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分子空间结构与物质性质
专题4
课程标准要求 学科核心素养
1.结合实例了解共价分子具有特定的空间结构,并可运用相关理论和模型进行解释和预测。知道分子的结构可以通过波谱、X射线衍射等实验手段进行测定。 1.宏观辨识与微观探析:借助量子化特征认识共价键的本质,进而理解分子的空间结构与原子轨道重叠的方向性有关,从电负性角度和电荷分布角度认识键的极性与分子极性的关系,能够根据宏观现象解释分子极性,从物质的元素组成、构成微粒及相互作用力角度认识配位键,并且建立结构和性质之间的关系,培养宏观辨识与微观探析核心素养。
2.知道分子可以分为极性分子和非极性分子,知道分子极性与分子中键的极性、分子的空间结构密切相关。结合实例初步认识分子的手性对其性质的影响。
3.知道配位键的特点,认识简单的配位化合物的成键特征。
4.了解配位化合物的存在与应用。 2.证据推理与模型认知:运用杂化轨道理论和价层电子对互斥理论解释分子的空间结构,借助实物模型感受、识别、反思杂化轨道理论和价层电子对互斥理论在解释和预测分子结构时的局限性,能够根据手性分子的结构特点形成判断手性分子的认知模型,依据认知模型判断有机化合物分子是否具有手性,培养证据推理与模型认知核心素养。
3.科学探究与创新意识:能够根据探究目的,设计实验方案制备配合物,并认识配合物的重要应用,培养科学探究与创新意识核心素养。
第一单元　分子的空间结构
第1课时　分子的空间结构模型
1.了解杂化轨道理论的基本内容,能根据杂化轨道理论解释简单分子的空间结构。2.结合杂化轨道理论认识常见共价分子的空间结构。3.了解价层电子对互斥模型,能用价层电子对互斥模型预测简单分子的空间结构。4.了解等电子原理的内容。
杂化轨道理论与分子的空间结构
学习任务一
1.sp3杂化与CH4分子的空间结构
(1)杂化轨道的形成。
碳原子 轨道上的1个电子进入 空轨道, 个 轨道和 个 轨道“混杂”,形成能量相等、成分相同的 个sp3杂化轨道。 个sp3杂化轨道在空间呈正四面体形,轨道之间的夹角为109°28′,每个轨道上都有一个未成对电子。
2s
2p
1
2s
3
2p
4
4
(2)共价键的形成。
碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成 个相同的σ键。
4
(3)CH4分子的空间结构。
CH4分子的空间结构为 ,分子中C—H键之间的夹角都是
。
正四面体形
109°28′
2.sp2杂化与BF3分子的空间结构
(1)在形成BF3分子的过程中,硼原子 轨道上的1个电子进入 轨道,
个 轨道和 个 轨道发生杂化,形成能量相等、成分相同的 个sp2杂化轨道。硼原子中的3个sp2杂化轨道指向平面正三角形的3个顶点,每个轨道都有一个未成对电子。这样,硼原子的3个sp2杂化轨道分别与氟原子的2p轨道重叠形成 个相同的σ键,从而形成BF3分子。
2s
2p
1
2s
2
2p
3
3
(2)sp2杂化轨道的夹角为 ,呈 结构。
120°
平面三角形
3.sp杂化与BeCl2分子的空间结构
(1)杂化轨道的形成。
铍原子 轨道上的1个电子进入 轨道, 个 轨道和 个 轨道发生杂化,形成能量相等、成分相同的 个 杂化轨道。铍原子的sp杂化轨道呈直线形,其夹角为180°。
2s
2p
2p
2s
1
2p
2
sp
(2)共价键的形成。
铍原子的2个sp杂化轨道分别与2个氯原子的1个 3p轨道重叠,形成 个相同的σ键。
2
(3)BeCl2分子的空间结构。
BeCl2分子的空间结构为直线形,分子中Be—Cl键之间的夹角为 。
180°
4.典型有机化合物分子的成键情况
(1)C2H6分子中,碳原子均采用 杂化,每个碳原子的 个 轨道与3个氢原子的1s轨道重叠形成3个C—H σ键;2个碳原子各以 个 轨道发生重叠形成1个C—C σ键。
(2)C2H4分子中,碳原子均采用 杂化,每个碳原子的 个 轨道与2个氢原子的1s轨道重叠形成2个C—H σ键,2个碳原子各以 个 轨道发生重叠形成1个C—C σ键,各以1个未杂化的2p轨道发生重叠,形成1个 。
sp3
3
sp3
1
sp3
sp2
2
sp2
1
sp2
π键
