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化学选择性必修2微项目 甲醛的危害与去除——利用电负性分析与预测物质性质课文ppt课件
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这是一份化学选择性必修2微项目 甲醛的危害与去除——利用电负性分析与预测物质性质课文ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了课前自主学习，杂化原子轨道，杂化轨道的类型，苯的空间构型，肩并肩，大π键，成键电子对，孤电子对，相互排斥，价电子总数等内容，欢迎下载使用。
学习任务一 分子空间结构的理论分析任务驱动: 为什么CH4是正四面体结构的分子,C2H4是平面形分子? 1.杂化轨道理论(1)定义:在外界条件影响下,原子内部能量_____的原子轨道重新组合成新的原子轨道的过程叫作原子轨道的杂化,组合后形成的一组新的原子轨道,叫作_____________,简称杂化轨道。
(2)特征: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_____,从而使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更_____。有多少个原子轨道参加杂化,就形成_____个杂化轨道。【想一想】(1)是否任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道?提示:否。只有能量相近的s轨道和p轨道才可以发生杂化,形成杂化轨道。(2)原子轨道杂化后,数量和能量有什么变化?提示:杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同,但能量不同,ns轨道与np轨道的能量不同,杂化后,形成的一组新的杂化轨道能量相同。
2.甲烷中碳原子的杂化类型(1)甲烷分子的空间构型
(2)碳原子的杂化类型
【想一想】乙烯分子中的碳原子上的价电子全部参与杂化吗?其中心原子的杂化类型是什么?提示:乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化,两个碳原子各用1个sp2杂化轨道上的电子相互配对,形成1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轨道上的电子配对形成1个σ键,每个碳上剩余的1个未参与杂化的2p轨道以“肩并肩”方式重叠形成π键。
【做一做】指出下列原子的杂化轨道类型及分子的空间构型:(1)CO2中的C采取________杂化,空间构型为________; (2)SiF4中的Si采取________杂化,空间构型为________; (3)BCl3中的B采取________杂化,空间构型为________; (4)PH3中的P采取________杂化,空间构型为________; (5)N 中的N采取________杂化,空间构型为________。 答案:(1)sp 直线形 (2)sp3 正四面体形 (3)sp2 平面三角形 (4)sp3 三角锥形 (5)sp2 角形
学习任务二 苯分子的空间构型任务驱动:苯分子是平面正六边形,键角是120°,试用杂化轨道理论进行解释。
2.苯分子中的大π键:六个碳原子上各有一个未参与杂化的垂直于碳环平面的___轨道,这六个轨道以“_______”的方式形成含有六个电子、属于六个碳原子的_______。
学习任务三 价电子对互斥理论与等电子原理任务驱动:中心原子同是sp3杂化的CH4 是正四面体形分子,为什么H2O分子呈角型,NH3分子呈三角锥形? 1.价电子对互斥理论(1)基本观点:分子中的中心原子的价电子对——___________和_________由于_________作用,尽可能趋向于彼此_____。(2)空间构型(n个成键电子对全部是成单键的电子对且没有孤电子对):
(3)若中心原子没有孤电子对,为使价电子对之间的斥力最小,使分子的结构尽可能采取_____的结构。2.等电子原理(1)内容:化学通式相同且___________相等的分子或离子具有相同的_________和相同的___________等结构特征。(2)应用判断一些简单分子或离子的_________。
【想一想】等电子体在判断空间构型上的应用:(1) 、P 等离子具有___通式,价电子总数为32,中心原子采取___杂化,呈_________空间结构。 、Cl 等离子具有___通式,价电子总数为26,中心原子采取___杂化,由于存在_________,分子空间构型呈_________。【做一做】用价电子对互斥理论判断下列分子或离子的价电子对空间构型及分子的空间构型:
探究任务一 分子的空间构型与杂化轨道的关系图片情境 下面是几种分子的空间构型:
【问题探究】1.甲烷分子碳原子价电子:2s22p2,碳原子只有两个未成对的2p电子,若碳原子与氢原子结合,应形成CH2,为什么是CH4?即使如图1所示 碳原子与四个氢原子形成的分子应该具有不规则的正四面体结构。那么,甲烷分子的正四面体构型是怎样形成的呢?
提示:当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时, 为了四个杂化轨道在空间尽可能远离,使轨道间的排斥最小,能量最低,4个杂化轨道的伸展方向分别指向正四面体的四个顶点。
四个H原子分别以4个s轨道与C原子上的四个sp3杂化轨道相互重叠后,就形成了四个性质、能量和键角都完全相同的s-sp3σ键,形成一个正四面体构型的分子。
2.根据以下事实总结:如何判断一个化合物的中心原子的杂化类型?
