南京高二质检）室内装修材料中会释放出甲醛，甲醛含量过大时，对人有较大的危害，甲醛的结构式为

。

结合甲醛的结构式回答下列问题：

（1）甲醛分子中碳原子轨道的杂化方式是________，杂化轨道的空间构型是________，分子的空间构型是________。

（2）甲醛分子中σ键的形成轨道是________、________、________、________。

（有几个填几个）

【解析】　甲醛分子中杂化轨道数＝0＋3＝3，杂化轨道类型为sp2，分子构型为平面三角形，碳原子与氧原子形成1个sp2—pσ键，1个p—pπ键。

【答案】　

（1）sp2杂化　平面三角形　平面三角形

（2）sp2—s　sp2—p

6．根据理论预测下列分子或离子的空间构型。

CO2

CO

PO

SO

杂化类型

空间构型

键角

【解析】　CO2：

中心碳原子的价电子对数为

＝2，采用sp杂化，直线形构型。

CO

：

中心碳原子的价电子对数为

＝3，采用sp2杂化，无孤电子对，平面三角形构型。

PO

：

中心P原子的价电子对数为

＝4，采用sp3杂化，呈正四面体构型。

SO

：

中心S原子的价电子对数为

＝4，采用sp3杂化，呈正四面体构型。

【答案】　

CO2

CO

PO

SO

杂化方式

sp

sp2

sp3

sp3

空间构型

直线形

平面三角形

正四面体型

正四面体型

键角

180°

120°

109.5°

109.5°

1．中心原子不存在孤电子对的微粒是（　　）

A．H2O　　　　　　　B．NH3

C．OH－D．CH4

【答案】　D

2．下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是（　　）

①BF3　②CH2===CH2　③　

④CH≡CH

⑤NH3　⑥CH4

A．①②③B．①⑤⑥

C．②③④D．③⑤⑥

【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；⑤NH3中的氮原子为sp3杂化；⑥CH4中的碳原子为sp3杂化。

【答案】　A

3．在

中，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是（　　）

A．sp2　sp2B．sp3　sp3

C．sp2　sp3D．sp　sp3

【解析】　—CH3中C原子杂化轨道数为4，采用sp3杂化；—C—O中C原子杂化轨道数为3，采用sp2杂化。

【答案】　C

4．在硼酸[B（OH）3]分子中，B原子与3个羟基相连，其晶体具有与石墨相似的层状结构。

则分子中B原子杂化轨道的类型及同层分子间的主要作用力分别是（　　）

A．sp，范德华力B．sp2，范德华力

C．sp2，氢键D．sp3，氢键

【解析】　由于石墨的结构是平面六边形，每个碳原子以sp2杂化轨道的类型形成的3个共价键是平面三角形构型，而硼酸[B（OH）3]分子中，B原子与3个羟基相连，其晶体具有与石墨相似的层状结构，因此B原子杂化轨道的类型为sp2，且羟基之间作用力为氢键。

【答案】　C

5．（2013·苏州高二质检）下列说法中，正确的是（　　）

A．凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间构型都是正四面体

B．CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H的1s轨道和C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．在NH3和BF3分子中，中心原子均为sp2杂化

【解析】　A项，NH3和H2O都不是正四面体构型；B项，sp3杂化是一个C原子中的1个2s和3个2p轨道杂化；D项，BF3中B是sp2杂化，NH3中N是sp3杂化。

【答案】　C

6．下列分子或离子的空间构型为平面三角形的是（　　）

A．NO

　　　　　　　　　B．NH3

C．H3O＋D．CO2

【解析】　NO

中N的孤电子对数＝（5＋1－3×2）/2＝0，所以NO

中无孤电子对，N原子通过三对电子与O成键，空间构型为平面三角形；NH3中N的孤电子对数为（5－3）/2＝1，H3O＋中O的孤电子对数为（6－3－1）/2＝1，在NH3和H3O＋中都有1对孤电子对，还有3对电子成键，所以NH3、H3O＋的空间构型都为三角锥型；在CO2中C的孤电子对数为（4－2×2）/2＝0，没有孤电子对，只有2对σ键电子对，故CO2分子为直线形。

【答案】　A

7．根据价层电子对互斥理论及原子的杂化理论判断NF3分子的空间构型和中心原子的杂化方式分别为（　　）

A．直线形、sp杂化

B．三角形、sp2杂化

C．三角锥型、sp2杂化

D．三角锥型、sp3杂化

【解析】　N原子的杂化轨道数为3＋1＝4，采用sp3杂化。

N原子的价电子对数为

＝4，N原子结合了3个原子故该分子呈三角锥型。

【答案】　D

8.下列分子或离子中，中心原子价层电子对的几何构型为四面体且分子或离子的空间构型为V形的是（　　）

A．NH

B．PH3

C．H3O＋D．OF2

【解析】　如果中心原子价层电子对的几何构型为四面体，则应该是sp3杂化，V形结构由3个原子组成，所以D选项正确；A选项中，三角锥型的NH3结合一个H＋变为四面体结构；B选项中，PH3为三角锥型；C选项中，H2O为V形，H2O结合一个H＋变为三角锥型结构。

【答案】　D

9．下列关于等电子体的说法中，正确的是（　　）

A．N2与CO不属于等电子体，故它们的熔、沸点、溶解度相差较大

B．PO

与SO

不属于等电子体，故结构不相似

C．NO

与O3属于等电子体，故NO

为O2的同素异形体

D．苯与硼氮苯（如图）属于等电子体，故硼氮苯中含有大π键，且形成大π键