7834高二化学分子的立体结构人教实验版知识精讲.docx
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7834高二化学分子的立体结构人教实验版知识精讲
高二化学分子的立体结构人教实验版
【本讲教育信息】
一.教学内容：
分子的立体结构
1.价电子互斥理论
2.杂化轨道理论
3.配合物理论
二.重点、难点
1.认识共价分子的多样性和复杂性。
2.初步认识价层电子对互斥模型，能用VSEPR模型预测简单分子或离子的立体结构。
3.认识杂化轨道理论的要点，能根据杂化轨道理论判断简单分子或离子的构型。
4.认识配位键、配位化合物的概念，掌握配位键、配位化合物的表示方法。
三.教学过程
（一）价电子互斥理论
分子的立体结构决定了分子许多重要的性质，例如分子中化学键的类型、分子的极性、分子之间的作用力大小、分子在晶体里的排列方式等等。
分子的立体结构通常是指其σ键的分子骨架在空间的排布。
1、价层电子对互斥模型（VSEPR模型）：
价层电子对互斥模型（VSEPR模型）是一种可以用来预测分子立体结构的理论模型，总的原则是中心原子价电子层电子对（包括成键电子对和未成键的孤对电子对）的互相排斥作用，使分子的几何构型总是采取电子对相互排斥最小的那种构型，即分子尽可能采取对称的空间构型。
2、VSEPR模型的内容：
VSEPR模型把分子分为两类：
（1）中心原子上的价电子都用于形成共价键，即中心原子无孤对电子的，根据键的条数或者说ABn型分子中n的个数，判断分子构型。
如CO2、CH2O、CH4等分子中的C原子。
它们的立体结构可用中心原子周围的原子数来预测，概括如下：
ABn
立体结构
范例
n=2
直线型
CO2
n=3
平面三角形
CH2O
n=4
正四面体型
CH4
（2）中心原子上有孤对电子（未用于形成共价键的电子对）的分子，则将孤对电子也算作键数，同上推出包括孤对电子的分子构型，然后去掉孤对电子后看分子新构型。
如H2O和NH3中心原子上的孤对电子也要占据中心原子周围的空间，并参与互相排斥。
因而H2O分子呈V型，NH3分子呈三角锥型。
【拓展】ABm型分子或离子中的价电子对数（孤对电子+形成共价键的电子对）的计算方法：
（1）对于主族元素，中心原子价电子数=最外层电子数，配位原子按提供的价电子数计算，如：
PCl5中
（2）O、S作为配位原子时按不提供价电子计算，作中心原子时价电子数为6；
（3）离子的价电子对数计算
如：
NH4+：
；SO42－：
3、VSEPR模型的应用：
【验证】应用VSEPR理论判断下表中分子或离子的构型。
（C原子孤对电子数一般为0）
【总结】
（1）VSEPR模型预测分子立体结构方法：
首先确定中心原子的价层电子对数，然后确定中心原子有无孤对电子数，再结合实际例子分析。
（2）VSEPR模型是模型化方法的具体体现，它把原子数相同、价电子数相同的一类化学粒子的结构加以概括，体现了等电子原理的思想，例如五原子八电子的CH4、SiH4、NH4+，它们都是正四面体构型。
（二）杂化轨道理论
价层电子对互斥模型只能解释化合物分子的空间构形，却无法解释许多深层次的问题，如无法解释甲烷中四个C－－－H的键长、键能相同及H－C－H的键角为10928′。
因为按照我们已经学过的价键理论，甲烷的4个C－H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到四面体构型的甲烷分子。
为了解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论。
1、杂化的概念：
杂化是指原子在相互结合成键过程中,原来能量接近的原子轨道要重新混合,形成新的原子轨道。
这种轨道重新组合的过程叫做杂化。
所形成的新的轨道叫杂化轨道。
2、杂化轨道的类型：
（1）sp3杂化：
一个s轨道与三个p轨道杂化后，得四个sp3杂化轨道，每个杂化轨道的s成分为1/4，p成分为3/4，它们的空间取向是四面体结构，相互的键角θ=109º28′。
CH4、CCl4、NH4+、CH3Cl、NH3、H2O等等都采取sp3杂化。
（2）sp2杂化：
一个s轨道与两个p轨道杂化，得三个sp2杂化轨道，每个杂化轨道的s成分为1/3，p成分为2/3，三个杂化轨道在空间分布是在同一平面上，互成120º。
以sp2杂化轨道构建结构骨架的中心原子必有一个垂直于sp2骨架的未参与杂化的p轨道，如果这个轨道跟邻近原子上的平行p轨道重叠，并填入电子，就会形成π键。
BCl3、CO32–、NO3–、H2C=O、SO3、烯烃>C=C<结构中的中心原子等等都采取sp2杂化。
（3）sp杂化：
