苏教版高中化学选修三专题4 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.docx

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苏教版高中化学选修三专题4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

高中化学学习材料

（精心收集**整理制作）

专题4　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

课前预习

问题导入

氮气的化学性质不活泼，通常难以与其他物质发生化学反应，以N2为例分析氮原子的原子轨道是如何重叠形成共价键的？

答：

氮原子的核外电子排布式为1s22s22p1x2p1y2p1z,有3个未成对电子，当结合成分子时，Px-Py轨道“头碰头”方式重叠，Py-Py和Pz-Pz轨道“肩并肩”方式重叠，我们把原子轨道在核间连线两侧以“肩并肩”的方式重叠形成的共价键叫π键。

所以在N2分子中有一个δ键和两个π键。

氮分子的结构式为N，电子式：

。

知识预览

1.分子的立体构型：

__________常称为分子的立体构型。

2.杂化与杂化轨道的概念

（1）轨道的杂化：

____________________的过程。

（2）杂化轨道：

____________________叫杂化原子轨道。

3.对称性的概念：

对称性是指一个物体包含若干等同部分，这些部分__________，它们经过不改变物体内任意两点间距离的操作__________，即操作前在物体某个地方有的部分，经操作后____________________，也就是说，____________________。

4.极性分子和非极性分子的概念

（1）极性分子：

______________________________称为极性分子。

（2）非极性分子：

______________________________称为非极性分子。

5.杂化轨道的类型：

（1）sp1杂化：

sp1杂化轨道是由__________个s轨道和__________个p轨道组合而成。

每个sp1杂化轨道含有__________s和__________p的成分。

sp1杂化轨道之间的夹角为__________,呈__________形，如__________。

（2）sp2杂化轨道是由__________个s轨道和__________个p轨道组合而成。

每个sp2杂化轨道含有__________s和__________p的成分。

sp2杂化轨道之间的夹角为__________，呈__________形，如__________。

（3）sp3杂化轨道是由__________个s轨道和__________个p轨道组合而成。

每个sp3杂化轨道含有__________s和__________p的成分。

sp3杂化轨道之间的夹角为__________，呈　　　__________形，如__________。

6.分子极性的判断

（1）双原子分子的极性：

不同种原子形成的双原子分子为__________，同种原子形成的双原子分子为__________。

（2）多原子分子的极性：

多原子分子的极性与分子中键的极性关系比较复杂，如果组成分子的所有化学键均为非极性键，则分子通常为__________；但组成分子的化学键为极性键时，则分子可能是__________，也可能是__________。

这是由于多原子分子的极性除了与键的极性有关外，还与__________有关。

答案：

1.分子的空间结构

2.

（1）原子内部能量相近的原子轨道重新组合生成一组新轨道　

（2）杂化后形成的新的能量相同的一组原子轨道

3.相互对应且相称　能够复原　在原有的地方依旧存在相同的部分　无法区别操作前后的物体

4.

（1）分子内存在正、负两极的分子

（2）分子内没有正、负两极的分子

5.

（1）1　1　12　12　180°　直线　BeCl2

（2）1　2　13　23　120°　平面三角　BF3

（3）1　3　14　34　109.5°　空间正四面体　CH4

6.

（1）极性分子　非极性分子

（2）非极性分子　极性分子　非极性分子　分子立体构型

课堂互动

三点剖析

一、分子的空间构型

杂化轨道理论

（1）杂化

杂化是指在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新

轨道。

这种轨道重新组合的过程叫做杂化，所形成的新轨道就称为杂化轨道。

（2）杂化的过程

杂化轨道理论认为在形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。

如CH4分子的形成过程：

碳原子2s轨道中1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上，这个过程称为激发。

但此时各个轨道的能量并不完全相同，于是1个2s轨道和3个2p轨道“混合”起来，形成能量相等，成分相同的4个sp3杂化轨道。

然后4个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥，使四个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点，碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道形成4个相同的σ键,从而形成CH4分子。

由于4个C—H键完全相同，所以形成的CH4分子为正四面体形，键角是109.5°。

C原子的杂化轨道

注意：

a.杂化轨道理论认为：

在形成分子时，通常存在激发、杂化、轨道重叠等过程。

但应注意，原子轨道的杂化，只有在形成分子的过程中才会发生，而孤立的原子是不可能发生杂化的。

同时只有能量相近的原子轨道（如2s\,2p等）才能发生杂化，而1s轨道与2p轨道由于能量相差较大，它是不能发生杂化的。

b.杂化轨道成键时，要满足能量最低原理，键与键间排斥力大小决定键的方向，即决定杂化轨道间的夹角。

由于键角越大化学键之间的排斥力越小，对sp1杂化来说，当键角为180°时，其能量最小，所以sp1杂化轨道成键时分子呈直线形；对sp2杂化来说，当键角为120°时，其能量最小，所以sp2杂化轨道成键时，分子呈平面三角形。

