高考化学分子构型与物质的性质.docx

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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—Cσ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—Hσ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—Cσ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

杂化类型

sp

sp2

sp3

参与杂化的原子轨道及数目

ns

np

杂化轨道数目

杂化轨道间的夹角

空间构型

实例

答案：

杂化类型

sp

sp2

sp3

参与杂化的原子轨道及数目

ns

1

1

1

np

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

实例

BeCl2、CO2、CS2

BCl3、BF3、BBr3

CF4、SiCl4、SiH4

[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（ns，np）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（　　）

①BF3　②CH2===CH2　③

　④CH≡CH⑤NH3　⑥CH4

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________。

（2）图乙中，1号C的杂化方式是________，该C与相邻C形成的键角________（填“＞”“＜”或“＝”）图甲中1号C与相邻C形成的键角。

答案：

1-7DBACACA.8.

（1）3　

（2）sp3　＜

四、价层电子对互斥理论（VSEPR）

1．价层电子对互斥理论的基本内容：

分子中的价电子对——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。

（1）当中心原子的价电子全部参与成键时，为使价电子斥力最小，就要求尽可能采取对称结构。

（2）当中心原子的价电子部分参与成键时，未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同，从而影响分子构型。

（3）电子对之间的夹角越大，相互之间的斥力越小。

（4）含孤电子对的斥力由大到小顺序：

孤电子对—孤电子对＞孤电子对—单键＞单键—单键。

2.价层电子对=成键电子对+孤对电子对

3．价层电子对互斥理论与分子的空间构型

价层电子对数　　

__2__

__3__

__4__

电子对排布方式　

立体构型名称

直线形

平面三角形

正四面体形

键角

180°

120°

109°28′

实例

CO2

BF3

CH4

4.ABm型分子中心原子价层电子对数目的计算方法

ABm型分子（A是中心原子，B是配位原子）中价层电子对数n的计算：

n＝

（2）在计算中心原子的价层电子对数时应注意如下规定

①中心原子A的价电子数=主族序数=原子的最外层电子数

②作为配位原子，卤素原子和H原子提供1个电子，氧族元素的原子不提供电子；N原子按-1算；

③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；

④对于复杂离子，在计算价层电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数。

如PO

中P原子价层电子数应加上3，而NH

中N原子的价层电子数应减去1；

⑤计算电子对数时，若剩余1个电子，即出现奇数电子，也把这个单电子当作1对电子处理；

⑥双键、叁键等多重键作为1对电子看待。

5.价层电子对数与中心原子杂化方式的关系

价层电子对数目

2

3

4

中心原子杂化方式

sp

sp2

sp3

中心原子的价电子对数=成键电子对数+孤电子对数=σ键电子对数+孤电子对数=中心原子的杂化轨道数。

6.常见分子的价层电子对互斥模型和空间构型

物质

价层电子对数

成键（σ键）电子对数

孤电子对数

中心原子杂化方式

价层电子对空间构型（VSPER模型）

分子空间构型

键角

BeCl2

CO2

BF3

SO2

SO3

NO3-

CH4

CH3Cl

NH3

NH4+

H2O

H3O+

SO42-

答案：

物质

价层电子对数

成键（σ键）电子对数

孤电子对数

中心原子杂化方式

价层电子对空间构型（VSPER模型）

分子空间构型

键角

BeCl2

2

2

0

sp

直线形

直线形

180°

CO2

2

2

0

sp

直线形

直线形

180°

BF3

3

3

0

sp2

正三角形

正三角形

120°

SO2

3

2

1

sp2

正三角形

V形

SO3

3

3

0

sp2

正三角形

正三角形

120°

NO3-

3

3

0

sp2

正三角形

正三角形

120°

CH4

4

4

0

sp3

正四面体

正四面体

109°28′

CH3Cl

4

4

0

sp3

正四面体

四面体

NH3

4

3

1

sp3

正四面体

三角锥形

107.3°

NH4+

4

4

0

sp3

正四面体

正四面体

109°28′

H2O

4

2

2

sp3

正四面体

V形

104.5°

H3O+

4

3

1

sp3

正四面体

三角锥形

SO42-

4

4

0

sp3

正四面体

正四面体

109°28′