高中化学 第二章 分子结构与性质 22 分子的立体构型第2课时分子的立体构.docx
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高中化学第二章分子结构与性质22分子的立体构型第2课时分子的立体构
第二章分子结构与性质第二节分子的立体构型
第2课时分子的立体构型
(2)
知识归纳
一、杂化轨道理论简介
1.杂化轨道理论
杂化轨道理论是一种价键理论,是鲍林为了解释分子的立体构型提出的。
(1)轨道的杂化
在形成多原子分子时,中心原子价电子层上的某些_____________________发生混杂,重新组合成一组新的轨道的过程。
注意:
双原子分子中不存在杂化过程。
(2)杂化轨道
杂化后形成的新的能量相同的一组原子轨道,叫做杂化原子轨道,简称杂化轨道。
2.杂化轨道的类型
(1)sp3杂化
sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而得。
sp3杂化轨道间的夹角是________,立体构型为正四面体形。
如图1所示。
图1
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轨道混杂起来,形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道(其中每个杂化轨道中s成分占1/4,p成分占3/4),如图2所示。
图2CH4分子中碳原子的杂化
4个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥,使4个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的4个顶点,碳原子以4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道形成4个C—Hσ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°28',如图3所示。
图3
(2)sp2杂化
sp2杂化轨道是由1个s轨道和两个p轨道混杂而成的。
sp2杂化轨道间的夹角是_______,呈平面三角形(如图4所示)。
图4sp2杂化
BF3分子的形成过程:
硼原子的电子排布式为1s22s22
,硼原子的1个2s电子激发到1个空的2p轨道中,使硼原子的电子排布式为1s22s12
2
。
硼原子的2s轨道和两个2p轨道混杂成3个sp2杂化轨道,硼原子的3个sp2杂化轨道分别与3个氟原子的各1个2p轨道重叠形成3个sp2−pσ键,由于3个sp2杂化轨道在同一平面上,而且夹角为120°,所以BF3分子具有平面三角形结构(如图5所示)。
图5硼原子的杂化轨道和BF3分子的结构示意图
(3)sp杂化
sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道混杂而成的。
sp杂化轨道间的夹角是180°,呈__________(如图6所示)。
图6
气态BeCl2分子的形成过程:
铍原子的电子排布式是1s22s2,Be的1个2s电子激发进入空的2p轨道,经过杂化形成两个sp杂化轨道,与氯原子中的3p轨道重叠形成两个sp−pσ键。
由于杂化轨道间的夹角为180°,所以形成的BeCl2分子的立体构型是直线形(如图7所示)。
图7铍原子的杂化轨道和BeCl2分子的结构示意图
3.杂化轨道类型与分子的立体构型的关系
(1)杂化轨道还能用于形成σ键和容纳孤电子对,当没有孤电子对时,能量相同的杂化轨道在空间彼此远离,形成的分子为对称结构;当有孤电子对时,孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生________,形成的分子空间构型也发生变化。
(2)杂化轨道与分子立体构型的关系
杂化方式
等性杂化
不等性杂化
sp
sp2
sp3
sp3
轨道间的夹角
180°
120°
109°28'
——
——
中心原子上的
孤电子对数
0
0
0
1
2
分子立体构型
直线形
平面三角形
正四面体形
三角锥形
V形
实例
BeCl2、HgCl2
BF3
CH4、SiCl4
NH3、PH3
H2O、H2S
二、配合物理论简介
1.配位键
(1)概念:
成键的两个原子或离子一方提供____________(配体),一方提供空轨道而形成的共价键,叫做配位键。
(2)配体:
应含有孤电子对,可以是分子,也可以是离子,如NH3、H2O、F−、OH−等。
(3)成键条件:
形成配位键的一方是能够提供孤电子对的原子,另一方是具有能够接受孤电子对的空轨道的原子。
(4)配位键的表示方法:
A→B
电子对给予体电子对接受体
H3O+的结构式:
+,
的结构式:
+。
2.配合物
(1)概念
_______________与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物称为配位化合物,简称配合物。
(2)配合物的组成
配合物由中心原子(提供空轨道)和配体(提供孤电子对)组成,分为_________,以[Cu(NH3)4]SO4为例表示为:
3.配合物的形成对性质的影响
(1)对溶解性的影响
一些难溶于水的金属氯化物、溴化物、碘化物、氰化物,可以依次溶解于含过量的Cl−、Br−、I−、CN−和氨的溶液中,形成可溶性的配合物。
如Cu(OH)2+4NH3
[Cu(NH3)4]2++2OH−。
(2)颜色的改变
当简单离子形成配离子时,其性质往往有很大差异。
颜色发生变化就是一种常见的现象,根据颜色的变化就可以判断是否有配离子生成。
如Fe3+与SCN−形成铁的硫氰酸根配离子,其溶液显红色。
(3)稳定性增强
配合物具有一定的稳定性,配合物中的配位键越强,配合物越稳定。
当作为中心离子的金属离子相同时,配合物的稳定性与配体的性质有关。
例如,血红素中的Fe2+与CO分子形成的配位键比Fe2+与O2分子形成的配位键强,因此血红素中的Fe2+与CO分子结合后,就很难再与O2分子结合,血红素失去输送氧气的功能,从而导致人体CO中毒。
【答案】一、1.
