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结构式可形象地表示出分子内各原子的连接顺序。
因此,同种原子不能合并,只有通过共价键形成的分子才能写结构式,离子化合物不能用结构式表示。
3.用电子式表示共价化合物的形成过程
用电子式表示共价化合物的形成过程时,在“→”的左侧写成键原子的电子式,同种原子可以合并,右侧写形成的单质或化合物的电子式,但应注意,相同的原子要对称写,不能合并。
要点三、σ键与π键
原子轨道沿核间连线方向以“头碰头”的方式重叠形成的共价键叫做σ键;
原子轨道在核间连接两侧以“肩并肩”的方式重叠形成的共价键叫做π键。
氮分子中含有一个σ键和两个π键,氮分子的结构可用结构式N≡N表示。
在有机化合物中,碳原子与碳原子之间形成π键的重叠程度要比σ键的重叠程度小得多。
所以碳原子与碳原子之间形成的σ键比π键牢固,在化学反应中,π键易发生断裂。
氮气分子中的三个共价键使得构成氮分子的氮原子紧紧地结合在一起,因而氮气的化学性质异常稳定。
除了少数植物如豆科类具有将空气中的氮气转化为含氮的化合物的本领外,大部分植物不能直接吸收空气中的氮。
因此,设法将空气中的氮气转化为植物可吸收的含氮化合物成为一个世纪以来备受关注的课题,其关键点就在于,削弱氮分子中的化学键。
在合成氨工业中,人们利用高温(500℃左右)、高压(15MPa)、并用铁的化合物作为催化剂将氢气和氮气合成为氨。
要点四、共价键的特征
饱和性与方向性是共价键的两点特征。
1.共价键具有饱和性。
这是因为只有成键原子中自旋方向相反的未成对电子才能形成共用电子对。
成键过程中,每种元素的原子有几个未成对电子,通常就只能和几个自旋方向相反的电子形成共价键。
所以在共价分子中,每个原子形成共价键的数目是一定的,这就是共价键的饱和性。
共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系。
2.共价键具有方向性。
这是因为形成共价键时,两个参与成键的原子的原子轨道总是尽可能沿着电子出现机会最大的方向重叠成键,而且原子轨道重叠越多,电子在两核间出现的机会越多,体系的能量下降的也就越多,形成的共价键越牢固。
因此,一个原子与周围原子形成的共价键就表示出方向性(s轨道与s轨道重叠形成的共价键无方向性)。
共价键的方向性决定着分子的空间构型。
要点五、极性键和非极性键
1.非极性(共价)键:
由同种元素的原子间形成的共价键是非极性键。
在共价单质分子中,由同种原子形成共价键,两个原子吸引电子的能力相同,共用电子对不偏向任何一个原子,因此,成键的原子不显电性,这样的共价键叫做非极性共价键,简称非极性键。
如H—H键、Cl—Cl键、N三N键都是非极性键。
非极性键可以存在于非金属单质中,也可以存在于化合物中。
2.极性(共价)键:
由不同种元素的原子间形成的共价键是极性键。
在共价化合物分子中,不同种原子形成共价键,因为原子吸引电子的能力不同,共用电子对将偏向吸引电子能力强的一方,因而吸引电子能力强的一方显负电性,化合价为负值,吸引电子能力弱的一方显正电性,化合价为正值,数值即这种元素的1个原子跟其他元素的原子形成的共用电子对的数目。
如HCl分子中,Cl原子吸引电子的能力比H原子强,共用电子对偏向Cl原子,偏离H原子,而使Cl原子一方相对显负电性,H原子一方相对显正电性。
像这样共用电子对偏移的共价键叫做极性共价键,简称极性键。
如H2O中的O—H键,CO2中的C—O键都是极性键。
极性键不存在于单质分子中,只存在于化合物中。
3.键的极性强弱判断方法:
成键的两原子吸引电子对的能力差别(即非金属性差别)越大,电子对偏移的程度越大,键的极性越强。
如处于短周期的四种元素
,它们之间能形成共价键,键的极性最强的是X—Y,键的极性最弱的是W—Z。
要点六、键参数
1.键能
(1)概念:
在101.3kPa、298K条件下,断开1molAB(g)分子中的化学键,使其分别生成气态A原子和气态B原子所吸收的能量,叫A—B键的键能。
(2)表示方式:
EA—B。
(3)键能大小决定化学键的强弱程度。
键能越大,共价键越牢固,含有该键的分子越稳定。
(4)常见化学键的键能:
共价键键能/kJ·
mol-1共价键键能/kJ·
mol-1
C—H413O—H467
C—C347F—H565
C—N305Cl—H431
C—O358I—H297
C—S259C=C614
Cl—Cl243C≡C839
Br—Br193C=O745
I—I151N≡N945
N—H391O=O498
2.键长
两个成键原子之间的核间距离叫键长。
(2)原子间的键长越短,化学键越强,键越牢固。
(3)常见化学键的键长:
共价键键长/nm共价键键长/nm
C—C0.154H—H0.074
C=C0.134F—F0.143
C≡C0.121Cl—Cl0.199
N—N0.141Br—Br0.228
N=N0.110I—I0.266
O=O0.121
3.键角
多原子分子中,两个化学键之间的夹角叫键角。
(2)常见物质的键角:
CO2:
180°
(直线形);
H2O:
104.5°
(V形);
NH3:
107.3°
(三角锥形)。
(3)键角和键长常用于描述多原子分子的空间构型。
要点七、杂化轨道理论与分子空间构型
1.杂化轨道理论的要点
(1)原子在形成分子的过程中,根据原子的成键要求,在周围原子的影响下,能量相近的不同类型的原子轨道可以重新组合形成一组新的原子轨道。
这种原子轨道的重新组合的过程叫做原子轨道的杂化,杂化后的原子轨道叫做杂化轨道。
(2)原子轨道在杂化过程中,轨道数目保持不变,即有多少个原子轨道参加杂化,就形成多少个杂化轨道。
(3)为了使轨道间的排斥作用最小、体系能量最低,杂化轨道总是尽量远离,使杂化轨道间的夹角最大。
因而,杂化轨道在空间总是有规则排列的。
根据最大重叠原理,由杂化轨道类型就可以推断分子的空间构型。
(4)杂化轨道在空间的伸展方向和分布情况都发生了改变,电子云分布更集中、更突出,在与其他原子轨道重叠成键时,重叠程度更高,更易成键,即杂化轨道的成键能力增强了,形成的分子更加稳定。
2.杂化轨道的类型与分子构型
(1)sp1杂化——直线形
sp1杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道组合而成,每个sp1杂化轨道含有
s和
p的成分,轨道间夹角为180°
,呈直线形。
如BeCl2
(2)sp2杂化——平面三角形
sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道组合而成,每个sp2杂化轨道都会有
p成分,杂化轨道间的夹角为120°
,呈平面三角形。
如BF3分子
(3)sp3杂化——四面体型:
sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个坤轨道组合而成的,每个sp3杂化轨道
都含有
p的成分,sp3杂化轨道间的夹角为109.5°
,空间构型为四面体型。
如CH4分子的结构:
要点八、典型分子的空间构型
1.甲烷分子的空间构型
形成CH4分子时,碳原子的1个2s电子激发到空的2p轨道上,变成1s22s12p1x2p1y2p1z的排布,2s轨道和3个2p轨道杂化形成4个sp3杂化轨道,碳的4个价电子以自旋方向相同的方式分占各个轨道,这样4个sp3杂化轨道再分别与氢原子的单电子1s轨道重叠成键形成四个等同的C—H共价键,所以CH4分子的空间构型为正四面体型,键角为109.5°
。
如右图。
2.苯分子的空间构型
(1)根据杂化轨道理论,形成苯分子时每个碳原子中的原子轨道发生了sp2杂化,由此形成的3个sp2杂化轨道在同一平面内。
这样每个碳原子的2个sp2杂化轨道上的电子分别与邻近的2个碳原子的sp2杂化轨道上的电子配对形成σ键,于是6个碳原子组成一个正六边形的碳环;
每个碳原子的另一个sp2杂化轨道上的电子分别与1个氢原子的1s电子配对形成σ键。
