第二章第2节共价键与分子的立体构型知识点选修3鲁科版.docx
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第二章第2节共价键与分子的立体构型知识点选修3鲁科版
第2节共价键与分子的立体构型
冬季冰雪飘飞的时候，你留意过雪花的形状吗？
古语有言：
“草木之花皆五出，而雪花独六出”。
微观世界中共价键的形成特点决定了不同的共价型分子具有了不同的立体构型。
雪花这种完美的结构是否与水分子立体结构有关呢？
本节就能给你揭开这个谜底。
一、一些典型分子的立体构型
1、甲烷分子的形成及立体构型
（1）甲烷分子的立体构型：
甲烷（CH4）分子是规则的正四面体结构，分子中四个C-H键的夹角均为109.5°
（2）杂化轨道
杂化理论的由来：
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结构提出的。
例如，我们已经知道，甲烷分子呈正四面体形结构，它的4个C—H键的键长相同，H—C—H的键角为109°28′。
按照我们已经学过的价键理论，甲烷的4个C—H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到四面体构型的甲烷分子。
为了解决这一矛盾。
鲍林提出了杂化轨道理论。
杂化轨道定义：
在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化，重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
杂化轨道理论要点：
a、原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道；
b、参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数；
c、杂化改变了原子轨道的形状、方向。
杂化使原子的成键能力增加；
如：
杂化轨道在角度分布上比单纯的S或P轨道在某一方向上更集中，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小如图
，成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。
d、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。
在多原子分子中，两个化学键之间的夹角叫键角。
键角与分子的形状（空间构型）有密切联系。
总结：
杂化的过程：
激发→杂化→轨道重叠
（3）甲烷分子中碳原子的杂化
CH4分子形成时，分子中碳原子的杂化轨道是由一个2s轨道和三个2p轨道重新组合而成的，这种杂化称为sp3杂化，生成的个四杂化轨道则称为sp3杂化轨道。
鲍林根据精确计算得知每两个sp3杂化轨道之间的夹角为109.5°。
由于这四个杂化轨道的能量相同，根据洪特规则，碳原子的价电子以自旋方向平行的方式分占每个轨道。
因此，当碳原子与氢原子成键时，碳原子中的每个杂化轨道的一个未成对的电子与氢原子的一个1s电子配对形成一个共价键，这样所形成的四个共价键是等同的，从而使甲烷分子具有正四面体构型。
（4）杂化轨道的类型和立体构型
a、sp杂化----直线形：
sp型杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道组合而成的，每个sp杂化轨道含有
和
的
成分，轨道间的夹角为180°。
b、sp2杂化----平面三角形：
sp2杂化轨道是由一个ns轨道和二个np轨道组合而成的，每个sp2杂化轨道含有
和
成分，杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形如：
BF3分子。
c、sp3杂化----四面体型：
sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个np轨道组合而成，每个sp3杂化轨道都含有
和
的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109.5°
2.用杂化轨道理论解析BF3、BeCl2、乙烯、乙炔、NH3、苯等分子的空间构型
（1）BF3分子的结构：
硼原子的电子层结构为1s22s22px1，当硼与氟反应时，硼原子的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中，使硼原子的电子层结构变为1s22s22px12py1。
硼原子的2s轨道和两个2p轨道杂化组合成sp2杂化轨道，硼原子的三个sp2杂化轨道分别与三个F原子的各一个2p轨道重叠形成三个sp2-p的σ键，由于三个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。