由于杂化轨道类型不同，杂化轨道间夹角也不相同，其成键时键角也就不相同，故杂化轨道的类型与分子的空间构型有关。

杂化轨道类型、空间构型以及成键能力之间的关系

杂化类型

sp1

sp2

sp3

dsp2

sp3d

sp3d2

用于杂化的原子轨道数

2

3

4

4

5

6

杂化轨道的数目

2

3

4

4

5

6

杂化轨道的夹角

180°

120°

109.5°

90°、180°

120°、90°、180°

90°、180°

空间构型

直线

平面三角形

四面体

平面正方形

三角双锥形

八面体

二、分子的极性

1.分子对称性

有机化合物分子中的对称轴

对称性是指一个物体包含若干等同部分，这些部分相互对应且相称，它们经过不改变物体内任意两点间距离的操作能够复原，即操作前在物体某个地方有的部分，经操作后在原有的地方依旧存在相同的部分，也就是说，无法区别操作前后的物体。

例如，上图中的有机化合物分子，以通过两个碳原子的连线为轴旋转120°或240°时，分子完全恢复原状，我们称这根连线为对称轴。

同样，对于甲烷分子而言，相对于通过其中两个氢和碳所构成的平面，分子被分割成相同的两部分，我们称这个平面为对称面。

分子的许多性质如极性、旋光性及化学反应都与分子的对称性有关。

2.分子的极性

（1）极性分子和非极性分子。

极性分子：

分子内存在着正、负两极的分子；非极性分子；分子内没有正、负两极的分子。

（2）分子极性的判断方法：

①双原子分子的极性：

不同种原子形成的双原子分子——为极性分子。

同种原子形成的双原子分子——为非极性分子。

②多原子分子的极性：

多原子分子的极性与分子中键的极性关系比较复杂，如果组成分子的所有化学键均为非极性键，则分子通常为非极性分子，如白磷分子（P4）；但组成分子的化学键为极性键时，则分子可能是极性分子如H2O、NH3等，也可能是非极性分子如CO2、CH4等。

这是由于多原子分子的极性除了与键的极性有关外，还与分子的立体构型有关。

水分子和二氧化碳分子都是由三个原子组成的分子，但二氧化碳分子为直线形，分子内两个C====O极性键位于碳原子的两侧，所以两个键的极性互相抵消，使正负电荷重心重合，因此二氧化碳分子无极性，是非极性分子。

在水分子中，分子内的两个O—H键的夹角为104.5°，所以分子的正电荷重心位于两个氢原子核连线的中点，正、负电荷重心不重合，所以水分子具有极性，是极性分子。

③判断ABn型分子极性有一经验规律：

若中心原子A的化合价（在分子ABn中所呈现的）的绝对值等于该元素所在的主族序数，则ABn为非极性分子；若二者不相等，则ABn为极性分子。

三、物质的溶解性和手性

1.物质的溶解性：

物质的溶解性一般有“相似相溶”的规律：

非极性溶质一般能溶于非极性溶剂，极性溶质一般能溶于极性溶剂。

水是常见的极性溶剂，故一般极性物质比非极性物质在水中溶解度大。

此外，分子结构相似也能用相似相溶原理去解释，如乙醇和水中均含—OH，因而乙醇与水能互溶。

氢键也能影响物质的溶解性，氢键作用力越大，溶解性越好。

2.手性：

具有完全相同组成和原子排列的一对分子，如同左手与右手一样互为镜像，在三维空间里不能重叠，互称手性异构体，有手性异构的分子叫做手性分子。

手性分子的性质差别很大，经常需要用手性催化剂在合成线路中将其按所需的产品合成。

下图为一对酒石酸盐晶体的手性分子。

一对手性酒石酸盐晶体

各个击破

【例1】说明在下列分子中是由哪些轨道或杂化轨道重叠成键的ICl，NI3，CH3Cl，CO2

解析：

ICl：

Cl以一个3p轨道与I以一个5p轨道重合组成一对共价键；

NI3：

N原子不等性sp3杂化，除一孤电子对外的三个杂化轨道分别与三个I原子的各一5p轨道杂化成键；

CH3Cl：

C原子sp3杂化形成四个杂化轨道，其中三个与三个H原子的1s轨道重叠形成三对sp3-sδ共价键，另一杂化轨道与Cl原子的含单电子的3p轨道重叠，形成一个sp3-pδ共价键；

