1、4.1 分子构型与物质的性质 学案（苏教版选修3）背景链接现代化学键理论 随着20世纪以来各种物理实验方法的发展，人们对电子、原子等微观粒子运动规律的认识不断深入。1990年普朗克提出能量量子理论，冲破了经典物理学中能量连续变化的框框。1911年卢瑟福提出了行星绕日的原子模型。在这些实验和理论的基础上，1913年玻尔提出著名的原子结构模型，它能很好地解释氢原子定态结构和光谱，但在研究多电子原子或分子时，得不到满意解释。1923年德布罗意对光具有波粒二象性的假设，于1927年被戴维森电子衍射实验证实。1926年薛定谔提出了波动方程，将电子波动性用函数来描写。1927年海特勒与伦敦在解薛定谔方程式
2、时，经假设、光谱证明：H2中的两个电子是自旋反平行的一对，两个氢原子结合成稳定的氢分子，是由于电子分布主要集中在两个原子核之间；从而产生了新的化学键概念。为了阐明共价键的形成，20世纪30年代初期建立两种化学键理论：一种是价键理论，另一种是分子轨道理论。知识链接1.化学键相邻的原子之间强烈的相互作用。（1）原子是广义上的原子，既包括中性原子，也包括带电原子或原子团。（2）相邻原子间的相互作用。物质内不相邻的原子间也有相互作用，它们之间的相互作用不是化学键。（3）原子间强烈的相互作用。如果物质内相邻的两个原子间的作用很弱，如氦气中相邻的氦原子之间的作用，就不是化学键。2.共价键原子之间通过共用电
3、子对所形成的相互作用。（1）共用电子对：共用电子对可以是两原子共同提供的，也可以是某原子单方面提供的，可位于两原子中间，也可以产生偏向和偏离。（2）共价键可以存在于单质分子中，如H2中；但单质分子中不一定存在共价键，如He分子中，共价键还要存在于化合物分子之中，如HCl中。（3）共价化合物中一定有共价键，离子化合物中可能存在共价键（如NH4Cl），也可能不存在共价键（如NaCl）。酸不论强弱，分子中只存在共价键，不存在离子键。3.非极性键和极性键（1）非极性键：共用电子对不偏向任何一个成键原子而形成的共价键。同种元素原子间的共价键通常是非极性键。非极性键可能存在于单质分子、化合物分子、离子化合
4、物中。（2）极性键：共用电子对偏向（或偏离）某个成键原子而形成的共价键。不同种元素原子间的共价键通常是极性键。疏导引导知识点1：分子的空间构型1.杂化和杂化轨道 杂化是指在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道。这种轨道重新组合的过程叫做杂化，所形成的新轨道就称为杂化轨道。2.杂化过程及杂化轨道类型（1）杂化过程杂化轨道理论认为在形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。（2）杂化轨道的类型对于非过渡元素，由于ns、np能级比较接近，往往采用sp型杂化。对于过渡元素，（n-1）d、ns、np能级比较接近，常常采用dsp型杂化。sp型杂
5、化，又分为sp杂化、sp2杂化、sp3杂化。dsp型杂化分为dsp2、dsp3、d2sp2等。3.典型分子的杂化过程及立体构型（1）sp型杂化：一个ns轨道和一个np轨道间的杂化，杂化后得到两个sp杂化轨道，且杂化轨道间的夹角是180，呈直线形。如BeCl2、CHCH分子的形成。BeCl2:Be原子的电子排布为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，与氯原子的具有一个单电子的3p轨道重叠形成两个键。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形的。请参看过程图：Be原子sp
6、杂化过程 两个sp杂化轨道 BeCl2分子中键CHCH：碳原子的电子排布为1s22s22p2，在形成CHCH分子时，碳原子2s轨道上的一个电子受激发跃迁到2p空轨道，一个2s轨道和一个2p轨道杂化形成2个sp杂化轨道，且各有一个单电子，呈直线形；剩余的2个各具有1个电子的2p轨道未参加杂化，则垂直于两个sp杂化轨道形成的直线，每个碳原子的两个sp杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道形成1个键，各自剩余的1个sp杂化轨道相互形成一个键，而各自没有参与杂化的2个2p轨道以垂直于前面3个键所在的直线“肩并肩”形成2个键，从而形成CHCH分子。分子中的键角为180，呈直线形。见下图：C原子sp杂化过程