（2）气态的BeCl2分子的结构：
Be原子的电子结构1s22s2，从表面上看Be原子似乎不能形成共价键，但是在激发状态下，Be的一个2s电子可以进入2p轨道，经过杂化形成2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分子的空间结构是直线型。
BeCl2分子杂化态
（3）乙烯、乙炔分子的结构：
乙烯分子中碳原子的原子轨道采用SP2杂化。
形成乙烯分子时，两个碳原子各用一个sp2杂化轨道上的电子相互配对，形成一个σ键;每个碳原子的另外两个sp2杂化轨道上的电子分别与两个氢原子的1s轨道的电子配对形成共价键;每个碳原子的一个未参与杂化的2P轨道（均含有一个未成对电子）能够以“肩并肩”的方式重叠，该轨道上的电子配对形成一个π键。
三个sp2杂化轨道的对称轴在同一平面上,对称轴夹角为1200，这样，在乙烯分子中的碳原子间，存在一个σ键和一个π键。
类似地，乙炔分子中的碳原子采取sp1杂化，两个sp杂化轨道的对称轴在同一直线上，夹角为180o，两个碳原子间存在一个σ键和两个π键。
总结：
杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键。
【例1】有关甲醛分子的说法正确的是（）（双选）
A.C原子采取sp杂化B.甲醛分子为三角锥形结构
C.C原子采取sp2杂化D.甲醛分子为平面三角形结构
（4）氨分子的结构：
在形成氨分子时，氮原子中的原子轨道也发生了sp3杂化，生成四个SP3杂化轨道，但所生成的四个sp3杂化轨道中，只有三个轨道各含有一个未成对电子，可分别与一个氢原子的1s电子形成一个σ键，另一个sp3杂化轨道中已有两个电子，属于孤对电子，不能再与氢原子形成σ键了。
所以，一个氮原子只能与三个氢原子结合，形成氨分子。
由于氨分子中四个SP3杂化轨道中的一个轨道已有一对电子，只有另外三个轨道中的未成对电子可以与氢原子的1S电子配对成键，所以氨分子的立体构型与sp3杂化轨道的空间分布不同，由于氨分子中存在着未成键的孤对电子，它对成键电子对的排斥作用较强，所以使三个N-H键的空间分布发生一点变化，他们之间的键角从109.5°被压缩到107.3°。
所以氨分子的构型为三角锥形。
总结：
根据各杂化轨道中所含各原子轨道成分是否相同，又分为等性杂化和不等性杂化。
在NH3分子形成时N原子采取了在轨道s成分多些，能量低些，与其余3个轨道不同等。
【例2】在以下的分子或离子中，空间结构的几何形状不是三角锥形的是（）
A、NF3B、CH3-C、BF3D、H3O+
（5）苯环的结构与大π键
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sp2杂化（如s、px、py），由此形成的三个sp2杂化轨道在同一平面上，这样，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，于是六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一个氢原子的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（如2px），它们均含有一个未成对电子。
这六个碳原子的2p轨道相互平行，它们以“肩并肩”的方式相互重叠，从而形成含有六个电子、属于六个原子的π键。
人们把这种在多原子间形成的多电子的π键称为大π键。
所以，在苯分子中，整个分子呈平面正六边形、六个碳碳键完全相同，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，而不象乙烯那样容易被酸性高锰酸钾溶液氧化或溴的四氯化碳溶液褪色。
总结：
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。
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且必定形成一个σ键。
除此之外，其他价电子只能形成π键或大π键。
【例3
】能说明苯分子的结构是
，而不是
的事实是（）
①苯不能使溴水和酸性KMnO4溶液退色②苯分子中碳碳键长、键能均相等
③苯能与3mol氢气加成生成环已烷④实验室测得
是同种结构的分子
⑤苯分子中的碳原子是sp2杂化，每个原子有一个未参与杂化的2p轨道，形成一个大π键
⑥苯在催化剂条件下可以与液溴发生取代反应，生成溴苯
A．①②③④⑤⑥B．①②④⑤⑥C．③④⑤⑥D．①②⑤⑥
二、分子构型与分子性质
1、分子的对称性
（1）含义：