CO2：

C原子的一个2s轨道与一个2p轨道实行sp杂化，形成两个成分相同，能量相等的sp杂化轨道，再与两个O原子中各一个含单电子的2p轨道重叠，形成sp-pδ键；C原子中余下的两个2p轨道（各含一个电子）再分别与一个O原子（共两个）中的另一个2p轨道重叠形成sp-pπ键。

因此每一对碳—氧组合间含有一个δ键和一个π键，为双键结构。

类题演练　1

指出下列化合物可能采取的杂化类型，并预测其分子的几何构型：

BeH2；BBr3；SiH4；PH3。

分子

杂化轨道类型

几何构型

图形

BeH2

BBr3

SiH4

PH3

答案：

分子

杂化轨道类型

几何构型

图形

BeH2

sp1杂化

直线形

H－Be－H

BBr3

sp2杂化

平面三角形

SiH4

sp3杂化

正四面体

PH3

sp3不等性杂化

三角锥形

变式提升　1

关于原子轨道的说法正确的是（　　）

A.凡中心原子采取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，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键

解析：

凡中心原子采取sp3杂化的分子构型都是四面体形，但是根据孤对电子占据杂化轨道数目的多少，造成了其分子几何构型可以呈现V形（H2O）、三角锥形（NH3）；CH4sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近2s轨道和3个2p轨道杂化形成，与氢原子结合时，四个杂化轨道分别和四个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C-Hσ键；BF3采用sp2杂化。

答案：

C

变式提升　2

（2006全国高考理综Ⅱ，11）下列叙述正确的是（　　）

A.NH3是极性分子，分子中N原子是在3个H原子所组成的三角形的中心

B.CCl4是非极性分子，分子中C原子处在4个Cl原子所组成的正方形的中心

C.H2O是极性分子，分子中O原子不处在2个H原子所连成的直线的中央

D.CO2是非极性分子，分子中C原子不处在2个O原子所连成的直线的中央

解析：

分子

极性

构型

A

NH3

极性分子

三角锥型

B

CCl4

非极性分子

正四面体型

C

H2O

极性分子

折线型

D

CO2

非极性分子

直线型

答案：

C

【例2】下列物质中既有极性键，又有非极性键的非极性分子的是（　　）

A.二氧化硫

B.四氯化碳

C.过氧化氢

D.乙炔

解析：

分子极性的判断方法。

①从分子组成上看

②从形成的化学键看

分子中既有极性键又有非极性键，则分子必须有同种元素原子间成键又有不同种元素原子间成键，分子为非极性分子，则分子中原子的排列一定均匀。

答案：

D

类题演练　2

NH3、H2S等是极性分子，CO2、BF3、CCl4等是极性键形成的非极性分子。

根据上述事实可推出ABn型分子是非极性分子的经验规律是（　　）

A.分子中不能含有氢原子

B.在ABn分子中A原子的所有价电子都参与成键

C.在ABn分子中每个共价键都相同

D.在ABn分子中A的相对原子质量应小于B的相对原子质量

解析：

NH3中的N有5个价电子，只有3个价电子参与成键，H2S中的S有6个价电子，只有2个价电子参与成键，NH3、H2S都是极性分子；而CO2、BF3、CCl4中的C、B、C分别有4、3、4个价电子，它们均都参与成键，CO2、BF3和CCl4都是非极性分子。

综上所述，可以推出ABn型分子是非极性分子的经验规律；在ABn中A原子的所有价电子都参与成键，故答案应为B。

答案：

B

变式提升　3

两种非金属元素，A、B所形成的下列分子中，属于极性分子的是（　　）

解析：

对于多原子分子是否是极性分子，取决于结构是否对称，正负电荷的重心是否重合。

A项正四面体、C项平面正三角形都是结构对称的，都是非极性分子，而B、D项的结构不对称，是极性分子。

答案：

BD

变式提升　4

请完成下列表格的填空：

双原子分子

三原子分子

四原子分子

五原子分子

分子

H2

HCl

H2O

CO2

BF3

NH3

CH4

CH3Cl

键的极性

键角

－

－

－

空间构型

分子极性

根据以上分析结果，试推测以上哪些物质易溶于水__________________________________。

解析：

本题着重考查分子的极性与键的极性以及分子空间构型之间的关系。

由非极性键构成的分子一般都是非极性分子。

由极性键构成的分子，若能空间对称，分子中电荷不显电性，分子则无极性，这样的空间对称有三种：

一是直线形对称，键角为180°，常见的分子有：

CO2、C2H2等；二是平面对称，键角为120°，分子构型为平面正三角形，常见的分子有BF3、BBr3等；三是立体对称，键角为109°28′，分子构型为正四面体，常见有CH4、CCl4、SiH4等。