提示:(1)一看分子的空间构型,如果是直线形,则是sp杂化;如果是平面三角形,则是sp2杂化;如果是正四面体形,则是sp3杂化。(2)二看中心碳原子有没有形成双键或三键,如果有1个三键,则其中有2个是π键,用去了2个p轨道,所以形成的是sp杂化;如果有1个双键,则其中有1个π键,用去了1个p轨道,所以形成的是sp2杂化;如果全部是单键,则形成的是sp3杂化。
【探究总结】1.判断分子中心原子杂化类型的三种方法(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sp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°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。(3)根据等电子原理进行推断。如CO2是直线形分子,CNS-、 、 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sp杂化。
2.分子的空间构型与杂化类型的关系(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时①sp杂化
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对对成键电子对的排斥作用,会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的,其分子不呈正四面体构型,而呈角形;氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个由孤电子对占据,氨分子不呈正四面体构型,而呈三角锥形。
【易错提醒】(1)形成分子时,通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,孤立的原子是不可能发生杂化的。(3)杂化前后轨道数目不变。(4)杂化后轨道的伸展方向及形状发生改变。(5)只有能量相近的轨道才能杂化(ns、np)。(6)sp杂化和sp2杂化的两种形式中,原子还有未参与杂化的p轨道,可用于形成π键,而杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
【典例】(双选)下列关于原子轨道的说法正确的是( )A.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其空间构型都是正四面体形B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由C原子的2s轨道和碳原子的2p轨道杂化而形成的C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合而形成的一组能量相同的新轨道D.凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp3杂化成键【解题指南】解答本题注意以下两点:(1)可以利用判断杂化类型的三种方法对中心原子的杂化类型进行判断。(2)参与杂化的轨道必须是能量相近的同种元素的原子轨道。
【解析】选B、C。中心原子采取sp3杂化,空间构型是正四面体形,但如果中心原子还有孤电子对,分子的空间构型则不是正四面体;CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的;AB3型的共价化合物,A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。【方法规律】中心原子杂化轨道类型的判断方法(1)根据价电子对互斥理论分析分子或离子空间构型,关键是分析分子或离子中的中心原子的成键电子对数和孤电子对数。(2)中心原子的价电子对数等于中心原子的杂化轨道数。
【探究训练】1.(双选)下列有关NCl3分子的叙述正确的是( )A.NCl3分子中的氮原子采取sp2杂化B.NCl3分子为平面三角形C.NCl3分子中Cl—N—Cl键角小于109°28′D.NCl3分子中含有三个极性键【解析】选C、D。NCl3分子的中心原子氮原子的杂化轨道数为4,氮原子的杂化类型为sp3,含有1对孤电子对,对成键电子对具有排斥作用,使键角小于109°28′,NCl3分子为三角锥形,分子中N—Cl键为极性键。
2.(双选)下列分子中的中心原子杂化轨道的类型不同的是( )A.SO3与SO2 B.PF3与NH3C.BeCl2与SCl2D.H2O与SO2【解析】选C、D。SO3中硫原子杂化轨道数为3,采取 sp2杂化方式,SO2中硫原子杂化轨道数为3,采取 sp2杂化方式, A不符合题意; PF3中磷原子杂化轨道数为4,采取 sp3杂化方式,NH3中氮原子杂化轨道数为4,采取 sp3杂化方式, B不符合题意; BeCl2中铍原子杂化轨道数为2,采取 sp杂化方式,SCl2中硫原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化方式,C符合题意;D中H2O的杂化轨道数为4,采取sp3杂化,SO2中硫的杂化轨道数为3,采取sp2杂化,D符合题意。
3.丙烯(CH3—CH==CH2)是石油化工基本原料之一,可用于生产多种重要有机化工原料。下列说法正确的是( )A.丙烯分子有8个σ键,1个π键B.丙烯分子中3个碳原子都是sp3杂化C.丙烯分子不存在非极性键D.丙烯分子中3个碳原子不在同一平面
【解析】选A。丙烯(CH3—CH==CH2)分子中C—C键、C—H键均为σ键,C==C键中一个σ键,一个π键,综上所述在丙烯分子有8个σ键,1个π键,A项正确,B项错误;丙烯分子中存在碳碳单键和碳碳双键的非极性键,C项错误;由于丙烯(CH3—CH==CH2)分子中形成双键的两个碳原子均是采用的sp2杂化,所以这两个碳原子以及与之直接相连的原子构成的空间构型是平面形的分子,所以丙烯分子中的三个碳原子均在一个平面内,D项错误。
探究任务二 价电子对互斥理论的应用模型情境 下面是化学探究课上学生搭建的部分分子模型:
【问题探究】1.(1)NH3和BCl3均符合通式AX3,但NH3分子呈三角锥形而BCl3呈平面正三角形,请解释原因。(2)CH2O分子中σ键和π键数目之比为多少?其中σ键采用哪种原子轨道的重叠方式?提示:(1)NH3分子中N原子上有未成键的孤电子对,对N—H键产生排斥作用,故呈三角锥形;BCl3分子中B原子上无孤电子对,故呈平面正三角形。(2)CH2O分子中含3个σ键和1个π键,故二者之比为3∶1;C—H键采用sp2-s重叠方式,C—O键采用sp2-p重叠方式。
2.氧原子的价电子排布式为2s22p4,两个2p轨道各有一个未成对电子,可分别与一个H原子的1s电子形成一个σ键,不需杂化。但事实是:氧原子形成了四个sp3杂化轨道,且键角是104.5°,空间构型为角形,为什么呢?