7、乙炔分子中的键 乙炔分子中的键（2）sp2型杂化：一个ns轨道和两个np轨道间的杂化，杂化后得到三个sp2杂化轨道，且杂化轨道间的夹角是120，呈平面三角形。如BF3、C2H4分子的形成。BF3：B原子的电子排布为1s22s22p1。在形成BF3分子时，B原子2s轨道上的一个受到激发跃迁到2p空轨道上，1个2s轨道和2个2p轨道杂化，得到3个sp2杂化轨道，且各有一个未成键电子，分别与氟原子的2p轨道重叠形成三个键。从而形成了BF3分子，分子中的键为120，呈平面三角形。见下图:B原子sp2杂化过程 三个sp2杂化轨道 BF3分子中的键C2H4：在C2H4分子的形成过程中，每个碳原子2s轨道中
8、的1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上，1个2s轨道和2个2p轨道杂化，形成能量相等、成分相同的3个sp2杂化轨道，且各有一个未成键电子，呈正三角形；剩余的1个2p轨道未参加杂化且垂直于这个三角形，每个碳原子的2个sp2杂化轨道分别与2个H原子的1s轨道形成2个相同的键，各自剩余的1个sp2杂化轨道相互形成一个键，而各自没有参与杂化的1个2p从垂直于5个键所在的平面“肩并肩”形成一个键，从而形成C2H4分子，分子中键角约为120。如下图：C原子sp2杂化过程 三个sp2杂化轨道 C2H4分子中的键 C2H4分子中的键（3）sp3型杂化：一个ns轨道和三个np轨道间的杂化，杂化后得到四个sp3杂化
9、轨道，且轨道间的夹角是109.5,呈正四面体型，如CH4分子的形成。在CH4分子的形成过程中，碳原子2s轨道中的1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上，1个2s轨道和3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道，且各有一个未成键电子，在空间呈正四面体型，4个sp3杂化轨道分别与H原子的1s轨道重叠形成4个相同的键，从而形成了键角为109.5，空间构型为正四面体型的CH4分子。如下图：C原子SP3杂化过程 四个sp3杂化轨道 CH4分子中的键（4）苯分子的杂化过程及立体构型 C6H6：苯分子形成过程中，每个碳原子2s轨道上的1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上，1个2s轨道和2个2p轨道杂化形成3个sp2
10、杂化轨道，剩余的1个2p轨道未参加杂化，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电子配对形成键。与此同时，未参加杂化的2p轨道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，形成含有六个电子，属于六个原子的键。这样，就形成了键角为120呈平面正六边形的苯分子。见下图： 苯分子中的键 苯分子中碳原子的2p轨道知识点2：确定分子空间构型的方法（了解）1.价电子对互斥理论 为了预测分子和离子的立体构型，
11、提出了价电子对互斥理论，其基本观点是：分子中的价电子对（包括成键电子对和孤对电子）由于相互排斥作用，尽可能趋向彼此远离。 若n个价电子对全部是成单键的电子对，为使价电子对之间的斥力最小，就要求尽可能采取对称的结构。因此，当n=2、3、4、5、6时，分子构型分别为直线形、三角形、正四面体、三角双锥和正八面体。对于ABm型分子（A是中心原子，B是配位原子），分子的价电子对数可以通过下式确定： n=其中，中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数，配位原子中卤素原子、氢原子各提供1个价电子，氧原子和硫原子按不提供价电子计算。 当价电子对包含m个孤电子对，而且成键电子对中也有多重键时，由于它们之间的
12、斥力不同，会对分子的构型产生影响。通常，斥力大小顺序可定性地表示为：叁键叁键叁键双键双键双键双键单键单键单键。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。例如CH4、NH3、H2O这三种分子的m+n=4，因此应该按四面体方向排布价电子对，但由于孤电子对排斥力大，使得NH3分子中的键角为107.3，H2O分子中的键角为104.5。2.等电子原理 电子总数或价电子总数相同且原子总数相同的分子或离子具有相同的结构特征。几种常见的等电子体：(1)二原子10电子：N2、CO、NO+、CN-微粒中都含共价键。(2)三原子16电子：CO2、BeCl2、SCN-、都是直线形。（3）四原子24电子：
