1、专题4 分子空间结构与物质性质 专题4 分子空间结构与物质性质 第一单元 分子构型与物质的性质课程标准导航1.初步认识分子空间构型、键角、极性分子、非极性分子、手性分子等概念。2.了解杂化轨道的类型（sp3、sp2、sp）,并能运用杂化轨道理论判断分子的空间构型.3.学习运用模型化思想判断分子的空间构型.4.理解物质结构与性质之间的辩证关系、性质与应用之间的纽带关系。5.认识分子的空间构型与极性的关系，能运用有关理论预测分子的极性。新知初探自学导引 自主学习一、分子的空间构型 1.杂化轨道理论(1)轨道的杂化 原子内部_的原子轨道重新组合生成与原轨道数_的一组新轨道的过程。能量相近相等(2)杂
2、化轨道 杂化后形成的新的_的一组原子轨道。(3)杂化类型 sp杂化 sp杂化轨道是由_ns轨道和_np轨道组合而成的，每个sp杂化轨道都含有s和p轨道的成分，能量相同一个一个1212杂化轨道间的夹角为_，呈_。sp2杂化 sp2杂化轨道是由_ns轨道和_np轨道组合而成的，每个sp2杂化轨道都含有s和p轨道的成分，杂化轨道间的夹角为_，呈_。180直线形一个两个120平面三角形1323sp3杂化 sp3杂化轨道是由_ns轨道和_np轨道组合而成的，每个sp3杂化轨道都含有s和 p轨道的成分，杂化轨道间的夹角为_，空间构型为_。一个三个109.5正四面体形14342.价层电子对互斥理论 分子中的
3、价电子对(包括_和_)由于_作用，而趋向于尽可能彼此远离以减小_，分子尽可能采取_的空间构型。电子对之间的夹角越大，排斥力_。3.“等电子原理”是指具有相同_和相同_具有相同的结构特征。成键电子对孤电子对相互排斥斥力对称越小价电子数原子数的分子或离子想一想 1.用杂化轨道理论分析NH3呈三角锥形的原因。提示：氨分子中的氮原子价电子的轨道表示式为 ，1个2s轨道与3个2p轨道杂化后，形成4个sp3杂化轨道，其中3个杂化轨道中是成单电子，分别与3个氢原子形成键,1个杂化轨道中是成对电子,不形成共价键。sp3杂化轨道应为正四面体构型，但由于孤电子对不形成化学键，故NH3分子为三角锥形。二、分子的极性
4、 1.键的极性与非极性：两种非金属元素之间形成化学键，如果两种元素相同，则两者之间为_，若两者不同，则形成_。2.(1)极性分子：正电荷重心和负电荷重心_的分子称为极性分子。非极性键极性键不重合(2)非极性分子：正电荷重心和负电荷重心_的分子称为非极性分子。3.“相似相溶规则”：一般情况下,由极性分子构成的物质易溶于_溶剂，由非极性分子构成的物质易溶于_溶剂。重合极性非极性想一想 2.NH3极易溶于水的原因是什么？提示：NH3和H2O均是极性分子，根据“相似相溶规则”知，两者可以相互溶解。三、手性分子 1.手性异构现象:具有完全相同的组成和原子排列的分子,如左手和右手一样互为_,在三维空间里_
5、的现象。2.手性分子：具有_的分子。3.手性碳原子：在有机物分子中，连接_的碳原子。镜像不能重叠手性异构体四个不同的原子或基团想一想 3.手性碳原子有什么特点？提示：连接四个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子。具有手性的有机物，是因为其含有手性碳原子造成的。如右图中碳原子称为手性碳原子，用*C表示，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基团。所以,判断一种有机物是否具有手性异构体,就看其含有的碳原子是否连有四个不同的原子或基团。自主体验1.下列有关乙炔分子中的化学键描述正确的是()A.乙炔为直线形 B.两个碳原子采用sp2杂化方式 C.每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道形成键 D.两个碳
6、原子之间仅形成两个键 解析：选C。乙炔分子中的两个碳原子采用sp杂化方式，形成2个sp杂化轨道，与2个H原子形成CH 键，2个碳原子各以1个sp轨道形成CC 键，又用两个未杂化的2p轨道形成2个键，碳碳之间为叁键。2.下列各组物质中，都是由极性键构成的极性分子的是()A.CH4和Br2B.NH3和H2O C.H2S和CCl4D.CO2和HCl 解析：选B。A选项中的Br2和CH4、C选项中的CCl4、D选项中的CO2都是非极性分子.3.下列化合物中含有手性碳原子的是()解析：选B。连接四个不同的原子或基团的碳原子叫手性碳原子，A选项中碳原子上连有两个氯原子和两个氟原子，B选项中有一个碳原子连有
7、氢原子、甲基、羟基、羧基四个不同的原子或基团，C、D中的每个碳原子都连有两个或两个以上相同的原子或基团.4.下列物质属于等电子体的一组是()A.CH4和NH3B.B3H6N3和C6H6C.F-和MgD.H2O和CH4解析:选B。本题主要考查对等电子体概念的理解.等电子体需具备两个条件:一是微粒的原子总数相同,二是微粒的价电子总数相同.分析可知B项正确；A项中CH4与NH3原子总数不相同；C项中F和Mg的价电子总数不相同；D项中H2O和CH4的原子总数不相同.要点突破讲练互动 探究导引1 碳原子的价电子构型为2s22p2，是由一个2s轨道和三个2p轨道组成的，用它们和4个氢原子的1s原子轨道重叠