(1)能量相近的原子轨道2.
(1)109°28'
(2)120°(3)直线形3.
(1)排斥
二、1.
(1)孤电子对2.
(1)金属离子(或原子)
(2)内界和外界
知识重点
一、杂化轨道类型的判断方法
1.根据杂化轨道数判断
对于ABm型分子(或离子)(A为中心原子,B为配位原子),中心原子的价层电子对数(用n表示)即为其杂化轨道数。
可先确定分子或离子的VSEPR模型,然后就可以确定中心原子的杂化轨道类型。
若n=4,则中心原子为sp3杂化;若n=3,则中心原子为sp2杂化;若n=2,则中心原子为sp杂化。
如
、
的n均为4,所以氯原子均采用sp3杂化(但离子的空间构型不同,从价层电子对互斥模型来看,前者为三角锥形,后者为正四面体形)。
2.根据杂化轨道间的夹角判断
不同的杂化方式,其杂化轨道之间的夹角不同,所以可根据杂化轨道间的夹角判断分子或离子的杂化类型。
(1)若杂化轨道之间的夹角为109°28',则分子的中心原子采用sp3杂化;
(2)若杂化轨道之间的夹角为120°,则分子的中心原子采用sp2杂化;
(3)若杂化轨道之间的夹角为180°,则分子的中心原子采用sp杂化。
3.取代法
以中学常见的、熟悉的物质分子为基础,用其他原子或原子团取代分子中的部分原子或原子团,得到的新分子的中心原子与原分子对应的中心原子的杂化类型相同。
如:
(1)CH3CH=CH2分子中碳原子的杂化类型的判断,可看作乙烯基取代了甲烷分子中的一个氢原子,则甲基中碳原子为sp3杂化,也可看作甲基取代了乙烯分子中的一个氢原子,故两个不饱和碳原子均为sp2杂化;
(2)(CH3)3N可看作三个甲基取代了NH3分子中的三个氢原子而得,所以其分子中氮原子采用sp3杂化;
(3)H2O2可看作羟基取代了H2O分子中一个氢原子,H2O2中氧原子应为sp3杂化;
(4)B(OH)3可看作三个羟基取代了BF3中的氟原子,可知B(OH)3中硼原子为sp2杂化。
4.根据共价键类型判断
从杂化轨道理论可知,原子之间成键时,未杂化轨道形成π键,杂化轨道形成σ键。
对于能够明确结构式的分子、离子,可直接用下式判断其中心原子的杂化轨道类型:
杂化轨道数n=中心原子的σ键数+中心原子的孤电子对数(多重键中只有一个σ键,其余均为π键)
(1)SiF4分子中硅原子轨道杂化类型分析,基态硅原子有4个价电子,与4个氟原子恰好形成4个键,无未成键电子,n=4,则SiF4分子中硅原子采用sp3杂化。
(2)基态碳原子有4个价电子,在HCHO分子中,碳原子与2个氢原子形成2个σ键,与氧原子形成C=O键,C=O键中有1个σ键、1个π键,碳原子无剩余价电子,n=3,则HCHO分子中碳原子采用sp2杂化。
5.等电子原理的应用
等电子体具有相同的结构特征,一般来说等电子体的中心原子的杂化类型相同。
对于结构模糊或复杂的分子、离子,可将其转化成熟悉的等电子体,然后进行判断。
如
、H2B=NH2分别与CO2、CH2=CH2互为等电子体,而CO2、CH2=CH2中心原子碳原子分别为sp、sp2杂化,则
的中心原子氮原子为sp杂化,H2B=NH2的中心原子硼、氮原子均为sp2杂化。
(1)杂化轨道数=价层电子对数。
(2)杂化轨道类型与杂化轨道数的关系:
sp—2、sp2—3、sp3—4。
(3)CO2分子中的碳原子形成双键,但碳原子不是采用sp2杂化(易错),CO2中碳原子采用sp杂化。
试判断下列分子中心原子的杂化类型:
(1)NI3
(2)CH3Cl(3)CO2(4)SO2
【解析】n=中心原子的孤电子对数+配位原子总数(中心原子结合的原子总数)。
(1)NI3中n=1+3=4,属于sp3杂化;
(2)CH3Cl中n=0+4=4,属于sp3杂化;
(3)CO2中n=0+2=2,属于sp杂化;
(4)SO2中n=1+2=3,属于sp2杂化。
【答案】
(1)sp3杂化