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。
（2）对称轴：
分子中的所有原子以某条轴线为对称，沿该轴线旋转1200或2400时，分子完全复原，我们称这根连线为对称轴。
像乙烷分子那样以通过两个碳原子的连线为轴旋转1200或2400时，分子完全复原，我们称这根连线为对称轴。
（3）对称面：
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。
（4）联系：
分子的许多性质如极性、旋光性及化学反应等都与分子的对称性有关。
2、手性
（1）手性和手性分子定义：
如果一对分子，它们的组成和原子的排列方式完全相同，但如同左手和右手一样互为镜像，在三维空间里不能重叠，这对分子互称手性异构体。
有手性异构体的分子称为手性分子。
（2）手性碳原子：
当四个不同的原子或基团连接在碳原子（如CHBrC1F）上时，形成的化合物存在手性异构体。
其中，连接四个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子。
总结：
对于手性分子，主要掌握两点：
（1）根据定义判断手性分子。
（2）手性碳原子：
连接四个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子。
3.分子的极性
（1）极性分子和非极性分子定义：
分子是电中性的，但任何分子都有一个正电荷重心和一个负电荷重心。
正电荷重心和负电荷的重心不相重合的分子是极性分子，正电荷重心和负电荷的重心相重合的是非极性分子。
（2）分子极性的判断：
①双原子分子的极性：
双原子分子的极性取决于成键原子之间的共价键是否有极性，以极性键结合的双原子分子是极性分子；以非极性键结合的双原子分子为非极性分子。
由此可知，对双原子分子来说，键的极性与分子的极性是一致的：
化学键有极性，分子就有极性；反之，化学键无极性，通常分子也无极性。
②多原子分子的极性
多原子分子的极性与分子中的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）；
以极性键结合的多原子分子（ABm，A为中心原子，B为配位原子），分子是否有极性取决于分子的空间构型。
如：
水分子、氨分子等是极性分子；二氧化碳分子、甲烷分子是非极性分子等。
多原分子的极性除了与键的极性有关外，还与分子的空间构型有关。
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型，分子内两个C=O极性键位于碳原子的两侧，使正、负电荷重心重合。
因此CO2分子是非极性分子，在水分子中，分子内的两个O-H键的夹角为104.5o，这两个O-H键极性不能相互抵消，正负电荷重心不重合，所以水分子是极性分子。
总结：
判断分子极性主要是把握住键的极性与分子构型的关系。
任何一个分子必定存在一个正电荷重心和负电荷重心，如果分子中正电荷重心和负电荷重心重合，该分子就是非极性分子。
如果分子中正电荷重心和负电荷重心不重合，该分子就是极性分子。
分子中正负电荷重心相距越远，分子的极性就越大。
【例4】对SO2与CO2说法正确的是（）
A.都是直线形结构B.中心原子都采取sp杂化轨道
C.S原子和C原子上都没有孤对电子D.SO2为V形结构，CO2为直线形结构
（3）分子极性对物质的熔点、沸点、溶解性的影响
①分子的极性对物质的熔点、沸点有一定的影响，分子极性越大，分子间的电性作用强，克服分子间的引力使物质熔化或气化所需外界能量就高，故熔点、沸点较高。
②分子极性对物质的溶解性影响
一般情况下，由于极性分子间的电性作用，使得极性分子组成的溶质容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，这在化学上称为“相似相溶规则”例如，氯化氢易溶于水难溶于汽油，碘易溶于CCl4，难溶于水。
【例5】经验规律（相似相溶原理）：
一般来说，由极性分子组成的溶质易溶于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。
以下事实中可以用相似相溶原理说明的是（）（双选）
A.HCl易溶于水B.I2可溶于水C.Cl2可溶于水D.NH3易溶于水
二综合探究
一、如何用价层电子对互斥理论确定分子空间构型？
1、价层电子对互斥理论的基本要点：
①在AXm型分子中，中心原子A的周围配置的原子或原子团的几何构型，主要决定于中心原子价电子层中电子对（包括成键电子对和未成键电子对的孤电子对）的互相排斥作用，分子的几何构型总是采取电子对相互排斥作用最小的那种结构。
②价层电子对之间互相排斥作用大小的一般规律：
孤电子对-孤电子对＞孤电子对-成键电子对＞成键电子对-成键电子对
2、推断分子或离子的空间构型的具体步骤：