提示:在形成水分子时,O的2s轨道和2p轨道发生了sp3杂化,形成四个sp3杂化轨道,呈正四面体形。其中两个sp3杂化轨道中各有一个未成对电子,另外两个sp3杂化轨道已有两对孤电子对,不再成键。氧原子与氢原子化合时,O的sp3杂化轨道与H的1s轨道重叠,形成两个σ键。由于两对孤电子对的电子云密集在O的周围,对两个成键的电子对有更大的排斥作用,使O—H键之间的键角被压缩,因此H2O分子的空间构型为角形。
3.CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3,它们的键角为什么依次减小?从杂化轨道理论的角度思考,比较键角大小时有什么方法?提示:CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化,中心原子的孤电子对数依次为0对、1对、2对。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小,孤电子对数越多排斥作用越大,键角越小。比较键角时,先看中心原子杂化类型,杂化类型不同时,一般键角按sp、sp2、sp3顺序依次减小;杂化类型相同时,中心原子孤电子对数越多,键角越小。
【探究总结】1.分子中的中心原子的价电子对数的确定(1)成键电子对数由分子式确定。分子中有几个σ键,就有几对成键电子对。常见分子中成键电子对数:(2)孤电子对数的计算。中心原子上的孤电子对数=
2.价电子对互斥模型与分子空间构型的关系价电子对互斥理论模型说的是价电子对的空间构型,而分子的空间构型指的是成键电子对空间构型,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。
3.杂化轨道类型的判断(1)对于ABm型分子、中心原子的杂化轨道数可以这样计算。 杂化轨道数n= 其中配位原子中,卤素原子、氢原子提供1个价电子,硫原子、氧原子不提供价电子,即提供价电子数为0。
(2)离子的杂化轨道计算。n= (中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数±电荷数)。
【易错提醒】(1)ABm型分子(A是中心原子,B是配位原子)中价电子对数n的计算:n= (2)在计算中心原子的价电子对数时应注意如下规定①作为配位原子,卤素原子和氢原子均提供1个电子,氧族元素的原子不提供电子。②作为中心原子,卤素原子按提供7个电子计算,氧族元素的原子按提供6个电子计算。③对于复杂离子,在计算价电子对数时,还应加上阴离子的电荷数或减去阳离子的电荷数。如P 中磷原子价电子数应加上3,而 中氮原子的价电子数应减去1。
④计算电子对数时,若剩余1个电子,即出现奇数电子,也把这个单电子当作1对电子处理。⑤双键、三键等多重键作为1对电子看待。(3)对于 型离子,其中心原子上的孤电子对对数= (A的价电子数-每个B原子提供的电子数×m∓电荷数n)①若为分子则n=0如SO3: (6-2×3+0)=0,②若为阳离子,则减去电荷数,如 : (5-1×4-1)=0,③若为阴离子,则加上电荷数,如 : (6-4×2+2)=0。
【典例】(2020·青岛高二检测)完成下列分子中心原子的杂化类型和分子空间构型的内容。(1)在SO2分子中,硫原子采取________杂化,SO2的键角________(填“大于”“等于”或“小于”)120°,SO3分子中硫原子采取________杂化,SO3分子的空间构型为__________________________。 (2)OF2中氧原子的杂化方式为____________,OF2分子的空间构型为________。
【解题指南】解答本题注意以下三点:(1)首先计算ABm型分子中心原子的杂化轨道数;(2)然后判断杂化类型;(3)最后根据微粒中的杂化轨道所形成的共价键类型判断微粒的空间构型。
【解析】(1)SO2分子中,硫原子的杂化轨道数为 =3,硫原子采取sp2杂化,但有1对孤电子对,所以键角小于120°。SO3分子中硫原子杂化轨道数为 ×(6+0)=3,硫原子采取sp2杂化,SO3为平面三角形。(2)OF2分子中,氧原子的杂化轨道数= ×(6+2)=4,杂化类型为sp3杂化,含有2对孤电子对,OF2为角形。答案:(1)sp2 小于 sp2 平面三角形 (2)sp3 角形
【方法规律】杂化分子的键角与杂化类型的关系根据价电子对互斥理论的基本内容:分子中的价电子对——成键电子对和孤电子对由于相互排斥作用,尽可能趋向彼此远离。(1)当中心原子的价电子全部参与成键时,为使价电子斥力最小,就要求尽可能采取对称结构。(2)当中心原子的价电子部分参与成键时,未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同,从而影响分子的空间构型。
(3)电子对之间的夹角越大,相互之间的斥力越小。(4)成键电子对之间斥力由大到小顺序:三键—三键>三键—双键>双键—双键>双键—单键>单键—单键。(5)含孤电子对的斥力由大到小顺序:孤电子对—孤电子对>孤电子对—单键>单键—单键。
【探究训练】1.(改编)三氟化氮(NF3)在微电子工业中有重要用途,其分子的空间构型和中心原子的杂化方式为( )A.直线形、sp杂化B.平面三角形、sp2杂化C.三角锥形、sp2杂化D.三角锥形、sp3杂化
【解析】选D。(1)NF3分子中氮原子价电子对数=3+ (5-3)=4 氮原子价电子对空间构型为四面体形 NF3为三角锥形。(2)NF3分子中,氮原子杂化轨道数= =4 氮原子杂化轨道(sp3杂化)