(2)sp3杂化(3)sp杂化(4)sp2杂化
【点评】
(1)杂化方式的判断是一个难点,要注意积累经验,原子间形成的共价键,既包括σ键,也包括π键及大π键。
(2)根据最大重叠原理,中心原子与每个配位原子之间只能形成一个σ键,除此之外,其价电子只能形成π键或大π键。
二、配合物
常见的能形成配合物的粒子
1.常见的含孤电子对的配体:
分子如CO、NH3、H2O等;离子如Cl−、CN−、
等。
2.常见的可提供空轨道的中心原子。
通常是过渡元素的离子或原子,如Cu2+、Ag+、Fe3+、Fe、Ni等。
下列关于[Cr(H2O)4Br2]Br·2H2O的说法正确的是
A.配体为水分子,外界为Br−B.中心离子的配位数为6
C.中心离子Cr3+采取sp3杂化D.中心离子的化合价为+2
【解析】[Cr(H2O)4Br2]Br·2H2O中内界为[Cr(H2O)4Br2]+,Cr3+为中心离子,配体为H2O、Br−,配位数为6,外界为Br−,Cr3+提供的空轨道数为6,中心离子未采取sp3杂化。
【答案】B
好题
1.下列关于杂化轨道的说法错误的是
A.所有原子轨道都可参与杂化
B.杂化轨道能量集中,利于牢固成键
C.不可能出现sp4杂化轨道
D.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化
2.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
3.下列配合物的配位数是6的是
A.K2[Co(SCN)4]B.Fe(SCN)3C.Na3[AlF6]D.[Cu(NH3)4]Cl2
4.有关苯分子中的化学键描述正确的是
A.每个碳原子的一个sp2杂化轨道参与形成大π键
B.每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成大π键
C.碳原子的3个sp2杂化轨道与其他碳原子形成2个σ键和1个π键
D.碳原子的未参加杂化的2p轨道与其他碳原子的2p轨道形成σ键
5.下列分子中的中心原子采取sp2杂化的是
①C6H6②C2H2③C2H4④C3H8⑤CO2⑥BeCl2⑦SO3⑧BF3
A.①②⑥⑦B.③⑤⑦⑧C.①③⑦⑧D.③⑤⑥⑦
6.BF3是典型的平面三角形分子,它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成
离子,则BF3和
中的B原子的杂化轨道类型分别是
A.sp2、sp2B.sp3、sp3C.sp2、sp3D.sp、sp2
7.现有下列微粒:
①
;②CH4;③OH−;④
;⑤Fe(CO)3;⑥Fe(SCN)3;⑦H3O+;⑧Ag(NH3)2OH。
其中含有配位键的是
A.①②④⑦⑧B.③④⑤⑥⑦C.①④⑤⑥⑦⑧D.全部
8.向盛有少量CuCl2溶液的试管中滴入少量NaOH溶液,再滴入适量浓氨水,下列叙述不正确的是
A.开始生成蓝色沉淀,加入过量氨水时,形成无色溶液
B.Cu(OH)2溶于浓氨水的离子方程式是Cu(OH)2+4NH3
[Cu(NH3)4]2++2OH−
C.开始生成蓝色沉淀,加入氨水后,沉淀溶解形成深蓝色溶液
D.开始生成Cu(OH)2,之后生成更稳定的配合物
真题
9.某物质的实验式为PtCl4·2NH3,其水溶液不导电,加入AgNO3溶液也不产生沉淀,以强碱处理并没有NH3放出,则关于此化合物的说法中正确的是
A.配合物中中心原子的电荷数和配位数均为6
B.该配合物中心原子是Cl-
C.Cl-和NH3分子均与Pt4+配位
D.配合物中Cl-与Pt4+配位,而NH3分子不配位
10.在CH3COCH3中,中间碳原子和两边碳原子成键所采用的杂化方式分别是
A.sp2、sp3B.sp3、sp3C.sp2、sp2D.sp、sp3
11.如图是卟啉配合物叶绿素的结构示意图(部分),下列叙述正确的是