与此同时,每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参加杂化的2p轨道,它们均含有一个未成对电子,这6个碳原子的2p轨道相互平行,它们能以“肩并肩”的方式相互重叠,从而形成含有6个电子、属于6个原子的π键。
所以,在苯分子中,6个碳碳键完全相同,键角皆为120°
正是由于苯分子所具有的这种结构特征,使得它表现出特殊的稳定性,而不像乙烯那样容易使酸性KMnO4溶液或溴的四氯化碳溶液退色。
苯分子中的化学键如下图:
(2)对苯分子结构的认识
①构成苯分子的6个C原子和6个H原子处在同一平面内。
②苯分子中的碳碳键既不是单纯的单键,也不是单纯的双键,而是一种介于单键和双键之间的一种独特的键。
③苯分子中各原子的成键方式:
C、H原子之间形成6个σ键,C、C原子之间形成6个σ键和6个C原子
共同形成6电子大π键。
④苯的典型性质是易发生取代反应,也可以发生加成反应,难发生氧化反应。
要点九、分子的对称性
1.对称性
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,即操作前在物体中某个地方有的部分,经操作后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。
2.手性与手性分子
(1)手性
具有完全相同的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,却在三维空间里不能重叠,称它们的表现为手性。
(2)手性分子
当四个不同的原子或基团连接在碳原子(如CHBrClF)上时,这个碳原子是不对称碳原子,这种分子和它在镜中的像,就如同人的左手和右手,相似而不完全相同,即它们不能重叠,这样的分子叫做手性分子。
要点十、分子的极性
1.分子的极性与分子的空间构型
对于复杂的多原子分子来说,如果组成原子相同(如:
S8、P4等分子),那么原子间的化学键一定是非极性键。
这样的多原子分子无疑是非极性分子(O3分子有微弱的极性,是一个例外)。
但是,如果组成原子不相同(如:
SO2、CO2、CCl4、CHCl3等),那么这样分子的极性,不仅决定于元素的键的极性而且还决定于分子的空间构型。
分子的空间构型均匀对称的是非极性分子,如AB2型的直线型分子CO2;
AB3型的平面正三角形分子BF3;
AB4型的正四面体型分子CH4等。
分子的空间构型不对称或中心原子具有孤对电子或配位原子不完全相同的多原子分子为极性分子,如V形的H2O;
三角锥形的NH3;
不规则四面体分子CH3Cl等。
2.分子极性的几种判断方法
(1)化合价法:
ABm型分子中中心原子的化合价的绝对值等于该元素的价电子数时,该分子为非极性分子,此时分子的空间结构对称;
若中心原子的化合价的绝对值不等于其价电子数目,则分子的空间结构不对称,其分子为极性分子,具体实践如下:
化学式
BF3
CO2
PCl5
SO3(g)
H2O
NH3
SO2
中心原子化合价绝对值
3
4
5
6
2
中心原子价电子数
分子极性
非极性
极性
(2)物理模型法:
将ABm型分子中的中心原子看做一个受力物体,将A、B间的极性共价键看做作用于中心原子上的力,根据ABm的空间构型,判断中心原子受力是否平衡,若受力平衡,则ABm型分子为非极性分子,否则为极性分子。
(3)根据所含键的类型及分子的空间构型判断:
当ABm型分子的空间构型是空间对称结构时,由于分子中正负电荷重心可以重合,故为非极性分子,如CO2直线形,BF3平面正三角形,CH4正四面体型等均为非极性分子。
当ABm型分子的空间构型不是空间对称结构时,一般为极性分子,如H2O为V形,NH3为三角锥形,它们均为极性分子。
具体判断如下:
①A—A型分子一定是非极性分子。
如N2、Cl2。
②A—B型分子一定是极性分子。
如HCl、HF。
③AB2型分子除线型结构B—A—B为非极性分子外,其他均为极性分子。
如CO2、CS2为非极性分子,H2S、H2O为极性分子。
④AB3型分子除平面正三角形结构
为非极性分子外,其他均为极性分子。
如BF3为非极性分子,NH3、PH3为极性分子。