2.(双选)若ABn的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对,下列说法正确的是( )A.若n=2,则分子的空间构型为角形B.若n=3,则分子的空间构型为平面三角形C.若n=4,则分子的空间构型为正四面体形D.以上说法都不正确【解析】选B、C。若中心原子A上没有未用于成键的孤电子对,则根据斥力最小的原则,当n=2时,分子的空间结构为直线形;n=3时,分子的空间结构为平面三角形;n=4时,分子的空间结构为正四面体形。
1.下列分子或离子的中心原子带有一对孤电子对的是( )A.H2OB.AlCl3C.CH4D.PCl3【解析】选D。将选项中各物质的未知数据代入公式:中心原子上的孤电子对数= ×(a-xb),经计算知,选项中心原子上的孤电子对数依次为2、0、0、1。
2.(双选)短周期主族元素A、B可形成AB3分子,下列有关叙述正确的是( )A.若A、B为同一周期元素,则AB3分子一定为平面正三角形B.若AB3分子中的价电子个数为24个,则AB3分子可能为平面正三角形C.若A、B为同一主族元素,则AB3分子一定为三角锥形D.若AB3分子为三角锥形,则AB3分子可能为NH3【解析】选B、D。A项,若为PCl3,则分子为三角锥形,错误;B项,BCl3满足要求,其分子为平面正三角形,正确;C项,若分子为SO3,则为平面正三角形,错误;D项,分子可能为NH3,也可能为NF3等,正确。
3.(2020·烟台高二检测)下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )A.CO2与SO2B.CH4与NH3C.BeCl2与BF3D.C2H4与C2H2【解析】选B。本题考查常见分子中中心原子的原子杂化轨道类型。CO2、BeCl2、C2H2属于sp杂化;CH4、NH3属于sp3杂化;SO2、BF3、C2H4属于sp2杂化。B正确。
4.次氯酸是被广泛用于游泳池的含氯消毒剂产品。 已知它的分子结构式为H—O—Cl,下列有关说法正确的是( )A.O原子发生sp杂化B.O原子与H、Cl都形成σ键C.该分子为直线形分子D.该分子电子式是
【解析】选B。HClO分子的结构式为H—O—Cl,O原子应为sp3杂化,形成4个杂化轨道,其中有2个孤电子对,另2个杂化轨道分别与H原子和Cl原子各形成1个σ键。因为O原子是sp3杂化,所以分子构型为角形,其电子式为 ,故B项正确。
5.(2020·山东等级考)B3N3H6(无机苯)的结构与苯类似,也有大π键。下列关于B3N3H6的说法错误的是( )A.其熔点主要取决于所含化学键的键能B.形成大π键的电子全部由N提供C.分子中B和N的杂化方式相同D.分子中所有原子共平面
【解析】选A。无机苯是分子晶体,其熔点主要取决于分子间的作用力,A错误;B原子最外层3个电子,与其他原子形成3个σ键,N原子最外层5个电子,与其他原子形成3个σ键,还剩余2个电子,故形成大π键的电子全部由N原子提供,B正确;无机苯与苯为等电子体,分子中含有大π键,故分子中B、N原子的杂化方式为sp2杂化,C正确;无机苯与苯为等电子体,分子中含有大π键,故分子中B、N原子的杂化方式为sp2杂化,所以分子中所有原子共平面,D正确。
6.(2020·无锡高二检测)甲醛已经被世界卫生组织认定为一类致癌物。如图所示是甲醛分子的模型。根据该图和所学化学键知识回答下列问题: (1)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断,其中正确的是______(填序号)。 ①单键 ②双键 ③σ键 ④π键 ⑤σ键和π键(2)甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角______(填“=”“>”或“<”)120°,出现该现象的主要原因是______________________。
【解析】(1)醛类分子中都含有羰基(C==O),所以甲醛分子中的碳氧键是双键。一般来说,双键是σ键和π键的组合。(2)由于碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强,所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°。答案:(1)②⑤ (2)< 碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强
7.(2020·烟台高二检测)氮可以形成多种离子,如N3-、 、 、 、 等,已知 与 是由中性分子结合质子形成的,类似于 ,因此有类似于 的性质。(1)写出 在强碱性溶液中反应的离子方程式_______________________.(2) 的电子式为____________。 (3) 有________个电子。(4)写出两种由多个原子组成的含有与 电子数相同的物质的化学式_____。
(5)互为等电子体的微粒往往具有相似的结构,试预测 的构型__________。(6)据报道,美国科学家卡尔·克里斯特合成了一种名为“N5”的物质,由于其具有极强的爆炸性,又称为“盐粒炸弹”。迄今为止,人们对它的结构尚不清楚,只知道“N5”实际上是带正电荷的分子碎片,其结构是对称的,5个N排成角形。如果5个N结合后都达到8电子结构,且含有2个N≡N键。则“N5”分子碎片所带电荷是__________。