一个s轨道与一个p轨道杂化后，得两个sp杂化轨道，每个杂化轨道的s成分为1/2，p成分为1/2，杂化轨道之间的夹角为180度。
当中心原子取sp杂化轨道形成直线形的s骨架时，中心原子上有一对垂直于分子sp骨架的未参与杂化的p轨道。
例如乙炔分子形成二个π键。
CO2中的碳原子、H－C≡N中的碳原子、BeCl2分子中的铍原子、炔烃中的－C≡C－的s－骨架等等都是由sp杂化轨道构建的。
【总结】sp型的三种杂化
【小结】杂化轨道的特点
（1）形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。
（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）杂化轨道的数目杂化前后轨道数目不变。
（4）杂化后轨道伸展方向，形状发生改变。
（5）只有能量相近的轨道才能杂化（nSnP）
（6）杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理，杂化轨道间的夹角决定分子空间构型。
（7）杂化轨道的角度部分一头大，一头小，成键时利用大的一头，可以使轨道重叠程度更大，从而形成稳定的化学键。
即杂化轨道增强了成键能力。
（8）杂化轨道所形成的化学键全部为σ键。
3、杂化轨道的应用范围：
杂化轨道只应用于形成σ键或者用来容纳未参加成键的孤对电子。
4、判断分子或离子中，中心原子的杂化轨道类型的一般方法：
（1）看中心原子有没有形成双键或叁键，如果有1个叁键，则其中有2个π键，用去了2个p轨道，形成的是sp杂化；如果有1个双键则其中有1个π键，形成的是sp2杂化；如果全部是单键，则形成的是sp3杂化。
（2）没有填充电子的空轨道一般不参与杂化，1对孤对电子占据1个杂化轨道。
（三）配合物理论
1、配位键
⑴配位键的概念：
配位键属于共价键，它是由一方提供孤对电子，另一方提供空轨道所形成的共价键。
⑵配位键的表示：
A（电子对给予体）→B（电子对接受体）
⑶配位键的形成条件：
其中一个原子必须提供孤对电子,另一原子必须能接受孤对电子轨道。
①如NH4+的形成：
在NH4+中，虽然有一个N－H键形成过程与其它3个N－H键形成过程不同，但是一旦形成之后，4个共价键就完全相同。
②再如H3O+的形成：
2、配位化合物：
（1）配位化合物的定义：
简称配合物，通常是由中心离子（或原子）与配位体（某些分子或阴离子）以配位键的形式结合而成的复杂离子或分子。
如：
Cu（H2O）42+、Cu（NH3）42+、Ag（NH3）2+、Fe（SCN）63－。
①Cu（NH3）42+的制备：
②Fe（SCN）2+的制备：
利用Fe（SCN）2+的颜色可鉴定Fe3+，由于该离子的颜色极似血液，常被用于电影特技和魔术表演。
（2）配位化合物的组成：
①中心离子或原子（也称形成体）：
有空轨道。
主要是一些过渡金属，如铁、钴、镍、铜、银、金、铂等金属元素的离子；或是具有高氧化数的非金属元素，硼，硅、磷等，如Na[BF4]中的B（Ⅲ）、K2[SiF6]中的Si（Ⅳ）和NH4[PF6]中的P（Ⅴ）；或是不带电荷的中性原子，如[Ni（CO）4],[Fe（CO）5]中的Ni,Fe都是中性原子。
②配位体和配位原子：
有孤对电子
③配位数：
与中心离子直接以配位键结合的配位原子个数。
④配离子的电荷：
配离子的电荷等于中心离子电荷与配位体总电荷的代数和。
【典型例题】
例1.用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间构型：
BeCl2SCl2SO32－PF3
分析：
用价层电子对互斥模型推测分子或离子的空间构型关键是计算中心原子的价层电子对数、成键电子对数和孤对电子对数，价层电子对数决定其可能的空间结构，而成键电子对数和孤对电子对数的相互影响决定分子或离子的空间结构。
化学式
价层电子对数
成键电子对数
孤对电子对数
空间构型
BeCl2
（2+2）/2=2
2
0
直线形
SCl2
（6+2）/2=4
2
2
V字形
SO32－
（6+0）/2=3
3
0
平面三角形
PF3
（5+3）/2=4
3
1
三角锥形
例2.BF3和NF3都是四个原子的分子，BF3的中心原子是，NF3的中心原子是；BF3分子的立体构型是平面三角形，而NF3分子的立体构型是三角锥形的原因是。
分析：
BF3分子中B原子的价层电子数为（3+3）/2=3，B原子采用sp2杂化，3个价电子都与F原子形成共价键，而NF3分子中N原子的价层电子数为（5+3）/2=4，N原子采用sp3杂化，3个价电子与F原子形成共价键，还有一对为成键的电子对，占据了N原子周围的空间，参与相互排斥，形成三角锥形。
例3.氨气分子空间构型是三角锥形，而甲烷是正四面体形，这是因为（）
