第12章 第38讲 化学键和分子间作用力.docx

第12章 第38讲 化学键和分子间作用力.docx

《第12章 第38讲 化学键和分子间作用力.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第12章 第38讲 化学键和分子间作用力.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第12章第38讲化学键和分子间作用力

考纲要求

　1.了解共价键的形成、极性、类型（σ键和π键），了解配位键的含义。

2.能用键能、键长、键角等说明简单分子的某些性质。

3.了解杂化轨道理论及常见的杂化轨道类型（sp、sp2、sp3）。

4.能用价层电子对互斥理论或者杂化轨道理论推测常见的简单分子或离子的立体构型。

5.了解范德华力的含义及对物质性质的影响。

6.了解氢键的含义，能列举含有氢键的物质，并能解释氢键对物质性质的影响。

考点一　共价键

1．本质

在原子之间形成共用电子对（电子云的重叠）。

2．特征

具有饱和性和方向性。

3．分类

分类依据

类型

形成共价键的原子轨道重叠方式

σ键

电子云“头碰头”重叠

π键

电子云“肩并肩”重叠

形成共价键的电子对是否偏移

极性键

共用电子对发生偏移

非极性键

共用电子对不发生偏移

原子间共用电子对的数目

单键

原子间有一对共用电子对

双键

原子间有两对共用电子对

叁键

原子间有三对共用电子对

特别提醒　

（1）只有两原子的电负性相差不大时，才能形成共用电子对，形成共价键，当两原子的电负性相差很大（大于1.7）时，不会形成共用电子对，而形成离子键。

（2）同种元素原子间形成的共价键为非极性键，不同种元素原子间形成的共价键为极性键。

4．键参数

（1）概念

键长：

形成共价键的两个原子之间的核间距

键参数键能：

气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量

键角：

在原子数超过2的分子中，两个共,价键之间的夹角

（2）键参数对分子性质的影响

①键能越大，键长越短，分子越稳定。

②

5．等电子原理

原子总数相同，价电子总数相同的分子具有相似的化学结构，它们的许多性质相似，如CO和N2。

深度思考

1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”

（1）共价键的成键原子只能是非金属原子（×）

（2）在任何情况下，都是σ键比π键强度大（×）

（3）在所有分子中都存在化学键（×）

（4）分子的稳定性与分子间作用力的大小无关（√）

（5）ssσ键与spσ键的电子云形状对称性相同（√）

（6）σ键能单独形成，而π键一定不能单独形成（√）

（7）σ键可以绕键轴旋转，π键一定不能绕键轴旋转（√）

（8）碳碳叁键和碳碳双键的键能分别是碳碳单键键能的3倍和2倍（×）

（9）键长等于成键两原子的半径之和（×）

（10）所有的共价键都有方向性（×）

2．N≡N键的键能为946kJ·mol－1，N—N键的键能为193kJ·mol－1，则一个π键的平均键能为__________，说明N2中________键比________键稳定（填“σ”或“π”）。

答案　376.5kJ·mol－1　π　σ

解析　π键的平均键能为

＝376.5kJ·mol－1，所以N2中π键比σ键稳定。

3．结合事实判断CO和N2相对活泼的是____________，试用下表中的键能数据解释其相对活泼的原因：

____________________________________________________________。

CO

C—O

C===O

C≡O

键能（kJ·mol－1）

357.7

798.9

1071.9

N2

N—N

N===N

N≡N

键能（kJ·mol－1）

154.8

418.4

941.7

答案　CO　断开CO分子的第一个化学键所需要的能量（273.0kJ·mol－1）比断开N2分子的第一个化学键所需要的能量（523.3kJ·mol－1）小

解析　由断开CO分子的第一个化学键所需要的能量[（1071.9－798.9）kJ·mol－1＝273.0kJ·mol－1]比断开N2分子的第一个化学键所需要的能量[（941.7－418.4）kJ·mol－1＝523.3kJ·mol－1]小，可知CO相对活泼。

题组一　用分类思想突破化学键的类别

1．在下列物质中：

①HCl、②N2、③NH3、④Na2O2、⑤H2O2、⑥NH4Cl、⑦NaOH、⑧Ar、⑨CO2、⑩C2H4

（1）只存在非极性键的分子是__________；既存在非极性键又存在极性键的分子是__________；只存在极性键的分子是__________（填序号，下同）。

（2）只存在单键的分子是__________，存在叁键的分子是__________，只存在双键的分子是__________，既存在单键又存在双键的分子是__________。