⑤AB4型除正四面体结构
及平面正四边形结构
如CH4、CCl4、SiF4为非极性分子。
(4)据中心原子最外层电子是否全部成键判断:
分子中的中心原子最外层电子若全部成键,此分子一般为非极性分子;
分子中的中心原子最外层电子未全部成键,此分子一般为极性分子。
CH4、BF3、CO2等分子中的中心原子的最外层电子均全部成键,它们都是非极性分子。
H2O、NH3、NF3等分子中的中心原子的最外层电子均未全部成键,它们都是极性分子。
3.一些常见分子的构型
类型
常见分子举例
两个键之间的夹角
键的极性
分子的极性
空间构型
X2
H2、N2
—
非极性键
非极性分子
直线形
XY
HCl、NO
极性键
极性分子
XY2
(X2Y)
CO2、CS2
120°
V形
H2O、H2S
XY3
平面三角形
三角锥形
XY4
CH4、CCl4
109.5°
正四面体型
【典型例题】
类型一、σ键与π键的认识与判断
例1、下列说法中不正确的是()
A.σ键比π键重叠程度大,形成的共价键强
B.两个原子之间形成共价键时,最多有一个σ键
C.气体单质中,一定有σ键,可能有π键
D.N2分子中1个σ键,2个π键
【思路点拨】共价键形成的根本原因是电子云的重叠,使整个分子的能量降低,并且重叠的程度越大,键越牢固,分子越稳定,即共价键具有方向性。
成键原子有几个未成对电子,就可以形成几对共用电子对,即共价键具有饱和性。
【答案】C
【解析】在单质分子中存在σ键(如Cl2、H2)、π(键(N2中存在σ键和π键),但稀有气体为单原子分子,不存在化学键,所以C不正确。
【总结升华】由于共价键的方向性,成键原子在形成共价键时,总是使电子云达到最大限度的重叠。
电子云的重叠形式有“头碰头”和“肩并肩”两种形式,即σ键和π键。
在一个分子中,如果成键原子间只形成一对共用电子对,此键一定是σ键,若形成n对共用电子对,则其中一个是σ键,另外的(n-1)个是π键。
举一反三:
【变式1】N2分子中,两个氮原子间存在的共价键类型是()
A.3个σ键B.2个σ键1个π键C.1个σ键2个π键D.3个π键
【解析】N≡N中,2pz与2pz形成1个σ键;
2px与2px、2py与2py形成2个π键。
【变式2】下列分子中,既含有σ键又含有π键的是()
A.CH4B.HClC.CH2=CH2D.F2
【解析】当两个原子间能形成多对共用电子时,首先形成一个σ键,另外的原子轨道只能形成π键,CH2=CH2中含有1个σ键1个π键。
类型二、键的极性的判断
例2、CH4、NH3、H2O和HF分子中,共价键的极性由强到弱的顺序是()
A.CH4、NH3、H2O、HFB.HF、H2O、NH3、CH4
C.H2O、HF、CH4、NH3D.HF、H2O、CH4、NH3
【思路点拨】同种元素的原子,原子所属元素的电负性相同,原子核吸引电子的能力相同;
不同种元素的原子,原子所属元素的电负性不同,原子核吸引电子的能力也不同。
【答案】B
【解析】比较共价键的极性,应比较成键的两个原子吸引电子能力的大小,两原子吸引电子的能力相差越大,则键的极性越强。
本题所给分子中都含有H原子,比较键的极性强弱即是比较C、N、O、F得电子能力的强弱,由于得电子能力:
F>O>N>C,故共价键的极性由强到弱为:
HF>H2O>NH3>CH4。
【总结升华】由极性键和非极性键的定义可知,同种元素原子之间的共价键一般为非极性键;
不同种元素原子之间的共价键一般为极性键。
在极性键中,成键原子所属元素的电负性差值越大,共价键的极性越强(称为强极性键);
电负性差值越小,共价键的极性越弱(称为弱极性键)。
【变式1】下列有关化学键的叙述正确的是()
A.全部由非金属元素组成的化合物中肯定不存在离子键
B.所有物质中都存在化学键
C.H2O2分子中既有极性键又有非极性键
D.已知乙炔的结构式为H—C≡C—H,则乙炔分子中存在2个σ键(C—H)和3个π键(C≡C)
【答案】C
【解析】NH4Cl全部是由非金属元素组成的,但NH4Cl中含有离子键,A项不正确;
稀有气体单质中不存在化学键,因为其原子本身就达到了稳定结构,B项不正确;