(3)C2H2分子中,碳原子均采用 杂化,每个碳原子的 个 轨道与1个氢原子的1s轨道重叠形成1个C—H σ键,2个碳原子各以 个 轨道发生重叠形成1个C—C σ键,各以2个未杂化的2p轨道发生重叠,形成 个 。
sp
1
sp
1
sp
2
π键
5.H2O、NH3的杂化方式和空间结构
(1)H2O分子的杂化方式和空间结构。
①杂化轨道类型:氧原子上的1个2s轨道与 3个 2p轨道混杂,形成4个sp3杂化轨道,杂化轨道的空间结构是 。
正四面体形
②成键情况:氧原子的2个sp3杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠,形成2个σ键, 个孤电子对没有参与成键。
③空间结构:由于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,使键角小于109°28′。H2O分子的空间结构为 形,键角为104°30′。
2
V
(2)NH3的杂化方式和空间结构。
①杂化轨道类型:氮原子上的1个2s轨道与 3个 2p轨道混杂,形成4个sp3杂化轨道,该杂化轨道的空间结构是 。
四面体形
②成键情况:氮原子的3个sp3杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠,形成3个σ键, 个孤电子对没有参与成键。
③空间结构:NH3分子的空间结构为 ,键角为107°18′。
(3)结论:当中心原子的杂化轨道上存在孤电子对时,分子的空间结构与杂化轨道的空间结构 。且中心原子上的孤电子对数越多,键角 。
1
三角锥形
不同
越小
杂化轨道理论是一种价键理论,是化学家为解释分子的空间结构提出的。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发生混杂,重新组合成一组新的轨道的过程,叫轨道的杂化。双原子分子中,不存在杂化过程。
探究　轨道的杂化
问题1:任意轨道之间都可以杂化吗 2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道
提示:不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道,2s轨道与3p轨道能量相差较大,不可杂化。
问题2:原子轨道杂化后,轨道的数量和能量有什么变化
提示:形成的杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同,但能量不同。如1个s轨道与3个p轨道杂化成 4个能量相同的sp3杂化轨道。
问题3:杂化轨道与原轨道相比,轨道形状及延伸方向是否改变
提示:杂化改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子形成共价键时重叠程度更大,成键更牢固。sp3杂化轨道的形成如图所示。
问题4:如何解释苯的分子式为C6H6,苯分子的空间结构为平面结构
提示:6个碳原子采取sp2杂化,每个碳原子的 2个 sp2杂化轨道分别与另2个碳原子的sp2杂化轨道形成σ键并形成环状结构,每个碳原子剩余的另 1个 sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道形成σ键。另外每个碳原子各有1个未参与杂化的垂直于碳环平面的2p轨道,这6个轨道以“肩并肩”的方式形成含有6个电子、属于6个碳原子的大 π键,如图所示。
归纳拓展
杂化轨道理论
1.杂化轨道理论4个要点
(1)能量相近:原子在成键时,同一个原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道(如ns与np)。
(2)数目不变:形成的杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相等。
(3)成键能力增强:杂化改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子形成的共价键更牢固。
(4)排斥力最小:杂化轨道为使相互间的排斥力最小,故在空间取最大夹角分布,不同的杂化轨道伸展方向不同。
归纳拓展
2.杂化类型的判断
(1)根据杂化轨道数目判断。
4个杂化轨道为sp3杂化,3个杂化轨道为sp2杂化,2个杂化轨道为sp杂化。