（3）只存在σ键的分子是__________，既存在σ键又存在π键的分子是__________。

（4）不存在化学键的是__________。

（5）既存在离子键又存在极性键的是__________；既存在离子键又存在非极性键的是__________。

答案　

（1）②　⑤⑩　①③⑨　

（2）①③⑤　②　⑨　⑩

（3）①③⑤　②⑨⑩　（4）⑧　（5）⑥⑦　④

2．有以下物质：

①HF，②Cl2，③H2O，④N2，⑤C2H4，⑥C2H6，⑦H2，⑧H2O2，⑨HCN（H—C≡N）。

只有σ键的是________（填序号，下同）；既有σ键，又有π键的是________；含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是________；含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是________；含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是________。

答案　①②③⑥⑦⑧　④⑤⑨　⑦　①③⑤⑥⑧⑨②④⑤⑥⑧⑨

1．在分子中，有的只存在极性键，如HCl、NH3等，有的只存在非极性键，如N2、H2等，有的既存在极性键又存在非极性键，如H2O2、C2H4等；有的不存在化学键，如稀有气体分子。

2．在离子化合物中，一定存在离子键，有的存在极性共价键，如NaOH、Na2SO4等；有的存在非极性键，如Na2O2、CaC2等。

3．通过物质的结构式，可以快速有效地判断键的种类及数目；判断成键方式时，需掌握：

共价单键全为σ键，双键中有一个σ键和一个π键，叁键中有一个σ键和两个π键。

题组二　键参数的判断与应用

3．下列说法中正确的是（　　）

A．分子的结构是由键角决定的

B．共价键的键能越大，共价键越牢固，由该键形成的分子越稳定

C．CF4、CCl4、CBr4、CI4中C—X键的键长、键角均相等

D．H2O分子中的共价键比HF分子中的共价键牢固

答案　B

解析　分子的结构是由键角、键长共同决定的，A项错误；由于F、Cl、Br、I的原子半径不同，故C—X键的键长不相等，C项错误；H2O分子中的O—H键不如HF分子中的F—H键牢固，D项错误。

4．已知键能、键长部分数据如下表：

共价键

Cl—Cl

Br—Br

I—I

H—F

H—Cl

H—Br

H—I

H—O

键能

（kJ·mol－1）

242.7

193.7

152.7

568

431.8

366

298.7

462.8

键长（pm）

198

228

267

96

共价键

C—C

C===C

C≡C

C—H

N—H

N===O

O—O

O===O

键能

（kJ·mol－1）

347.7

615

812

413.4

390.8

607

142

497.3

键长（pm）

154

133

120

109

101

（1）下列推断正确的是________（填字母，下同）。

A．稳定性：

HF＞HCl＞HBr＞HI

B．氧化性：

I2＞Br2＞Cl2

C．沸点：

H2O＞NH3

D．还原性：

HI＞HBr＞HCl＞HF

（2）下列有关推断正确的是________。

A．同种元素形成的共价键，稳定性：

叁键＞双键＞单键

B．同种元素形成双键键能一定小于单键的2倍

C．键长越短，键能一定越大

D．氢化物的键能越大，其稳定性一定越强

（3）在HX分子中，键长最短的是________，最长的是________；O—O键的键长________（填“大于”“小于”或“等于）O===O键的键长。

答案　

（1）ACD　

（2）A　（3）HF　HI　大于

解析　

（1）根据表中数据，同主族气态氢化物的键能从上至下逐渐减小，稳定性逐渐减弱，A项正确；从键能看，氯气、溴单质、碘单质的稳定性逐渐减弱，由原子结构知，氧化性也逐渐减弱，B项错误；由表格数据知，EH—O＞EN—H，又因为rO＜rN，则H2O的沸点比NH3高，C项正确；还原性与失电子能力有关，还原性：

HI＞HBr＞HCl＞HF，D项正确。

（2）由碳碳键的数据知A项正确；由O—O键、O===O键的键能知，B项错误；C—H键的键长大于N—H键的键长，但是N—H键的键能反而较小，C项错误；由C—H、N—H的键能知，CH4的键能较大，而稳定性较弱，D项错误。