【解析】(1) 是由中性分子 N2H4 结合2个质子形成的,故 相当于二元酸,在碱性溶液中反应的离子方程式为 +2OH-====N2H4+2H2O;(2) 的电子式为 (3)1个N含有7个电子,故 有22个电子;(4)含有22个电子的多原子物质有N2O、CO2、CNO-、BeF2、C3H4等;(5) 与CO2互为等电子体,CO2为直线形分子,故可认为 的构型为直线形;(6)N5结构是对称的,5个N排成角形,5个N结合后都达到8电子结构,且含有2个N≡N键,满足条件的结构为 故“N5”带一个单位正电荷。
学习任务一 分子空间结构的理论分析任务驱动: 为什么CH4是正四面体结构的分子,C2H4是平面形分子? 1.杂化轨道理论(1)定义:在外界条件影响下,原子内部能量_____的原子轨道重新组合成新的原子轨道的过程叫作原子轨道的杂化,组合后形成的一组新的原子轨道,叫作_____________,简称杂化轨道。
(2)特征: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_____,从而使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更_____。有多少个原子轨道参加杂化,就形成_____个杂化轨道。【想一想】(1)是否任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道?提示:否。只有能量相近的s轨道和p轨道才可以发生杂化,形成杂化轨道。(2)原子轨道杂化后,数量和能量有什么变化?提示:杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同,但能量不同,ns轨道与np轨道的能量不同,杂化后,形成的一组新的杂化轨道能量相同。
2.甲烷中碳原子的杂化类型(1)甲烷分子的空间构型
(2)碳原子的杂化类型
【想一想】乙烯分子中的碳原子上的价电子全部参与杂化吗?其中心原子的杂化类型是什么?提示:乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化,两个碳原子各用1个sp2杂化轨道上的电子相互配对,形成1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轨道上的电子配对形成1个σ键,每个碳上剩余的1个未参与杂化的2p轨道以“肩并肩”方式重叠形成π键。
【做一做】指出下列原子的杂化轨道类型及分子的空间构型:(1)CO2中的C采取________杂化,空间构型为________; (2)SiF4中的Si采取________杂化,空间构型为________; (3)BCl3中的B采取________杂化,空间构型为________; (4)PH3中的P采取________杂化,空间构型为________; (5)N 中的N采取________杂化,空间构型为________。 答案:(1)sp 直线形 (2)sp3 正四面体形 (3)sp2 平面三角形 (4)sp3 三角锥形 (5)sp2 角形
学习任务二 苯分子的空间构型任务驱动:苯分子是平面正六边形,键角是120°,试用杂化轨道理论进行解释。
2.苯分子中的大π键:六个碳原子上各有一个未参与杂化的垂直于碳环平面的___轨道,这六个轨道以“_______”的方式形成含有六个电子、属于六个碳原子的_______。
学习任务三 价电子对互斥理论与等电子原理任务驱动:中心原子同是sp3杂化的CH4 是正四面体形分子,为什么H2O分子呈角型,NH3分子呈三角锥形? 1.价电子对互斥理论(1)基本观点:分子中的中心原子的价电子对——___________和_________由于_________作用,尽可能趋向于彼此_____。(2)空间构型(n个成键电子对全部是成单键的电子对且没有孤电子对):
(3)若中心原子没有孤电子对,为使价电子对之间的斥力最小,使分子的结构尽可能采取_____的结构。2.等电子原理(1)内容:化学通式相同且___________相等的分子或离子具有相同的_________和相同的___________等结构特征。(2)应用判断一些简单分子或离子的_________。
【想一想】等电子体在判断空间构型上的应用:(1) 、P 等离子具有___通式,价电子总数为32,中心原子采取___杂化,呈_________空间结构。 、Cl 等离子具有___通式,价电子总数为26,中心原子采取___杂化,由于存在_________,分子空间构型呈_________。【做一做】用价电子对互斥理论判断下列分子或离子的价电子对空间构型及分子的空间构型:
探究任务一 分子的空间构型与杂化轨道的关系图片情境 下面是几种分子的空间构型:
【问题探究】1.甲烷分子碳原子价电子:2s22p2,碳原子只有两个未成对的2p电子,若碳原子与氢原子结合,应形成CH2,为什么是CH4?即使如图1所示 碳原子与四个氢原子形成的分子应该具有不规则的正四面体结构。那么,甲烷分子的正四面体构型是怎样形成的呢?
提示:当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时, 为了四个杂化轨道在空间尽可能远离,使轨道间的排斥最小,能量最低,4个杂化轨道的伸展方向分别指向正四面体的四个顶点。
四个H原子分别以4个s轨道与C原子上的四个sp3杂化轨道相互重叠后,就形成了四个性质、能量和键角都完全相同的s-sp3σ键,形成一个正四面体构型的分子。
2.根据以下事实总结:如何判断一个化合物的中心原子的杂化类型?