A.两种分子的中心原子的杂化轨道类型不同，NH3为sp2杂化，而CH4是sp3杂化
B.NH3分子中N原子形成三个杂化轨道，CH4分子中C原子形成4个杂化轨道
C.NH3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.氨气分子是极性分子而甲烷是非极性分子
分析：
NH3分子中中心原子N原子的价层电子数为（5+3）/2=4，CH4分子中中心原子C原子的价层电子数为（4+4）/2=4，N原子和C原子均采用sp3杂化，但由于NH3分子中N原子有一对孤对电子，而CH4分子中C原子孤对电子为0，所以氨气分子空间构型是三角锥形，而甲烷是正四面体形。
答案：
C
例4.下列分子中心原子是sp2杂化的是（）
A.PBr3B.CH4C.BF3D.H2O
分析：
A中P原子的价层电子数为（5+3）/2=4，B原子采用sp3杂化，B中C原子的价层电子数为（4+4）/2=4，C原子均采用sp3杂化，C中B原子的价层电子数为（3+3）/2=3，B原子采用sp2杂化，D中O原子的价层电子数为（6+2）/2=4，O原子采用sp3杂化，答案：
C
例5.
（1）CNS－、NO2+具有相同的通式：
AX2，它们的价电子总数都是16，因此它们的结构与由第二周期两元素组成的分子的结构相同，微粒呈形，中心原子都取杂化。
（2）CO32－、NO3－等微粒具有相同的通式：
，它们的价电子总数都是，因此它们与由第六主族两元素组成的分子的结构相同，呈___________形，中心原子都取杂化。
分析：
互为等电子体应该满足的条件：
在微粒的组成上，微粒所含原子数目相同；在微粒的构成上，微粒所含电子数目相同；在微粒的结构上，微粒中原子的空间排列方式相同。
（1）中CNS－、NO2+的原子个数都为3，N－、S的价电子数均与O原子相同，为6，N+与C原子的价电子数均为4，两者的价电子总数与CO2相同，都是16，所以CNS－、NO2+与CO2为等电子体。
由于CO2中C原子采用sp杂化，形成直线形分子，所以CNS－、NO2+中心原子都取sp杂化。
（2）中CO32－、NO3－原子个数都为4，C2－、N－的价电子数与S原子相同均为6，所以CO32－、NO3－与SO3为等电子体，SO3采用sp2杂化，形成平面三角形分子。
答案：
（1）CO2、直线、sp
（2）AX3、24、
、平面三角、sp2
例6.下列粒子中不存在配位键的是（）
A、H3O+B、[Cu（NH3）4]2+CNH4+D、NH3
分析：
H3O+是H2O分子中O原子提供孤对电子，H+提供空轨道通过配位键形成，[Cu（NH3）4]2+是NH3分子中N原子提供孤对电子，Cu2+提供空轨道通过配位键形成，NH4+是NH3分子中N原子提供孤对电子，H+提供空轨道通过配位键形成，NH3分子中只存在N、H极性共价键，不存在配位键。
答案：
D
例7.某配位化合物的化学式为CoClSO4·5NH3。
该物质的水溶液不与硝酸银反应，但与氯化钡溶液相遇生成白色沉淀，该溶液中检验不出氨。
用内外界表示其组成
分析：
该物质的水溶液不与硝酸银反应，说明配位化合物中Cl－为配位体，该溶液中检验不出氨，说明配位化合物中NH3为配位体，即[Co（NH3）5Cl]2－为内界，其中Co3+离子为中心离子，Cl－、NH3为配位体，配位数为6，与氯化钡溶液相遇生成白色沉淀，说明SO42－为外界，所以配位化合物的化学式为[Co（NH3）5Cl]SO4。
答案：
[Co（NH3）5Cl]SO4
【模拟试题】
1.下列物质中，分子的立体结构与水分子相似的是（）
A、CO2B、H2SC、PCl3D、SiCl4
2.下列分子的立体结构，其中属于直线型分子的是（）
A、H2OB、CO2C、C2H2D、P4
3.下列分子中，各原子均处于同一平面上的是（）
A、NH3B、CCl4C、H2OD、CH2O
4.下列分子中，键角最大的是（）
A、P4B、H2OC、CCl4D、NH3
5.下列分子或离子的中心原子，带有一对孤对电子的是（）
A、XeO4B、BeCl2C、CH4D、PCl3
6.关于原子轨道的说法正确的是（）
A、凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其几何构型都是正四面体
B、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
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、凡AB3型的共价化合物，其中中心原子A均采用sp3杂化轨道成键
7.用Pauling的杂化轨道理论解释甲烷分子的四面体结构，下列说法不正确的是