13、、BF3都是平面三角形。（4）五原子8电子：CH4、SiH4都是正四面体型。 知识点3：关于分子极性的判断规则1.双原子分子是否有极性与化学键是否有极性一致(1)由非极性键结合的双原子分子是非极性分子。（2）由极性键结合而成的双原子分子是极性分子。2.多原子分子是否有极性，与原子结构和分子空间构型有关(1)常见的多原子分子，若中心原子的价电子全部参与成键，形成的分子空间构型往往是对称的，该分子是非极性分子，如CO2、CS2、BF3、CH4、CCl4、C2H2、C2H4、C6H6等。(2)若中心原子有不参与成键的电子，形成的分子空间构型往往是不对称的，其分子是极性分子，如H2O、H2S、SO2、
14、NH3等。(3)空间结构对称，但化学键不等性的分子也是极性分子，如CH3Cl、等。活学巧用1.下列关于杂化轨道说法错误的是（ ）A.所有原子轨道都参与杂化 B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化C.杂化轨道能量集中，有利于牢固成键 D.杂化轨道中一定有一个电子解析：参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，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B对；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更大，形成牢固的化学键，故C对；并不是所有的杂化轨道中都会有电子，也可以是空轨道（如一些配位化合物的形成）；也可以有一对孤对电
15、子（如NH3、H2O的形成），故D错。答案：AD2.s轨道和p轨道杂化的类型不可能有（ ）A.sp杂化 B.sp2杂化 C.sp3杂化 D.sp4杂化解析：np轨道有三个:npx、npy、nPz,当s轨道和p轨道杂化时只有三种类型：sp杂化：即一个s轨道和一个p轨道的杂化。sp2杂化：即一个s轨道和两个p轨道的杂化。sp3杂化：即一个s轨道和三个p轨道的杂化。答案：D3.下列分子构型中以sp3杂化轨道成键的是（ ）A.直线形 B.平面三角形 C.三角锥形 D.四面体型解析：杂化轨道的空间构型为：sp杂化轨道：直线形；sp2杂化轨道：平面三角形；sp3杂化轨道：四面体型。答案：D4.下列分子构型
16、是平面正三角形的是（ ）A.PH3 B.SiH4 C.BeCl2 D.BCl3解析：判断分子的构型，主要看分子中中心原子是如何成键的。PH3分子中中心原子P的电子排布为1s22s22p63s23p3，形成PH3分子时，采取sp3杂化，得到4个sp3杂化轨道，且有一个杂化轨道上有一对孤对电子，三个杂化轨道上分别有一个未成键电子与氢原子的1s轨道重叠形成三个键，由于孤对电子与成键电子对之间的排斥作用，故PH3为三角锥型分子。SiH4分子中的中心原子Si与C同主族，即SiH4和CH4成键类似，故SiH4为正四面体型。BeCl2分子中中心原子Be采取sp杂化，故BeCl2分子为直线形，BCl3分子中中
17、心原子B采取sp2杂化，F、Cl同主族，即BCl3与BF3分子成键类似，故BCl3为平面三角形。答案：D5.下列分子或晶体均不包含正四面体结构的是（ ）二氧化碳 晶体硅 金刚石 甲烷 白磷 氨气A. B. C. D.解析：二氧化碳是直线形分子，两个碳原子对称地位于碳原子的两侧，是极性键，非极性分子。晶体硅的结构与金刚石的结构相似，每个Si原子与周围的四个Si原子以共价键结合成正四面体型，整个晶体在空间形成网状结构。甲烷分子中中心原子碳采取sp3杂化，形成正四面体结构的CH4分子。白磷是4个磷原子结合而成的分子（P4），4个磷原子构成中空的正四面体结构。氨分子中中心原子N采取sp3杂化，但由于其
18、中一个sp3杂化轨道上有一对孤电子对，所以NH3分子呈三角锥形，氮原子位于锥顶，三个氢原子位于锥底，氨分子中含极性键，属极性分子。综上所述，除外，都含有正四面体结构。答案：C6.请完成下列表格的填空：单原子分子双原子分子三原子分子四原子分子五原子分子分子He、NeH2HClH2OCO2BF3NH3CH4CH3Cl键的极性键角空间构型分子极性根据以上分析结果，试推测以上哪些物质易溶于水？_。解析：本题着重考查分子的极性与键的极性以及分子空间构型之间的关系，由非极性键构成的分子一般都是非极性分子。由极性键构成的分子，若能空间对称，分子中电荷能不显电性，分子则无极性，这样的空间对称有三种：一是直线形
19、对称，键角为180,常见的分子有CO2、CS2、C2H2等；二是平面对称，键角为120，分子构型为平面正三角形，常见的分子有BF3、BBr3等；三是立体对称，键角为109.5，分子构型为正四面体，常见有CH4、CCl4、SiH4等。根据相似相溶原理，易溶于水的有HCl、NH3、H2O。答案：单原子分子双原子分子三原子分子四原子分子五原子分子分子He、NeH2HClH2OCO2BF3NH3CH4CH3Cl键的极性非极性键极性键极性键极性键极性键极性键极性键极性键键角104.5180120107.3109.5空间构型直线形直线形V形直线形平面正三角形三角锥形正四面体四面体分子极性非极性非极性极性极