提示:(1)一看分子的空间构型,如果是直线形,则是sp杂化;如果是平面三角形,则是sp2杂化;如果是正四面体形,则是sp3杂化。(2)二看中心碳原子有没有形成双键或三键,如果有1个三键,则其中有2个是π键,用去了2个p轨道,所以形成的是sp杂化;如果有1个双键,则其中有1个π键,用去了1个p轨道,所以形成的是sp2杂化;如果全部是单键,则形成的是sp3杂化。
【探究总结】1.判断分子中心原子杂化类型的三种方法(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sp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°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。(3)根据等电子原理进行推断。如CO2是直线形分子,CNS-、 、 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sp杂化。
2.分子的空间构型与杂化类型的关系(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时①sp杂化
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对对成键电子对的排斥作用,会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的,其分子不呈正四面体构型,而呈角形;氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个由孤电子对占据,氨分子不呈正四面体构型,而呈三角锥形。
【易错提醒】(1)形成分子时,通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,孤立的原子是不可能发生杂化的。(3)杂化前后轨道数目不变。(4)杂化后轨道的伸展方向及形状发生改变。(5)只有能量相近的轨道才能杂化(ns、np)。(6)sp杂化和sp2杂化的两种形式中,原子还有未参与杂化的p轨道,可用于形成π键,而杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。
【典例】(双选)下列关于原子轨道的说法正确的是( )A.凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其空间构型都是正四面体形B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由C原子的2s轨道和碳原子的2p轨道杂化而形成的C.sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合而形成的一组能量相同的新轨道D.凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp3杂化成键【解题指南】解答本题注意以下两点:(1)可以利用判断杂化类型的三种方法对中心原子的杂化类型进行判断。(2)参与杂化的轨道必须是能量相近的同种元素的原子轨道。
【解析】选B、C。中心原子采取sp3杂化,空间构型是正四面体形,但如果中心原子还有孤电子对,分子的空间构型则不是正四面体;CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的;AB3型的共价化合物,A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。【方法规律】中心原子杂化轨道类型的判断方法(1)根据价电子对互斥理论分析分子或离子空间构型,关键是分析分子或离子中的中心原子的成键电子对数和孤电子对数。(2)中心原子的价电子对数等于中心原子的杂化轨道数。
【探究训练】1.(双选)下列有关NCl3分子的叙述正确的是( )A.NCl3分子中的氮原子采取sp2杂化B.NCl3分子为平面三角形C.NCl3分子中Cl—N—Cl键角小于109°28′D.NCl3分子中含有三个极性键【解析】选C、D。NCl3分子的中心原子氮原子的杂化轨道数为4,氮原子的杂化类型为sp3,含有1对孤电子对,对成键电子对具有排斥作用,使键角小于109°28′,NCl3分子为三角锥形,分子中N—Cl键为极性键。
2.(双选)下列分子中的中心原子杂化轨道的类型不同的是( )A.SO3与SO2 B.PF3与NH3C.BeCl2与SCl2D.H2O与SO2【解析】选C、D。SO3中硫原子杂化轨道数为3,采取 sp2杂化方式,SO2中硫原子杂化轨道数为3,采取 sp2杂化方式, A不符合题意; PF3中磷原子杂化轨道数为4,采取 sp3杂化方式,NH3中氮原子杂化轨道数为4,采取 sp3杂化方式, B不符合题意; BeCl2中铍原子杂化轨道数为2,采取 sp杂化方式,SCl2中硫原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化方式,C符合题意;D中H2O的杂化轨道数为4,采取sp3杂化,SO2中硫的杂化轨道数为3,采取sp2杂化,D符合题意。
3.丙烯(CH3—CH==CH2)是石油化工基本原料之一,可用于生产多种重要有机化工原料。下列说法正确的是( )A.丙烯分子有8个σ键,1个π键B.丙烯分子中3个碳原子都是sp3杂化C.丙烯分子不存在非极性键D.丙烯分子中3个碳原子不在同一平面
【解析】选A。丙烯(CH3—CH==CH2)分子中C—C键、C—H键均为σ键,C==C键中一个σ键,一个π键,综上所述在丙烯分子有8个σ键,1个π键,A项正确,B项错误;丙烯分子中存在碳碳单键和碳碳双键的非极性键,C项错误;由于丙烯(CH3—CH==CH2)分子中形成双键的两个碳原子均是采用的sp2杂化,所以这两个碳原子以及与之直接相连的原子构成的空间构型是平面形的分子,所以丙烯分子中的三个碳原子均在一个平面内,D项错误。
探究任务二 价电子对互斥理论的应用模型情境 下面是化学探究课上学生搭建的部分分子模型:
【问题探究】1.(1)NH3和BCl3均符合通式AX3,但NH3分子呈三角锥形而BCl3呈平面正三角形,请解释原因。(2)CH2O分子中σ键和π键数目之比为多少?其中σ键采用哪种原子轨道的重叠方式?提示:(1)NH3分子中N原子上有未成键的孤电子对,对N—H键产生排斥作用,故呈三角锥形;BCl3分子中B原子上无孤电子对,故呈平面正三角形。(2)CH2O分子中含3个σ键和1个π键,故二者之比为3∶1;C—H键采用sp2-s重叠方式,C—O键采用sp2-p重叠方式。
2.氧原子的价电子排布式为2s22p4,两个2p轨道各有一个未成对电子,可分别与一个H原子的1s电子形成一个σ键,不需杂化。但事实是:氧原子形成了四个sp3杂化轨道,且键角是104.5°,空间构型为角形,为什么呢?