1．分子的空间构型与键参数

键长、键能决定了共价键的稳定性，键长、键角决定了分子的立体构型。

一般来说，知道了多原子分子中的键角和键长等数据，就可确定该分子的立体构型。

2．反应热与键能：

ΔH＝反应物总键能－生成物总键能。

题组三　等电子原理的应用

5．通常把原子总数和价电子总数相同的分子或离子称为等电子体。

人们发现等电子体的空间结构相同，则下列有关说法中正确的是（　　）

A．CH4和NH

是等电子体，键角均为60°

B．NO

和CO

是等电子体，均为平面三角形结构

C．H3O＋和PCl3是等电子体，均为三角锥形结构

D．B3N3H6和苯是等电子体，B3N3H6分子中不存在“肩并肩”式重叠的轨道

答案　B

解析　甲烷是正四面体形结构，键角是109.5°，A错；NO

和CO

是等电子体，均为平面三角形结构，B对；H3O＋和PCl3的价电子总数不相等，C错；苯的结构中存在“肩并肩”式的重叠轨道，故B3N3H6分子中也存在，D错。

6．原子数相同、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2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，等电子原理又有所发展。

例如，由短周期元素组成的微粒，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体，它们也具有相似的结构特征。

在短周期元素组成的物质中，与NO

互为等电子体的分子有________、________。

答案　

（1）N2　CO　N2O　CO2　

（2）SO2　O3

解析　

（1）仅由第2周期元素组成的共价分子，即C、N、O、F组成的共价分子中，如：

N2与CO电子总数均为14个电子，N2O与CO2电子总数均为22个电子。

（2）依题意，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，即可互称为等电子体，NO

为三原子，各原子最外层电子数之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也为三原子，各原子最外层电子数之和为6×3＝18。

记忆等电子体，推测等电子体的性质

（1）常见的等电子体汇总

微粒

通式

价电子总数

立体构型

CO2、CNS－、NO

、N

AX2

16e－

直线形

CO

、NO

、SO3

AX3

24e－

平面三角形

SO2、O3、NO

AX2

18e－

V形

SO

、PO

AX4

32e－

正四面体形

PO

、SO

、ClO

AX3

26e－

三角锥形

CO、N2

AX

10e－

直线形

CH4、NH

AX4

8e－

正四面体形

（2）根据已知的一些分子的结构推测另一些与它等电子的微粒的立体构型，并推测其物理性质。

①（BN）x与（C2）x，N2O与CO2等也是等电子体；②硅和锗是良好的半导体材料，他们的等电子体磷化铝（AlP）和砷化镓（GaAs）也是很好的半导体材料；③白锡（βSn2）与锑化铟是等电子体，它们在低温下都可转变为超导体；④SiCl4、SiO

、SO

的原子数目和价电子总数都相等，它们互为等电子体，都形成正四面体形；⑤CO2、COS均为直线形结构；SO3、CO

为平面正三角形结构；NF3、PCl3均为三角锥形结构。

特别提醒　等电子体结构相同，物理性质相近，但化学性质不同。

考点二　分子的立体构型

1．价层电子对互斥理论

（1）价层电子对在球面上彼此相距最远时，排斥力最小，体系的能量最低。

（2）孤电子对的排斥力较大，孤电子对越多，排斥力越强，键角越小。

填写下表。

电子

对数

成键

对数

孤电子

对数

电子对

立体构型

分子立

体构型

实例

键角

2

2

0

直线形

直线形

BeCl2

180°

3

3

0

三角形

平面正三角形

BF3

120°

2

1

V形

SnBr2

104.5°

4

4

0

正四面

体形

正四面体形

CH4

109.5°

3

1

三角锥形

NH3

107.3°

2

2

V形

H2O

104.5°

2.杂化轨道理论

当原子成键时，原子的价电子轨道相互混杂，形成与原轨道数相等且能量相同的杂化轨道。

杂化轨道数不同，轨道间的夹角不同，形成分子的空间结构不同。

sp杂化

sp1杂化轨道由1个s轨道和1个p轨道组合而成，杂化轨道间夹角为180°，

呈直线形，如H—C≡C—H

sp2杂化sp2杂化轨道由1个s轨道和2个p轨道组合而成，杂化轨道间夹角为120°，呈平面三角形，如HCHO

sp3杂化sp3杂化轨道由1个s轨道和3个p轨道组合而成，杂化轨道间夹角为109.5°，呈正四面体形，如CH4

特别提醒　

（1）价层电子对互斥理论说明的是价层电子对的立体构型，而分子的立体构型指的是成键电子对的立体构型，不包括孤电子对。

①当中心原子无孤电子对时，两者的构型一致；

②当中心原子有孤电子对时，两者的构型不一致。

如：

中心原子采取sp3杂化的，其价层电子对模型为四面体形，其分子构型可以为四面体形（如CH4），也可以为三角锥形（如NH3），也可以为V形（如H2O）。

（2）价层电子对互斥理论能预测分子的立体构型，但不能解释分子的成键情况，杂化轨道理论能解释分子的成键情况，但不能预测分子的立体构型。

两者相结合，具有一定的互补性，可达到处理问题简便、迅速、全面的效果。

（3）杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同，中心原子杂化类型相同时孤电子对数越多，键角越小。