ABm型分子或离子(A是中心原子,B是配位原子)中心原子杂化轨道数目的判断:
①当电荷数为正值时,公式中取“-”;当电荷数为负值时,公式中取“+”。
②当配位原子为氧原子或硫原子时,配位原子的成键电子数为零;当配位原子为卤素原子或氢原子时,配位原子的成键电子数为1。
归纳拓展
(2)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呈正四面体形,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sp杂化。
(3)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°28′,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sp杂化。
归纳拓展
(4)根据碳原子的饱和程度判断碳原子的杂化类型。
中心原子形成4个单键,为sp3杂化;中心原子形成1个双键,为sp2杂化;中心原子形成1个三键或2个双键,为sp杂化。
归纳拓展
3.杂化轨道空间结构与分子空间结构的关系
杂化类型 杂化轨道
空间结构 孤电子
对数目 分子空
间结构
sp3杂化 四面体形 0 正四面体形
1 三角锥形
2 V形
sp2杂化 平面
三角形 0 平面三角形
1 V形
sp杂化 直线形 — 直线形
归纳拓展
注:杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同。
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时,分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,孤电子对与成键电子对的排斥作用,会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构有所不同。
题点一　原子轨道的杂化
1.下列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°28′、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
C
【解析】 杂化前后的轨道数不变,杂化后,各个轨道尽可能分散、对称分布,导致轨道的形状发生了改变,A正确;sp3、sp2、sp杂化轨道的空间结构分别是正四面体形、平面三角形、直线形,所以其夹角分别为109°28′、120°、180°,B正确;杂化轨道只能形成 σ键,C错误;直线形分子的键角为180°,中心原子的杂化方式是sp,D正确。
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,一个能量高,另一个能量低
B
【解析】 sp杂化轨道是同一原子内能量相近的原子轨道发生杂化形成的轨道,A错误;不同类型能量相近的原子轨道混杂起来,重新组合成一组新的轨道,形成两个能量等同的sp杂化轨道,B正确,D错误;杂化轨道用于形成σ键,未杂化的轨道形成π键,不是杂化轨道形成π键,C错误。
题点二　杂化类型及分子空间结构判断
A.CHCl3分子的空间结构为正四面体形
B.COCl2分子中存在σ键、π键
C.COCl2分子中所有原子的最外层电子都满足8电子稳定结构
D.氯仿转化为光气的变化中,中心原子轨道杂化类型发生了变化
A
4.已知次氯酸分子的结构式为H—O—Cl,下列有关说法正确的是(　　)
A.氧原子发生sp杂化
B.氧原子与氢原子、氯原子都形成σ键
C.该分子为直线形分子
B
价层电子对互斥模型
学习任务二
1.价层电子对互斥理论
分子中的价电子对(包括 和 )由于 作用,而趋向于尽可能彼此远离以减小 ,分子尽可能采取 的空间结构。电子对之间的夹角越大,排斥力 。
2.理论要点
(1)具有相同价电子对数的分子,中心原子的杂化轨道类型 ,价电子对分布的几何构型也 。例如,CH4、NH3和H2O分子的价电子对数都是4,中心原子均采用sp3杂化,价电子对分布的几何构型均为 。
成键电子对
孤电子对
相互排斥
斥力
对称
越小
相同
相同
正四面体
(2)价电子对之间的斥力大小顺序为 >
>