提示:在形成水分子时,O的2s轨道和2p轨道发生了sp3杂化,形成四个sp3杂化轨道,呈正四面体形。其中两个sp3杂化轨道中各有一个未成对电子,另外两个sp3杂化轨道已有两对孤电子对,不再成键。氧原子与氢原子化合时,O的sp3杂化轨道与H的1s轨道重叠,形成两个σ键。由于两对孤电子对的电子云密集在O的周围,对两个成键的电子对有更大的排斥作用,使O—H键之间的键角被压缩,因此H2O分子的空间构型为角形。
3.CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3,它们的键角为什么依次减小?从杂化轨道理论的角度思考,比较键角大小时有什么方法?提示:CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化,中心原子的孤电子对数依次为0对、1对、2对。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小,孤电子对数越多排斥作用越大,键角越小。比较键角时,先看中心原子杂化类型,杂化类型不同时,一般键角按sp、sp2、sp3顺序依次减小;杂化类型相同时,中心原子孤电子对数越多,键角越小。
【探究总结】1.分子中的中心原子的价电子对数的确定(1)成键电子对数由分子式确定。分子中有几个σ键,就有几对成键电子对。常见分子中成键电子对数:(2)孤电子对数的计算。中心原子上的孤电子对数=
2.价电子对互斥模型与分子空间构型的关系价电子对互斥理论模型说的是价电子对的空间构型,而分子的空间构型指的是成键电子对空间构型,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。
3.杂化轨道类型的判断(1)对于ABm型分子、中心原子的杂化轨道数可以这样计算。 杂化轨道数n= 其中配位原子中,卤素原子、氢原子提供1个价电子,硫原子、氧原子不提供价电子,即提供价电子数为0。
(2)离子的杂化轨道计算。n= (中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数±电荷数)。
【易错提醒】(1)ABm型分子(A是中心原子,B是配位原子)中价电子对数n的计算:n= (2)在计算中心原子的价电子对数时应注意如下规定①作为配位原子,卤素原子和氢原子均提供1个电子,氧族元素的原子不提供电子。②作为中心原子,卤素原子按提供7个电子计算,氧族元素的原子按提供6个电子计算。③对于复杂离子,在计算价电子对数时,还应加上阴离子的电荷数或减去阳离子的电荷数。如P 中磷原子价电子数应加上3,而 中氮原子的价电子数应减去1。
④计算电子对数时,若剩余1个电子,即出现奇数电子,也把这个单电子当作1对电子处理。⑤双键、三键等多重键作为1对电子看待。(3)对于 型离子,其中心原子上的孤电子对对数= (A的价电子数-每个B原子提供的电子数×m∓电荷数n)①若为分子则n=0如SO3: (6-2×3+0)=0,②若为阳离子,则减去电荷数,如 : (5-1×4-1)=0,③若为阴离子,则加上电荷数,如 : (6-4×2+2)=0。
【典例】(2020·青岛高二检测)完成下列分子中心原子的杂化类型和分子空间构型的内容。(1)在SO2分子中,硫原子采取________杂化,SO2的键角________(填“大于”“等于”或“小于”)120°,SO3分子中硫原子采取________杂化,SO3分子的空间构型为__________________________。 (2)OF2中氧原子的杂化方式为____________,OF2分子的空间构型为________。
【解题指南】解答本题注意以下三点:(1)首先计算ABm型分子中心原子的杂化轨道数;(2)然后判断杂化类型;(3)最后根据微粒中的杂化轨道所形成的共价键类型判断微粒的空间构型。
【解析】(1)SO2分子中,硫原子的杂化轨道数为 =3,硫原子采取sp2杂化,但有1对孤电子对,所以键角小于120°。SO3分子中硫原子杂化轨道数为 ×(6+0)=3,硫原子采取sp2杂化,SO3为平面三角形。(2)OF2分子中,氧原子的杂化轨道数= ×(6+2)=4,杂化类型为sp3杂化,含有2对孤电子对,OF2为角形。答案:(1)sp2 小于 sp2 平面三角形 (2)sp3 角形
【方法规律】杂化分子的键角与杂化类型的关系根据价电子对互斥理论的基本内容:分子中的价电子对——成键电子对和孤电子对由于相互排斥作用,尽可能趋向彼此远离。(1)当中心原子的价电子全部参与成键时,为使价电子斥力最小,就要求尽可能采取对称结构。(2)当中心原子的价电子部分参与成键时,未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同,从而影响分子的空间构型。
(3)电子对之间的夹角越大,相互之间的斥力越小。(4)成键电子对之间斥力由大到小顺序:三键—三键>三键—双键>双键—双键>双键—单键>单键—单键。(5)含孤电子对的斥力由大到小顺序:孤电子对—孤电子对>孤电子对—单键>单键—单键。
【探究训练】1.(改编)三氟化氮(NF3)在微电子工业中有重要用途,其分子的空间构型和中心原子的杂化方式为( )A.直线形、sp杂化B.平面三角形、sp2杂化C.三角锥形、sp2杂化D.三角锥形、sp3杂化
【解析】选D。(1)NF3分子中氮原子价电子对数=3+ (5-3)=4 氮原子价电子对空间构型为四面体形 NF3为三角锥形。(2)NF3分子中,氮原子杂化轨道数= =4 氮原子杂化轨道(sp3杂化)