（4）杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同，但能量不同。

3．配位键

（1）孤电子对

分子或离子中没有跟其他原子共用的电子对称孤电子对。

（2）配位键

①配位键的形成：

成键原子一方提供孤电子对，另一方提供空轨道形成共价键。

②配位键的表示：

常用“―→”来表示配位键，箭头指向接受孤电子对的原子，如NH

可表示为[NHHHH]＋，在NH

中，虽然有一个N—H键形成过程与其他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。

（3）配合物

如[Cu（NH3）4]SO4

配位体有孤电子对，如H2O、NH3、CO、F－、Cl－、CN－等。

中心原子有空轨道，如Fe3＋、Cu2＋、Zn2＋、Ag＋等。

深度思考

1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”

（1）杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对（√）

（2）分子中中心原子若通过sp3杂化轨道成键，则该分子一定为正四面体结构（×）

（3）NH3分子为三角锥形，N原子发生sp2杂化（×）

（4）只要分子构型为平面三角形，中心原子均为sp2杂化（√）

（5）中心原子是sp1杂化的，其分子构型不一定为直线形（×）

（6）价层电子对互斥理论中，π键电子对数不计入中心原子的价层电子对数（√）

2．VSEPR模型和分子（离子）立体构型与中心原子杂化类型的确定。

填写下表。

化学式

孤电子对数

（a－xb）/2

σ键电

子对数

价层电

子对数

VSEPR模型

名称

分子或离子的

立体构型名称

中心原子

杂化类型

H2S

2

2

4

四面体形

V形

sp3

SO2

1

2

3

平面三角形

V形

sp2

SO3

0

3

3

平面三角形

平面三角形

sp2

CH4

0

4

4

正四面体形

正四面体形

sp3

NCl3

1

3

4

四面体形

三角锥形

sp3

HCN

0

2

2

直线形

直线形

sp1

HCHO

0

3

3

平面三角形

平面三角形

sp2

NO

0

3

3

平面三角形

平面三角形

sp2

ClO－

3

1

4

四面体形

直线形

sp3

H3O＋

1

3

4

四面体形

三角锥形

sp3

ClO

1

3

4

四面体形

三角锥形

sp3

PO

0

4

4

正四面体形

正四面体形

sp3

CH≡CH

直线形

sp1

CH2===CH2

平面形

sp2

C6H6

平面六边形

sp2

CH3COOH

sp3、sp2

题组一　价层电子对互斥理论、杂化轨道理论的综合考查

1．下列离子的VSEPR模型与离子的空间立体构型一致的是（　　）

A．SO

B．ClO

C．NO

D．ClO

答案　B

解析　当中心原子无孤电子对时，VSEPR模型与立体构型一致。

A项，SO

的中心原子的孤电子对数＝

×（6＋2－3×2）＝1，B项，ClO

的中心原子的孤电子对数＝

×（7＋1－4×2）＝0；C项，NO

的中心原子的孤电子对数＝

×（5＋1－2×2）＝1；D项，ClO

中心原子的孤电子对数＝

×（7＋1－3×2）＝1。

所以只有B符合题意。

2．下列分子所含原子中，既有sp3杂化，又有sp2杂化的是（　　）

答案　A

解析　乙醛中甲基的碳原子采取sp3杂化，醛基中碳原子采取sp2杂化；丙烯腈中碳碳双键的两个碳原子采取sp2杂化，另一个碳原子采取sp1杂化；甲醛中碳原子采取sp2杂化；丙炔中甲基碳原子采取sp3杂化，碳碳三键中两个碳原子采取sp1杂化。