A.该叶绿素只含有H、Mg、C、N元素
B.该叶绿素是配合物,中心离子是镁离子
C.该叶绿素是配合物,其配体是氮元素
D.该叶绿素不是配合物,而是高分子化合物
12.四种常见元素的性质或结构信息如下表。
试根据信息回答有关问题。
元素
A
B
C
D
性质结构信息
原子核外有两个电子层,最外层有3个未成对的电子
原子的M层有1对成对的p电子
原子核外电子排布为[Ar]3d104sx,有+1、+2两种常见化合价
有两种常见氧化物,其中有一种是冶金工业常用的还原剂
(1)写出B原子的电子排布式________。
(2)往C元素的硫酸盐溶液中逐滴加入过量A元素的氢化物水溶液,可生成的配合物的化学式为________,简要描述该配合物中化学键的成键情况:
______________________。
(3)“。
”表示氢原子,小黑点“·”表示没有形成共价键的最外层电子,短线表示共价键。
则在以上分子中,中心原子采用sp3杂化形成化学键的是______(填序号);在②的分子中有________个σ键和________个π键。
13.
(1)Co(NH3)5BrSO4可形成两种钴的配合物,已知Co3+的配位数是6,为确定钴的配合物的结构,现对两种配合物进行如下实验:
在第一种配合物的溶液中加BaCl2溶液时,产生白色沉淀;在第二种配合物溶液中加入BaCl2溶液时,则无明显现象,则第一种配合物的结构式为______________,第二种配合物的结构式为_______,如果在第二种配合物溶液中滴加AgNO3溶液时,产生__________________现象。
(2)1915年诺贝尔物理学奖授予HenryBragg和LawrenceBragg,以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。
科学家通过X射线推测胆矾中既含有配位键,又含有氢键,其结构示意图可简单表示如下图,其中配位键和氢键均采用虚线表示。
①写出基态Cu原子的核外电子排布式______________。
②写出胆矾晶体中水合铜离子的结构简式______________(必须将配位键表示出来)。
(3)很多不饱和有机物在Ni催化下可以与H2发生加成反应,如:
①CH2=CH2,②CH≡CH,③
④HCHO等,其中碳原子采取sp2杂化的分子有__________(填物质序号),预测HCHO分子的立体结构为__________形。
参考答案
1.A【解析】参与杂化的原子轨道之间的能量不能相差太大,如1s与2s、2p能量相差太大,不能形成杂化轨道,即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,故A错误,D正确;杂化轨道的电子云一头大一头小,成键时利用大的一头,可使电子云重叠程度大,利于形成较牢固的化学键,故B正确;np轨道只有三条:
npx、npy、npz,所以当s轨道和p轨道杂化时,就只有三种类型:
①sp1杂化,即一个s轨道和一个p轨道杂化;②sp2杂化,即一个s轨道和两个p轨道杂化;③sp3杂化,即一个s轨道和三个p轨道杂化,故C正确。
2.A【解析】sp杂化形成的夹角是180°,sp2杂化轨道的夹角是120°,sp3形成的杂化轨道夹角为109°28'。
3.C【解析】K2[Co(SCN)4]中Co2+的配位数是4;Fe(SCN)3中Fe3+的配位数是3;Na3[AlF6]中Al3+的配位数是6;[Cu(NH3)4]Cl2中Cu2+的配位数是4。
4.B【解析】杂化轨道只能形成σ键,而不能形成π键。
每个碳原子的两个sp2杂化轨道上的电子分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道上的电子配对形成σ键;每个碳原子的另一个sp2杂化轨道上的电子分别与一个氢原子的1s电子配对形成σ键;未参与杂化的2p轨道形成大π键。