2.(双选)若ABn的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对,下列说法正确的是( )A.若n=2,则分子的空间构型为角形B.若n=3,则分子的空间构型为平面三角形C.若n=4,则分子的空间构型为正四面体形D.以上说法都不正确【解析】选B、C。若中心原子A上没有未用于成键的孤电子对,则根据斥力最小的原则,当n=2时,分子的空间结构为直线形;n=3时,分子的空间结构为平面三角形;n=4时,分子的空间结构为正四面体形。
1.下列分子或离子的中心原子带有一对孤电子对的是( )A.H2OB.AlCl3C.CH4D.PCl3【解析】选D。将选项中各物质的未知数据代入公式:中心原子上的孤电子对数= ×(a-xb),经计算知,选项中心原子上的孤电子对数依次为2、0、0、1。
2.(双选)短周期主族元素A、B可形成AB3分子,下列有关叙述正确的是( )A.若A、B为同一周期元素,则AB3分子一定为平面正三角形B.若AB3分子中的价电子个数为24个,则AB3分子可能为平面正三角形C.若A、B为同一主族元素,则AB3分子一定为三角锥形D.若AB3分子为三角锥形,则AB3分子可能为NH3【解析】选B、D。A项,若为PCl3,则分子为三角锥形,错误;B项,BCl3满足要求,其分子为平面正三角形,正确;C项,若分子为SO3,则为平面正三角形,错误;D项,分子可能为NH3,也可能为NF3等,正确。
3.(2020·烟台高二检测)下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )A.CO2与SO2B.CH4与NH3C.BeCl2与BF3D.C2H4与C2H2【解析】选B。本题考查常见分子中中心原子的原子杂化轨道类型。CO2、BeCl2、C2H2属于sp杂化;CH4、NH3属于sp3杂化;SO2、BF3、C2H4属于sp2杂化。B正确。
4.次氯酸是被广泛用于游泳池的含氯消毒剂产品。 已知它的分子结构式为H—O—Cl,下列有关说法正确的是( )A.O原子发生sp杂化B.O原子与H、Cl都形成σ键C.该分子为直线形分子D.该分子电子式是
【解析】选B。HClO分子的结构式为H—O—Cl,O原子应为sp3杂化,形成4个杂化轨道,其中有2个孤电子对,另2个杂化轨道分别与H原子和Cl原子各形成1个σ键。因为O原子是sp3杂化,所以分子构型为角形,其电子式为 ,故B项正确。
5.(2020·山东等级考)B3N3H6(无机苯)的结构与苯类似,也有大π键。下列关于B3N3H6的说法错误的是( )A.其熔点主要取决于所含化学键的键能B.形成大π键的电子全部由N提供C.分子中B和N的杂化方式相同D.分子中所有原子共平面
【解析】选A。无机苯是分子晶体,其熔点主要取决于分子间的作用力,A错误;B原子最外层3个电子,与其他原子形成3个σ键,N原子最外层5个电子,与其他原子形成3个σ键,还剩余2个电子,故形成大π键的电子全部由N原子提供,B正确;无机苯与苯为等电子体,分子中含有大π键,故分子中B、N原子的杂化方式为sp2杂化,C正确;无机苯与苯为等电子体,分子中含有大π键,故分子中B、N原子的杂化方式为sp2杂化,所以分子中所有原子共平面,D正确。
6.(2020·无锡高二检测)甲醛已经被世界卫生组织认定为一类致癌物。如图所示是甲醛分子的模型。根据该图和所学化学键知识回答下列问题: (1)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断,其中正确的是______(填序号)。 ①单键 ②双键 ③σ键 ④π键 ⑤σ键和π键(2)甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角______(填“=”“>”或“<”)120°,出现该现象的主要原因是______________________。
【解析】(1)醛类分子中都含有羰基(C==O),所以甲醛分子中的碳氧键是双键。一般来说,双键是σ键和π键的组合。(2)由于碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强,所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°。答案:(1)②⑤ (2)< 碳氧双键中存在π键,它对C—H键的排斥作用较强
7.(2020·烟台高二检测)氮可以形成多种离子,如N3-、 、 、 、 等,已知 与 是由中性分子结合质子形成的,类似于 ,因此有类似于 的性质。(1)写出 在强碱性溶液中反应的离子方程式_______________________.(2) 的电子式为____________。 (3) 有________个电子。(4)写出两种由多个原子组成的含有与 电子数相同的物质的化学式_____。
(5)互为等电子体的微粒往往具有相似的结构,试预测 的构型__________。(6)据报道,美国科学家卡尔·克里斯特合成了一种名为“N5”的物质,由于其具有极强的爆炸性,又称为“盐粒炸弹”。迄今为止,人们对它的结构尚不清楚,只知道“N5”实际上是带正电荷的分子碎片,其结构是对称的,5个N排成角形。如果5个N结合后都达到8电子结构,且含有2个N≡N键。则“N5”分子碎片所带电荷是__________。
【解析】(1) 是由中性分子 N2H4 结合2个质子形成的,故 相当于二元酸,在碱性溶液中反应的离子方程式为 +2OH-====N2H4+2H2O;(2) 的电子式为 (3)1个N含有7个电子,故 有22个电子;(4)含有22个电子的多原子物质有N2O、CO2、CNO-、BeF2、C3H4等;(5) 与CO2互为等电子体,CO2为直线形分子,故可认为 的构型为直线形;(6)N5结构是对称的,5个N排成角形,5个N结合后都达到8电子结构,且含有2个N≡N键,满足条件的结构为 故“N5”带一个单位正电荷。
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