20、性非极性非极性极性非极性极性7.下列粒子属于等电子体的是（ ）A.CH4和 B.NO和O2 C.和H3O+ D.HCl和H2O解析：电子数相等的粒子叫等电子体。A中电子数都为10；B中电子数分别为15、16，C中电子数分别为9、10；D中电子数分别为18、10。答案：A8.根据等电子原理，下列微粒与结构相同的是（ ）A. B.BF3 C. D.CH4解析：等电子原理：具有相同价电子数（指全部电子总数或价电子总数）和相同原子数的分子或离子具有相同的结构特征。电子总数为10，原子总数为5，而A、B、C中粒子的电子总数都为32，原子数都为4，只有D中电子总数为10，原子总数为5，故和CH4的结构相同
21、。答案：D9.下列各分子中，是极性分子的为（ ）A.BeCl2 B.BF3 C.NF3 D.C2H4解析：BeCl2中Be以sp两个杂化轨道与2个Cl原子形成2个键，ClBeCl分子构型为直线形，所以是非极性分子；BF3中B原子以sp2 3个杂化轨道与3个F形成三个键，分子构型为平面正三角形，所以是非极性分子；NF3分子和NH3分子结构相似，为三角锥形，所以是极性分子；C2H4中的每个C原子都以3个sp2杂化轨道形成3个键，两个C原子各以1个没有杂化的p轨道形成键，C2H4形成平面形结构，正负电荷重心重合，是非极性分子。答案：C10.判断AB2分子是极性分子的主要依据（ ）A.分子中存在极性键
22、则一定是极性分子B.直线形分子，两个AB键的夹角为180C.非直线形分子，两个AB键的夹角小于180D.分子中存在离子键则一定是极性分子解析：判断由极性键构成的化合物是否属于极性分子，主要看分子中电荷分布是否对称，不对称则表明键的极性不能相互抵消，分子为极性分子，相反，若电荷分布对称则表明键的极性相互抵消，分子为非极性分子。因此，A选项无法肯定；B选项AB键的夹角为180，BAB呈直线形结构，故电荷分布均匀，键的极性相互抵消，属于非极性分子。C选项由于AB键的夹角小于180，即呈折线形结构，故电荷分布不均匀，键的极性不能相互抵消，属于极性分子，D选项中离子键与分子是否有极性无关。答案：C11.
23、下列关于四氯化碳的叙述中正确的是（ ）A.通常情况下CCl4是无色气体 B.CCl4分子是含有极性键的非极性分子C.CCl4在空气中易燃烧生成CO2 D.CCl4易溶于水，不能从碘水中萃取碘解析：CCl4在通常情况下是油状液体，故A错，它不易燃烧，可以用来作灭火剂，故C错，CCl4是非极性分子，难溶于水，可用来萃取碘水中的I2，D错。答案：B12.下列分子中，属于含有极性键的非极性分子的一组是（ ）A.C2H4、C2H2、C6H6 B.CH4、CCl4、CO2C.Cl2、H2、N2 D.NH3、H2O、SO2解析：单质分子一般都是非极性分子，且化学键为非极性键，不符合题目要求，故不选C。多原子
24、分子的极性主要取决于分子的空间结构，A中三个分子都是平面形结构，正负电荷重心都重合，属于非极性分子，且CH键为极性键，故选A；B中CH4、CCl4为正四面体结构的非极性分子，含有CH和CCl极性键，CO2为直线形结构的非极性分子，含有CO极性键，故选B。D中三分子结构分别为三角锥形、V形、折线形，正负电荷重心不重合，属于极性分子，故不选D。答案：AB13.2000年1月底，罗马尼亚一金矿污水处理池因连降暴雨而发生裂口，100 000 L含氰化物和铅、汞等重金属的污水流入蒂萨河（多瑙河支流），造成该河90%以上的动植物死亡。这是继切诺贝利核泄漏以来，欧洲最严重的环境污染事件。氰气（CN）2和氰化
25、物都是剧毒物质，氰分子的结构式为NCCN，性质与卤素相似，下列叙述错误的是（ ）A.氰分子中，四原子共直线，是非极性分子B.氰分子中，CN键长大于CC键长C.氰气能与强碱溶液反应得到氰化物和次氰酸盐D.氰化氢在一定条件下能与烯烃发生加成反应解析：在元素周期表中，同周期元素，随着原子序数递增，原子半径减小，因此N原子半径比C原子半径小，则CN键长大于CC键长。答案：B14.下列分子有手性碳原子的是（ ）A.CH3CH2OHB.C2H4解析：手性碳原子是指当四个不同的原子或基团连接在碳原子上时，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。A中无连接四个不同原子或基团的碳，故A不选；B为也不选；C中与Cl原子连接的碳原子即为手性碳原子；D为乙酸，也无手性碳原子。答案：C