根据相似相溶规则，易溶于水的有：

HCl、NH3、CH3Cl。

答案：

双原子分子

三原子分子

四原子分子

五原子分子

分子

H2

HCl

H2O

CO2

BF3

NH3

CH4

CH3Cl

键的极性

非极性

极性

极性

极性

极性

极性

极性

极性

键角

－

－

104.5°

180°

120°

107.3°

109.5°

－

空间构型

直线形

直线形

V形

直线形

平面正三角形

三角锥形

正四面体形

四面体形

分子极性

非极性

极性

极性

非极性

非极性

极性

非极性

极性

HCl,NH3,CH3Cl

【例3】根据物质的溶解性“相似相溶”的一般规律，说明溴、碘单质在四氯化碳中比在水中溶解度大，下列说法正确的是（　　）

A.溴、碘单质和四氯化碳中都含有卤素

B.溴、碘是单质，四氯化碳是化合物

C.Cl2、Br2、I2是非极性分子，CCl4也是非极性分子，而水是极性分子

D.以上说法都不对

解析：

根据相似相溶原理：

极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，难溶于非极性分子组成的溶剂；非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂，难溶于极性分子组成的溶剂。

Cl2、Br2、I2是非极性分子，它们易溶于非极性溶剂——CCl4；而在极性溶剂——水中的溶解度较小。

答案：

C

类题演练　3

利用相似相溶原理这一经验规律可说明的事实是（　　）

A.HCl易溶于水

B.I2微溶于水

C.Cl2能溶于水

D.NH3易溶于水

解析：

HCl、NH3、H2O均属于非极性分子，故利用相似相溶原理可以解释。

答案：

AD

课后集训

基础过关

1.下列有关杂化轨道的说法不正确的是（　　）

A.原子中能量相近的某些轨道，在成键时，能重新组合成能量相等的新轨道

B.轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等

C.杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、能量最低原理

D.杂化轨道可分为等性杂化轨道和不等性杂化轨道

答案：

B

2.有关苯分子说法不正确的是（　　）

A.苯分子中C原子均以sp2杂化方式成键，形成120°的三个sp2杂化轨道，故为正六边形的碳环

B.每个碳原子还有一个参与杂化的2p轨道，垂直碳环平面，相互交盖，形成共轭大π键

C.大π键中6个电子被6个C原子共用，故称为中心6电子大π键

D.苯分子中共有六个原子共面，六个碳碳键完全相同

解析：

苯分子中共有六个碳原子和六个氢原子共面。

答案：

D

3.中心原子采取sp2杂化的分子是（　　）

A.NH3B.BCl3C.PCl3D.H2O

答案：

B

4.实验测得BeCl2为共价化合物，两个Be-Cl键之间的夹角为180°并有对称性，由此可判断BeCl2属于（　　）

A.由极性键形成的极性分子

B.由极性键形成的非极性分子

C.由非极性键形成的极性分子

D.由非极性键形成的非极性分子

解析：

BeCl2由Be、Cl两种元素构成，故其中的键为极性键。

Be—Cl键之间的夹角为180°

并有对称性，故其中电荷分布均匀，为非极性分子，B项正确。

答案：

B

5.下列含有非极性键的非极性分子是（　　）

A.H2B.H2OC.H2O2D.CO2

解析：

H2是非极性键结合成的非极性分子，H2O是含极性键的极性分子，CO2是含极性键的非极性分子，而H2O2是含有非极性键的极性分子。

答案：

A

6.下列分子中，属于含有极性键的非极性分子的一组是（　　）

A.CH4、CCl4、CO2

B.C2H4、C2H2、C6H6

C.Cl2、H2、N2

D.NH3、H2O、SO2

解析：

单质分子一般都是非极性分子，但单质分子中的化学键是非极性键，不符合题目要求，故不选C。

多原子

分子的极性取决于分子的空间结构，仔细分析题中选项可知A、B项符合题意。

答案：

AB

7.下列说法中，不正确的是（　　）

A.极性分子一定含有极性键

B.非极性分子不一定含有非极性键

C.CH4和P4分子都是正四面体结构，但键角大小不同

D.常温常压下的气体分子中都含有共价键

解析：

化学键的极性是分子有极性的必要条件，只要极性键在分子中排列对称，分子就无极性，

所以A、B项的说法都是正确的。

CH4和P4均具有正四面体空间构型，但CH4分子中碳原子位于体心，键角为109.5°，而P4无体心原子，键角为60°，把以C也是正确的，常温常压下，稀有气体是单原子分子，不含化学键，故D项的说法不正确。