3．（2017·济南质检）氮的最高价氧化物为无色晶体，它由两种离子构成，已知其阴离子构型为平面三角形，则其阳离子的构型和阳离子中氮的杂化方式为（　　）

A．直线形　sp1杂化B．V形　sp2杂化

C．三角锥形　sp3杂化D．平面三角形　sp2杂化

答案　A

解析　氮的最高价氧化物为N2O5，根据N元素的化合价为＋5和原子组成，可知阴离子为NO

、阳离子为NO

，NO

中N原子形成了2个σ键，孤电子对数目为0，所以杂化类型为sp1，阳离子的构型为直线形，故A项正确。

4．原子形成化合物时，电子云间的相互作用对物质的结构和性质会产生影响。

请回答下列问题：

（1）BF3分子的立体结构为______________，NF3分子的立体结构为____________。

（2）已知H2O、NH3、CH4三种分子中，键角由大到小的顺序是CH4>NH3>H2O，请分析可能的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）平面三角形　三角锥形

（2）CH4分子中的C原子没有孤电子对，NH3分子中N原子上有1对孤电子对，H2O分子中O原子上有2对孤电子对，对成键电子对的排斥作用增大，故键角减小

解析　

（1）BF3分子中的B原子采取sp2杂化，所以其分子的立体构型为平面三角形；NF3分子中的N原子采取sp3杂化，其中一个杂化轨道中存在一对孤电子对，所以其分子的立体构型为三角锥形。

（2）H2O、NH3、CH4分子中的O、N、C均采取sp3杂化，而在O原子上有2对孤电子对，对成键电子对的排斥作用最大，键角最小；N原子上有1对孤电子对，对成键电子对的排斥作用使键角缩小，但比水分子的要大；C原子上无孤电子对，键角最大。

1．“三种”方法判断分子中心原子的杂化类型

（1）根据杂化轨道的空间分布构型判断

①若杂化轨道在空间的分布为正四面体形或三角锥形，则分子的中心原子发生sp3杂化。

②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则分子的中心原子发生sp2杂化。

③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则分子的中心原子发生sp1杂化。

（2）根据杂化轨道之间的夹角判断

若杂化轨道之间的夹角为109.5°，则分子的中心原子发生sp3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则分子的中心原子发生sp2杂化；若杂化轨道之间的夹角为180°，则分子的中心原子发生sp1杂化。

（3）根据等电子原理结构相似进行推断，如CO2是直线形分子，CNS－、NO

、N

与CO2是等电子体，所以分子构型均为直线形，中心原子均采用sp1杂化。

2．用价层电子对互斥理论推测分子或离子立体构型的思维程序

用价层电子对互斥理论推测简单分子（ABn型）、离子（AB

型）立体构型的方法

解题思路——

确定价层价层电子对尽可能远离价层电子对立体构型

电子对数均分空间

确定孤电孤电子对的排斥作用较强变形后的立体构型

子对数孤电子对与成键电子对尽可能远离

去掉孤电子对

所占空间分子（离子）的立体构型

（1）σ键的电子对数的确定

由分子式确定σ键电子对数。

例如，H2O中的中心原子为O，O有2对σ键电子对；NH3中的中心原子为N，N有3对σ键电子对。

（2）中心原子上的孤电子对数的确定

中心原子上的孤电子对数＝

（a－xb）。

式中a为中心原子的价电子数，对于主族元素来说，价电子数等于原子的最外层电子数；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，氢为1，其他原子等于“8－该原子的价电子数”。

例如，SO2的中心原子为S，S的价电子数为6（即S的最外层电子数为6），则a＝6；与中心原子S结合的O的个数为2，则x＝2；与中心原子结合的O最多能接受的电子数为2，则b＝2。

所以，SO2中的中心原子S上的孤电子对数＝

×（6－2×2）＝1。

题组二　配位键、配合物理论

5．铜单质及其化合物在很多领域有重要的用途，如金属铜用来制造电线电缆，五水硫酸铜可用作杀菌剂。

（1）往硫酸铜溶液中加入过量氨水，可生成[Cu（NH3）4]2＋配离子。

已知NF3与NH3的立体构型都是三角锥形，但NF3不易与Cu2＋形成配离子，其原因是____________________________________________________________。

（2）胆矾CuSO4·5H2O可写作[Cu（H2O）4]SO4·H2O，其结构示意图如下：

下列有关胆矾的说法正确的是________。

A．所有氧原子都采取sp3杂化

B．氧原子存在配位键和氢键两种化学键

C．Cu2＋的价电子排布式为3d84s1

D．胆矾中的水在不同温度下会分步失去

答案　

（1）N、F、H三种元素的电负性：

F