。随着孤电子对数目的增多,孤电子对对成键电子对的排斥作用增强,使得成键电子对与成键电子对之间的键角也被“压缩”而减小。例如,
CH4分子中碳原子的杂化轨道上没有孤电子对,NH3分子中氮原子的杂化轨道上有1对孤电子对,H2O分子中氧原子的杂化轨道上有2对孤电子对,因此CH4、NH3和H2O分子中键角依次减小。
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
价层电子对互斥模型(简称VSEPR),适用于主族元素间形成的ABm型分子或离子。该理论认为,一个共价分子或离子中中心原子A及其周围所配置的原子B(配位原子)的几何构型,主要取决于中心原子的价电子形成的各电子对间的相互排斥作用。这些电子对在中心原子周围按尽可能互相远离的位置排布,以使彼此间的排斥力最小。所谓价电子对,指的是形成σ键的电子对和孤电子对。孤电子对的存在,增加了电子对间的排斥力,影响了分子中的键角,会改变分子空间结构的基本类型。
探究　价层电子对互斥理论
问题1:价电子对包括哪几种电子对
提示:一般包括两种电子对,即成键电子对(形成 σ键的电子对)和孤电子对。
问题2:如何确定ABm型分子或离子的价电子对数目
问题3:运用价层电子对互斥模型分析SO2空间结构、键角、S的杂化类型。
提示:中心原子为S,其价电子数为6+0×2(氧原子不提供价电子),所以其价电子对数为3,由于配位原子只有2个,所以3对价电子对中有 2对成键电子对、1对孤电子对,中心原子S为sp2杂化,杂化轨道空间结构为平面三角形,SO2分子的空间结构为V形;因为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,所以键角③小于120°。
价层电子对互斥模型预测分子或离子空间结构
1.ABm型分子或离子的中心原子价电子对数目及孤电子对数目的计算:
根据中心原子价电子对数目=成键电子对数目+孤电子对数目,已知其中两个数目可以求第三个。
(1)成键电子对数目的确定方法。
归纳拓展
(2)价电子对数目计算方法。
归纳拓展
(3)孤电子对数目的计算方法。
归纳拓展
2.中心原子的价电子对数目与中心原子的杂化轨道数目关系。
归纳拓展
价电子对数目 2 3 4
杂化轨道数目 2 3 4
中心原子
杂化类型 sp杂化 sp2杂化 sp3杂化
3.价层电子对互斥模型与分子空间结构的关系。
价层电子对互斥模型指的是价电子对的空间结构,而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构,不包括孤电子对。根据价层电子对互斥模型分析分子或离子空间结构,关键是分析分子或离子中的中心原子的成键电子对数目和孤电子对数目。
(1)当中心原子无孤电子对时,两者的空间结构一致。
归纳拓展
(2)当中心原子有孤电子对时,两者的空间结构不一致。
归纳拓展
中心原子
的杂化轨
道类型　 分子的价电子对数目　 成键电子
对数目　 中心原子的孤电子对数目　 价层电子对互斥模型　 分子空间结构 实例
sp杂化 2 2 0 直线形 直线形 BeCl2
sp2杂化 3 3 0 平面三角形 平面三角形 BF3
2 1 V形 SnBr2
sp3杂化 4 4 0 四面体形 正四面体形 CH4
3 1 三角锥形 NH3
2 2 V形 H2O
1.下列关于价层电子对互斥模型的叙述中不正确的是(　　)
A.价层电子对互斥模型可用于预测分子的空间结构
B.价层电子对互斥模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子空间结构
C.中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥
D.分子中键角越大,价电子对之间的斥力越大,分子越稳定
D
【解析】 价层电子对互斥模型可用于预测分子的空间结构,注意实际空间结构要去掉孤电子对,A正确;价层电子对互斥模型可用于预测简单分子的空间结构,不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子空间结构,B正确;中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥,且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,C正确;分子中键角越大,价电子对之间的斥力越小,D错误。