答案：

D

8.通常情况下，NCl3是一种油状液体，其分子空间构型与氨分子相似，下列对NCl3的有关叙述正确的是（　　）

A.分子中N—Cl键键长与CCl4分子中C—Cl键键长相等

B.分子中的所有原子均达到8电子稳定结构

C.NCl3分子是非极性分子

D.NBr3比NCl3易挥发

答案：

B

综合运用

9.用萃取法从碘水中分离碘，所用萃取剂应具有的性质是（　　）

①不和碘或水起化学反应　②能溶于水　③不溶于水　④应是极性溶剂　⑤应是非极性溶剂

A.①②⑤B.②③④C.①③⑤D.①③④

解析：

非极性分子的溶质易溶于非极性分子的溶剂中。

答案：

C

10.能说明BF3分子中的四个原子在同一平面内的理由是（　　）

A.任意两个B—F键之间的夹角为120°

B.B—F键是非极性键

C.B原子与每个F原子的相互作用相同

D.B原子与每个F原子的距离相等

解析：

BF3分子中的四个原子在同一平面内，BF3中只有3个BF键，故两个BF之间的夹角为360°÷3=120°。

分子的空间构型取决于键与键之间的夹角。

故只有A正确。

答案：

A

11.下列叙述正确的是（　　）

A.两种元素构成的共价化合物分子中的化学键都是性极键

B.两种元素原子间形成的化学键都是极性键

C.含有极性键的分子不一定是极性分子

D.极性分子一定含有极性键

解析：

A项中说法不一定，如H2O2中OO键是非极性键；两种元素间可能形成离子键，也可能形成共价键；极性键属共价键；含有极性键的化合物不一定是极性分子，如CH4、CO2等：

在极性分子中一定含有极性键。

答案：

CD

12.通常把具有相同电子数和相同原子数的分子或离子称为等电子体。

等电子体的结构和性质相似（等电子原理）。

有下列两个系列的物质：

系列一：

CH4　C2H6　CO

　Y　C2O

　W

系列二：

NH

　N2H

　X　NO

　Z　N2

试根据等电子体的概念及上述两系列物质的排列规律，推断X、Y、Z、W可能是下列各组物质中的（　　）

A.NO

CO2　N2O4　CO

B.NO

　CO2　N2H4　C2H2

C.NO

　CO　NO

　C2H2

D.NO

　HCO

　N2O

　CO

答案：

A

13.为什么由不同种元素的原子生成的PCl5分子为非极性分子，而由同种元素的原子形成的O3分子却是极性分子？

答案：

在PCl5分子中，虽然P－Cl为极性键，但由于PCl5分子为三角双锥构型，键的偶极矩互相抵消，使分子的正电重心和负电重心重合，分子的偶极矩为零。

因此，PCl5为非极性分子。

在O3分子中，虽然分子中的原子为同种元素原子，由于O3分子为V形构型，三个O原子上的孤对电子数不同，中心原子与其他原子的电子密度不同。

由于分子的非对称性和中心原子与端原子的电子密度不同使O3分子的偶极矩不为零，分子有微弱的极性。

14.已知氟化硼（BF3）是共价化合物，分子中的四个原子在同一平面上，那么BF3分子是否具有极性：

__________（“具有”或“不具有”），分子中键与键之间的夹角为__________。

又已知三氟化磷（PF3）也是共价化合物，与BF3不同的是PF3是极性分子，则PF3分子中的4个原子是否在同一平面上__________（“在”或“不在”），PF3分子中的键与键之间的夹角比BF3分子中的键与键之间的夹角__________（填“大”“小”或“相等”）。

答案：

不具有　120°　不在　小

15.根据杂化理论回答下列问题：

分子

CH4

H2O

NH3

CO2

C2H4

键角

109.5°

104.5°

107.3°

180°

120°

（1）上表中各种物质中心原子是否以杂化轨道成键？

以何