5.C【解析】苯分子中的碳原子采取sp2杂化;乙炔分子中的碳原子采取sp杂化;乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化;丙烷中的碳原子类似于甲烷中碳原子,采取sp3杂化;CO2分子中碳原子采取sp杂化;氯化铍分子中铍原子采取sp杂化;三氧化硫分子中S原子采取sp2杂化;三氟化硼分子中的B原子采取sp2杂化。
6.C【解析】BF3中B原子的价层电子对数为3,所以为sp2杂化,
中B原子的价层电子对数为4,所以为sp3杂化。
7.C【解析】形成配位键的条件是一个原子(或离子)有孤电子对,另一个原子(或离子)有空轨道。
在CH4、OH−中,中心原子碳和氧的价电子已完全成键,没有孤电子对,故CH4、OH−中没有配位键。
8.A【解析】向CuCl2溶液中加入少量NaOH溶液,发生反应Cu2++2OH−
Cu(OH)2↓,Cu(OH)2沉淀为蓝色,再加入适量浓氨水,发生反应Cu(OH)2+4NH3
[Cu(NH3)4]2++2OH−,形成深蓝色溶液,故A错误。
9.C【解析】在PtCl4·2NH3水溶液中加入AgNO3溶液无沉淀生成,以强碱处理无NH3放出,说明Cl-、NH3均处于内界,故该配合物中心原子铂的配位数为6,电荷数为4,Cl-和NH3分子均与Pt4+配位,只有C项正确。
10.A【解析】首先写出CH3COCH3的结构:
,由此知两边的碳均为sp3杂化(与CH4类似);中间碳原子采用了sp2杂化。
11.B【解析】Mg的最高化合价为+2,而化合物中Mg与4个氮原子作用,由此可以判断该化合物中Mg2+与氮原子间形成配位键,该物质为配合物,B项正确、D项错误;该化合物的组成元素中还含有氧元素,故A项错误;该化合物的配体为氮原子,而氮元素不能称为配体,故C项错误。
12.
(1)1s22s22p63s23p4
(2)[Cu(NH3)4]SO4中心原子与配位体之间以配位键相结合,内界与外界之间以离子键相结合
(3)①③④32
【解析】
(1)元素B原子的M层有1对成对的p电子,则M层的p轨道有4个电子,其电子排布式为:
1s22s22p63s23p4。
(2)A元素由其性质或结构信息可知是N元素,其氢化物是NH3,C元素是Cu,CuSO4与过量氨水可生成配合物[Cu(NH3)4]SO4,中心原子与配位体之间是配位键,内界与外界之间是离子键。
(3)①是NH3,②是CH≡CH,③是CH4,④是H2S,中心原子采用sp3杂化的是①③④,在CH≡CH分子中有3个σ键和2个π键。
13.
(1)[Co(NH3)5Br]SO4[Co(SO4)(NH3)5]Br淡黄色沉淀
(2)①1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1
②
(3)①③④平面三角
【解析】由实验可知,第一种配合物的外界为
,第二种配合物的外界不含有
。
铜处于ds区,d轨道处于全满状态。
从所给的结构判断出每个Cu2+与4个H2O分子形成配位化合物。
在写配离子时注意用箭头指向提供空轨道的原子。
乙烯、苯、甲醛中的碳原子均采取sp2杂化,所有原子均共平面(苯中还有一个大π键)。
王妃
沉沦的氢氧化铁,全身染着鲜血,那不寻常的美,铜见了都自卑。
谁拿起了烧杯,倒进去些许蓝液,放下去一块铁,回赠一些铜当安慰,化学。
尽忠的臭氧层,南极上点点破碎,温室气体在作祟,难赦免的罪。
锋利的金刚石,让多少玻璃破碎;弯刀般硬的镁,来自地壳和那海水。
钠太美,尽管再危险,总有人拿着他们做实验。
生石灰,尽管再卑微,也想尝粉身碎骨的滋味。
我的化学,我要揭露你的美。
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