①确定中心原子A价层电子对数目：
中心原子A的价电子数与配体X提供共用的电子数之和的一半，即中心原子A价层电子对数目。
②确定价层电子对的空间构型。
分子空间构型确定。
根据分子中成键电子对数和孤电子对数，可以确定相应的较稳定的分子几何构型，如果中心原子成键电子对数是2，孤电对数是0，则电子对的排列方式是：
，分子的空间构型是直线型，例如HgCl2、CO2。
如果中心原子的成键电子对数是3，孤电子对数是0，电子对的排列方式是：
，分子的空间构型是三角形，例如BF3。
如果中心原子成键电子对数是4，孤电对数是0，则电子对的排列方式是：
，分子的空间构型是正四面体型，如CH4、CCl4。
3、计算中心原子价层电子对数时，应注意：
a、氧族元素原子作为配位原子时，是否可认为不提供电子，但作中心原子时可认为它提供所有的6个价电子。
b、如果讨论的是离子，是否应加上或减去与离子电荷相应的电子数。
如PO43-中P原子价层电子数应加上3，而NH4+中N原子的价层电子数应减去1。
c、如果价层电子数出现奇数电子，是否可把这个单电子当作电子对看待。
由于价层电子对之间的互相排斥作用，它们是否趋向于尽可能的相互远离。
要清楚价层电子对的空间构型与价层电子对数目的关系。
要清楚含有相同原子数和相同价电子数（指全部电子总数或价电子总数）的分子或离子是否往往具有相似的几何构型和化学键合情况。
三典题例析
【例1】PCl3的分子结构是（）
A、平面三角形，键角小于120°B、平面三角形，键角120°
C、三角锥形，键角小于109°28′D、三角锥形，键角109°28′
【例2】下列分子的空间构型是正四面体形的是（）
①CH4②NH3③CF4④SiH4⑤C2H4⑥CO2
A、①②③ B、①③④ C、②④⑤ D、①③⑤
【例3】在乙烯分子中有5个σ键、一个π键，它们分别是（）
A．sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键
B．sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键
C．C-H之间是sp2形成的σ键，C-C之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键
D．C-C之间是sp2形成的σ键，C-H之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键
【例4】能说明苯分子苯环的平面正六边形结构中碳碳键不是单双键交替排列的事实是（）。
A、苯的一元取代物没有同分异构体B、苯的间位二元取代物只有一种
C、苯的邻位二元取代物只有一种D、苯的对位二元取代物只有一种
【例5】下列分子的立体构型，可以用sp杂化方式解释的是（）
A．HClB．BeCl2C．PCl3D．CCl4
【例6】试用杂化轨道理论说明下列分子或离子的几何构型。
（1）CO2（直线形）
（2）SiF4（正四面体）
（3）BCl3（平面三角形）
（4）NF3（三角锥形）
（5）NO2-（V形）
（6）N2H4（N-N单键，非平面形）
【例7】试用杂化轨道理论分析为什么BF3的空间构型是平面三角形，而NF3是三角锥形的？
【例8】（竞赛题）ClO-，ClO2-，ClO3-，ClO4-中，Cl都是按以sp3杂化轨道与O成键，则ClO-是型，ClO2-是型，ClO3-是型，ClO4-是型离子构型。
四思考发现
一、常见分子的空间构型与分子的极性
分子
空间构型
分子有无极性
O2
直线形
无
CO2
直线形
无
BF3
平面正三角形
无
CCl4
正四面体
无
HF
直线形
有
H2O
角形
有
NH3
三角锥形
有
二、价层电子对理论、杂化轨道理论与分子键的空间构型关系（如下表）
杂化类型
杂化轨道数目
杂化轨道间夹角
空间构型
实例
分子构型
杂化轨道理论
sp
2
1800
直线
BeCl2
sp2
3
1200
平面三角形
BF3
sp3
4
109028’
四面体形
CH4
dsp2
4
900，1800
平面正方形
CuCl42-
价层电子对互斥理论
电子对数
成键对数
孤对电子对数
电子对空间构型
分子空间构型
实例
2
2
0
直线
直线
BeCl2
3
3
0
三角形
三角形
BF3
2
1
V形
SnBr2
4
4
0
四面体
四面体
CH4
3
1
三角锥
NH3
2
2
V形
H20
五体验成功
基础强化：
1.下列分子的立体构型，可以用sp杂化方式解释的是（）
A．HClB．BeCl2C．PCl3D．CCl4
2.在BrCH＝CHBr分子中，C-Br键采用的成键轨道是（）
A、sp-pB、sp2-sC、sp2-pD、sp3-p
3.下列说法正确的是（）（双选）
A.由极性键构成的分子全都是极性分子