A、C原子的四个杂化轨道的能量一样
B、C原子的sp3杂化轨道之间的夹角一样
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
8.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
9.乙烯分子中含有4个C－H和1个C=C双键，6个原子在同一平面上。
下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是（）
A、每个C原子的2s轨道与2p轨道杂化，形成两个sp杂化轨道
B、每个C原子的1个2s轨道与2个2p轨道杂化，形成3个sp2杂化轨道
C、每个C原子的2s轨道与3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道
D、每个C原子的3个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道
10.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是（）
A.CO2与SO2B.CH4与NH3C.BeCl2与BF3D.C2H2与C2H4
11.对SO2与CO2说法正确的（）
A、都是直线形结构
B、中心原子都采取sp杂化轨道
C、S原子和C原子上都没有孤对电子
D、SO2为V形结构，CO2为直线形结构
12.铵根离子中存在的化学键类型按离子键、共价键和配位键分类，应含有（）
A、离子键和共价键B、离子键和配位键C、配位键和共价键D、离子键
13.下列属于配合物的是（）
A、NH4ClB、Na2CO3.10H2OC、CuSO4.5H2OD、Co（NH3）6Cl3
14.下列分子或离子中，能提供孤对电子与某些金属离子形成配位键的是（）
H2O
NH3
F－
CN－
CO
A、
B、
C、
D、
15.配合物在许多方面有着广泛的应用。
下列叙述不正确的是（）
A、以Mg2+为中心的大环配合物叶绿素能催化光合作用
B、Fe2+的卟啉配合物是输送O2的血红素
C、[Ag（NH3）2]+是化学镀银的有效成分
D、向溶液中逐滴加入氨水，可除去硫酸锌溶液中的Cu2+
16.下列微粒：
①H3O+②NH4+③CH3COO－④NH3⑤CH4中含有配位键的是（）
A、①②B、①③C、④⑤D、②④
17.写出你所知道的分子具有以下形状的物质的化学式，并指出它们分子中的键角分别是多少？
直线形：
平面三角形：
三角锥形：
正四面体：
18.用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间构型：
分子或离子实例
中心原子有
无孤对电子
分子或离子
空间结构
键角
AB2
AB3
AB4
AB5
AB6
19.ClO－、ClO2－、ClO3－、ClO4－中Cl都是以sp3杂化轨道与O原子成键的，试推测下列微粒的立体结构
微粒
ClO－
ClO2－
ClO3－
ClO4－
立体结构
20.根据杂化轨道理论，请预测下列分子或离子的几何构型：
CO2，CO32－,H2S，PH3
21.已知Cr3+的配位数为6。
有三个组成相同的络合物（即配位化合物），化学式为CrCl3·6H2O,但颜色各不相同。
亮绿色者加入硝酸银后有2/3的氯沉淀析出，暗绿色者能析出1/3的氯，紫色者能沉淀出全部的氯。
试分别写出它们的结构式（用内外界表示）
【试题答案】
1.B2.C3.D4.C5.D
6.C7.D8.A9.BD10.B
11.D12.C13.AD14.D15.D16.A
17.CO2、CS2、HCN键角180°；BF3、BCl3、SO3、CH2O键角60°；NH3、PCl3键角107.3°；CH4、CCl4键角109°28′。
18.
分子或离子实例
中心原子有
无孤对电子
分子或离子
空间结构
键角
C02、CS2等
无
直线型
180º
AB2
H2O、H2S等
2对
折线型
104º30'
AB3
BF3、BCl3等
无
平面三角形
180º
NH3、PH3、PCl3等
l对
三角锥型
107º18'
AB4
CH4、CCl4、SiH4等
无
正四面体
109º28'
AB5
PCl5等
无
三角双锥
－
AB6
SF6等
无
正八面体
－
19.直线；V型；三角锥形；正四面体
20.sp杂化，直线；sp2杂化，三角形；sp3杂化，V型；sp3杂化，三角锥形
21.[CrCl（H2O）5]Cl2·H2O[CrCl2（H2O）4]Cl·2H2O[Cr（H2O）6]Cl3
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