H2O2分子中存在H—O极性键和O—O非极性键,C项正确;
乙炔分子中3个σ键(2个C—H键和碳碳叁键中的1个键)和2个π键(碳碳叁键中的2个键)。
【变式2】下列分子既含极性键又含非极性键的是()
A.NH3B.Cl2C.CO2D.C2H6
【答案】D
【解析】C2H6的结构为
,碳碳间为非极性键,碳氢间为极性键。
【变式3】下列物质的分子中,只存在极性共价键的是()
A.CCl4B.H2O2C.C2H2D.Cl2
【答案】A
【解析】H2O2中O与O之间存在非极性键,C2H2中C与C之间存在非极性键,Cl2中Cl与Cl之间为非极性键。
类型三、共价分子的表示方法
例3、下列物质的结构式书写不正确的是()
A.H—HB.H—ClC.N≡ND.C=O=O
【答案】D
【解析】CO2的电子式为
,其结构式为O=C=O。
【总结升华】共价物质的结构式是用短线表示共用电子对的式子,一对共用电子用“—”表示,两对共用电子对用“=”表示,三对共用电子对用“≡”表示,没有成键的电子不画出。
【变式1】下列式子书写正确的是()
【答案】BC
【解析】A中O2的电子式为
,D中氮气的结构式为N≡N,A、D错。
类型四、键参数
例4、下列说法正确的是()
A.分子中键能越大,键长越长,则分子越稳定
B.已知Be元素的电负性为1.5,Cl元素的电负性为3.0,则BeCl2为共价化合物
C.水分子可表示为H—O—H,分子中键角为180°
D.H—O键键能为463kJ·
mol-1,即18gH2O分解成H2和O2时消耗能量为2×
463kJ
【解析】键能越大,键长越短,分子越稳定,A项不正确;
两元素电负性差值小于1.7可形成共价键,Be与Cl的电负性差值为1.5,Be—Cl键为共价键,所以BeCl2为共价化合物,B项正确;
水分子的结构式可表示为H—O—H,但实际水分子为角形结构,键角为104.5°
,C项不正确;
H—O键键能为463kJ·
mol-1,指的是气态基态氢原子和氧原子形成1mo1H—O键时释放的最低能量,则拆开1molH—O键形成气态氢原子和氧原子所需吸收的能量也为436kJ,18gH2O即1molH2O中含2molH—O键,断开时需吸收2×
463kJ的能量形成气态氢原子和氧原子,而由气态氢原子和氧原子再进一步形成H2和O2时,还要释放出一部分能量,所以18gH2O分解成H2和O2时,消耗的能量小于2×
463kJ,D项不正确。
【总结升华】键能大小决定化学键的强弱程度。
【变式1】下列分子中键能最大的是()
A.F2B.Cl2C.Br2D.I2
【解析】F、C1、Br、I中,F的原子半径最小,F—F键最短,键能最大。
【变式2】下列说法中正确的是( )
A、N-C的键长比N-N的键长小 B、H2O键角是180°
,NH3是平面三角形
C、H-H比H-F键长短,所以H-H键键能大 D、C=C键键能比C-C键大,所以乙烯比乙烷更稳定
【答案】C
【解析】键长的大小可通过比较半径得出;
C=C键是1个σ键和1个π键,其中的π键不稳定,容易断裂;
H2O键角是105°
,NH3是三角锥形。
类型五、杂化轨道与分子的空间构型
例5、下列说法正确的是( )
A、CHCl3是三角锥形 B、如果AB2分子是V形,其中心原子A可能为sp2杂化
C、二氧化硅为sp杂化,是非极性分子 D、NH4+是平面四边形结构
【思路点拨】本题考查常见分子空间构型、杂化方式、分子极性的判断。
【答案】B
【解析】CHCl3是四面体形;
二氧化硅不能称作分子;
NH4+是正四面体形
【总结升华】记忆常见分子(或离子)的空间构型、杂化方式。
理解判断分子(或离子)的空间构型、杂化方式、分子极性的方法。
【变式1】已知AB3易溶于有机溶剂,不溶于水,则下列说法正确的是( )
A、AB3是非极性分子 B、A原子p能级中无空轨道
C、A原子为sp3杂化 D、AB3为三角锥形结构
【答案】A
【解析】因AB3不溶于
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