B.含有非极性键的分子不一定是非极性分子
C.极性分子一定含有极性键，非极性键分子一定含有非极性键
D.以极性键结合的双原子分子，一定是极性分子
4.把下列液体分别装在酸式滴定管中，并使其以细流流下，当用带有静电的玻璃棒接近液体细流时，细流发生偏移的是（）（双选）
A．CCl4B．C2H5OHC．CS2D．H2O
5.下列元素原子与氢形成的分子中，共价键的极性最大的是（）
A．IB．SC．FD．Cl
6.下列说法中，正确的一组是（）
①两种元素构成的共价化合物分子中的化学键都是极性键②两种非金属元素原子间形成的化学键都是极性键
③含有极性键的化合物分子一定不含非极性键④只要是离子化合物，其熔点就比共价化合物的熔点高
⑤离子化合物中可能含有共价键⑥分子晶体中的分子不含有离子键
⑦分子晶体中的分子内一定有共价键⑧原子晶体中一定有非极性共价键
A.②⑤⑥⑦B.①②③⑤⑥C.②⑤⑥D.②③⑤⑥⑦
7.NH3、H2S等是极性分子，CO2、BF3、CCl4等是极性键构成的非极性分子。
根据上述实例能推出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型分子中A原子没有孤对电子
C．在ABn型分子中A的相对原子质量小于B的相对原子质量D．分子中每个键的键长应相等
8.对H3O+的说法正确的是（）（双选）
A.O原子采取sp2杂化B.O原子采取sp3杂化C.离子中存在配位键D.离子中配体O
9.下列化合物中，化学键的类型和分子的极性（极性或非极性）皆相同的是（）
A、CO2和SO2B、CH4和SiO2C、BF3和NH3D、HCl和HI
10.使用微波炉加热，具有使受热物质均匀，表里一致、速度快、热效率高等优点。
其工作原理是通电炉内的微波场以几亿的高频改变电场的方向，水分子因而能迅速摆动，产生热效应，这是因为（）
A、水分子具有极性共价键B、水分子中有共同电子对
C、水由氢、氧两元素组成D、水分子是极性分子
11.下列分子的中心原子形成sp2杂化轨道的是（）
A．H2OB．NH3C．C2H4D．CH4
综合应用：
12、N2F2存在顺式和反式两种异构体，据此事实，判断N2F2分子中两个氮原子之间的键型组成为（）
A、仅有一个δ键B、仅有一个π键C、一个δ键，一个π键
D、两个δ键E、一个δ键，两个π键
13、O2、CH4、BF3都是非极性分子，HF、H2O、NH3都是极性分子，由此推测ABn型分子是非极性分子的经验规律正确的是（）
A、所有原子在同一平面B、分子中不含有氢原子
C、在ABn中A原子没有孤对电子D、A的相对原子质量小于B
14、原子总数相等，电子总数也相等的分子或离子互称为等电子体，而等电子体具有相同的分子结构。
现已知CO2、N2O、O3、NO2、N2、CO、N3-、CN-、NO+、NO2+，试回答：
（1）上述分子或离子是等电子体的是；
（2）试说明CO的分子结构。
15、H2O和H2S的结构相似，都是两个氢原子的S轨道与O、S原子的两个SP3杂化轨道形成σ键，为什么H2O中H—O间的夹角和H2S中H—S间的夹角不是109.5°，而是比109.5°小，并且H2O中H—O间的夹角（104.5°）比H2S中H—S间的夹角（90°）大？
16、化学工作者已经合成了一个新的分子，经测定它只含有H、N、B，其中H、N、B的物质的量之比为2：
1：
1，它的相对分子质量为80.4，且它是非极性分子。
（1）试求该分子的分子式。
（2）此分子有两种可能构型：
甲和乙，在甲分子中H原子分别连在不同原子上，此结构与苯分子相似，而乙分子中B原子上没有连接H原子，分子中含有一个三元环。
试画出甲、乙两分子的结构简式。
（3）说明甲、乙两分子中化学键的类型。
（4）说明甲、乙两分子为什么是非极性分子。
17、在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2、BF3分子中：
（1）以非极性键结合的非极性分子是；
（2）以极性键结合的具有直线形结构的非极性分子是；
（3）以极性键结合的具有正四面体形结构的非极性分子是；
（4）以极性键结合的具有三角锥形结构的极性分子是；
（5）以极性键结合的具有sp3杂化轨道结构的分子是；
（6）以极性键结合的具有sp2杂化轨道结构的分子是。
创新拓展：
18、分子式为pt（NH2）2Cl2的分子构型是平面正方形。
它有两种空间异构体——俗称顺铂和反铂。
其结构式为：
试对顺铂和反铂的水溶性做预测。
19、已知纯水中存在2H2O
H3O++OH-。
液氨中存在2NH3（液）
NH2—+NH4+，PCl5是一种白色固体。
某同学对其进行以下实验：
将其加热至160℃升华，测得15
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