2.根据价层电子对互斥理论判断下列各组分子或离子空间结构相同的是
(　　)
D
3.利用价层电子对互斥模型可以预测许多分子或离子的空间结构,也可推测键角的大小。下列判断正确的是(　　)
D
等电子原理
学习任务三
1.等电子原理
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.等电子原理的应用
(1)判断一些简单分子或离子的立体结构。
(2)判断分子的结构性质。
CO和N2的分子中价电子总数都是10,都形成 1个 σ键和2个π键,键能都较大,某些物理性质也相似。
(3)等电子原理在制造新材料方面的应用。
晶体硅、锗、磷化铝(AlP)、砷化镓(GaAs)互为等电子体,都是良好的半导体材料。
1.互为等电子体的微粒具有相同的结构特征(立体结构和化学键类型),它们某些物理性质相似。
2.等电子体的价电子总数相等,而组成原子的核外电子总数不一定相同,如O3与SO2。
归纳拓展
1.原子数目和价电子总数都相等的分子或离子互为等电子体,等电子体具有相似的空间结构。下列各组分子或离子的空间结构不相似的是(　　)
D
2.下列关于等电子体的说法正确的是(　　)
D
替换法书写等电子体
(1)同主族替换法。
同主族元素最外层电子数相等,故可将微粒中一个或几个原子换成同主族元素原子,如O3与SO2、CO2与CS2互为等电子体。
(2)左右移位法。
思维建模
(3)叠加法。
互为等电子体的微粒分别再增加一个相同的原子或同主族元素的原子,如N2O与CO2互为等电子体。
思维建模
知识整合
氯吡苯脲是一种常用的膨大剂,其结构简式为 ,它是常用的植物生长调节剂。
(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为　　　　。
1
【解析】 (1)根据构造原理可知,氯元素基态原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p5,所以未成对电子数为1。
(2)氯吡苯脲晶体中,氮原子的杂化轨道类型为　　　 　,羰基碳原子的杂化轨道类型为　　　　。
sp2、sp3　
【解析】 (2)根据氯吡苯脲的结构简式可知,有2个氮原子均形成3个单键,孤电子对数为1,属于sp3杂化,剩余 1个氮原子形成1个双键和 1个单键,孤电子对数为1,是sp2杂化;羰基碳原子形成2个单键和1个双键,为sp2杂化。
sp2
(3)查文献可知,可用2-氯-4-氨基吡啶与异氰酸苯酯反应,生成氯吡苯脲:
反应过程中,每生成1 mol氯吡苯脲,断裂　　　个 σ键,断裂　　　个π键。
NA　
NA
(4)膨大剂能在动物体内代谢,其产物较为复杂,其中有H2O、NH3、CO2等。
①请用共价键知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因:
　。
H—O键的键能
【解析】 (4)①O、N属于同周期元素,O的半径小于N的半径,H—O键的键能大于H—N键的键能,所以H2O分子比NH3分子稳定。
大于H—N键的键能
②H2O、NH3、CO2分子的空间结构分别是 　　　　　　 ,中心原子的杂化类型分别是　　　　　　　。
V形、三角锥形、直线形　
sp3、sp3、sp
命题解密与解题指导
情境解读:以氯吡苯脲及其合成过程、代谢产物等为载体考查对中心原子的杂化类型、分子空间结构及反应过程中断裂共价键的类型的判断和分子具有较强稳定性的原因解释等。
素养立意:结合原子的成键特点判断其杂化类型,利用价层电子对互斥模型预测分子空间结构,以此强化证据推理与模型认知素养;通过反应过程中共价键断裂的分析,以及从共价键强弱角度分析物质稳定的原因,培养宏观辨识与微观探析素养。
思维建模:杂化类型的判断。
1.ABm型分子或离子中心原子杂化类型的判断思路:
2.多中心原子杂化类型的判断:
通过其电子式或结构式,分析原子的成键情况,再通过类比一些原子的常见杂化类型来判断。如有机物中碳原子杂化类型的判断:饱和碳原子采取sp3杂化,连接1个双键的碳原子采取sp2杂化,连接1个三键的碳原子采取sp杂化,氮原子也可以据此类比判断。

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