8、，可得到正四面体构型的甲烷分子。请用杂化轨道理论解释。分子的空间构型 提示：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“混合”起来，形成能量相等，成分相同的4个sp3杂化轨道，然后4个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥，使四个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点，碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道形成4个相同的键，从而形成CH4分子。由于4个CH键完全相同，所以形成的CH4分子为正四面体形，键角是109.5。探究导引2 孤电子对和成键电子对对分子空间结构有哪
9、些影响？提示：价层电子对包含孤电子对和成键电子对。价层电子对之间存在相互排斥作用，它们总是趋向于尽可能相互远离。其相互关系可简单表示如下：(价层电子对成键电子对孤电子对)价层电子对数 2 3 4 价层电子对构型 直线形 平面三角形 正四面体形 探究导引3 CH4中的C原子和NH3中的N原子同样是发生sp3杂化，为什么两者的分子空间构型不同？提示：CH4分子中C原子无孤电子对，C原子发生sp3杂化，根据价层电子对互斥理论知，CH4为正四面体结构。NH3分子中N原子有一孤电子对，N原子发生sp3杂化，孤电子对占据一个轨道，所以NH3为三角锥形。要点归纳1.sp型三种杂化类型的比较杂化类型 sp s
10、p2 sp3 参与杂化的原子轨道 1个s轨道 1个p轨道 1个s轨道 2个p轨道 1个s轨道 3个p轨道 杂化轨道及数目 2个sp杂化轨道 3个sp2杂化轨道 4个sp3杂化轨道 杂化类型 sp sp2 sp3 杂化轨道示意图 分子结构示意图 杂化类型 sp sp2 sp3 杂化轨道间夹角 180 120 109.5 形成分子空间构型 直线形 平面三角形 正四面体形 实例 BeCl2、C2H2 BF3 CH4、CCl4 特别提醒1.杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相等，中心原子杂化类型相同时，孤电子对越多，键角越小;无孤电子对时，键角相同.2.杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相同,但能量不
11、同。3.杂化轨道应尽量占据整个空间使它们之间的排斥力最小。4.杂化轨道的类型与分子的空间构型有关.2.价层电子对数与分子空间构型的关系价层电子对数 杂化轨道类型 价电子对空间构型 孤电子对数 成键电子对数 分子空间构型 实例 2 sp 直线形 0 2 直线形 BeCl2 3 sp2 平面 三角形 0 3 平面 三角形 BF3 1 2 V形 SnCl2 价层电子对数 杂化轨道类型 价电子对空间构型 孤电子对数 成键电子对数 分子空间构型 实例 4 sp3 正四面 体形 0 4 正四面 体形 CH4 1 3 三角锥形 NH3 2 2 V形 H2O 特别提醒1.价电子对包括孤电子对和成键电子对，一般
12、孤电子对离核较近。2.价电子对之间存在相互排斥作用，为减小斥力，相互之间尽可能远离，因此分子的空间构型受到影响，一般，分子尽可能采取对称的空间结构以减小斥力。相邻电子对间斥力大小顺序：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 即时应用1.下列物质中，分子的空间结构与水分子相似的是()ACO2 BH2S CPCl3DSiCl4 解析：选B。水分子为V形，A项CO2为直线形，B项H2S为V形，C项PCl3为三角锥形，D项SiCl4为正四面体形。分子的极性 探究导引 以极性键结合的分子一定是极性分子吗？提示：不一定，分子的极性要以分子的空间结构来看，而键的键性与两原子有关。如CH
13、4分子，C与H之间为极性键，四个碳氢键在空间呈正四面体，正负中心重合，即CH4为非极性分子。要点归纳1.键的极性和分子的极性特别提醒1极性分子中一定有极性键，而非极性分子中不一定只有非极性键。例如，CH4是非极性分子，只有极性键。2含有非极性键的分子不一定为非极性分子，如H2O2是含有非极性键的极性分子。2.判断ABn型分子极性的经验规律若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子，若不等则为极性分子，如下表：分子式 中心原子 元素符号 化合价绝对值 所在主族序数 分子极性 CO2 C 4 非极性 BF3 B 3 非极性 分子式 中心原子 元素符号 化合价绝对值 所在主
14、族序数 分子极性 CH4 C 4 非极性 H2O O 2 极性 NH3 N 3 极性 SO2 S 4 极性 SO3 S 6 非极性 PCl3 P 3 极性 PCl5 P 5 非极性 即时应用2.PH3的分子构型为三角锥形；BeCl2的分子构型为直线形；CH4的分子构型为正四面体形；CO2的分子构型为直线形；BF3的分子构型为平面正三角形；NF3的分子构型为三角锥形。下面对分子极性的判断正确的是()A.为极性分子，为非极性分子B.只有为非极性分子，其余为极性分子C.只有是极性分子，其余为非极性分子D.只有是非极性分子，其余是极性分子解析：选A。CO2 分子为直线形，键的极性抵消，为非极性分子，C
15、H4 为正四面体形分子，故键的极性也可抵消，为非极性分子。NF3 中由于N原子的孤电子对对成键电子对的排斥作用，使电子不能均匀分布，故为极性分子，同理，PH3也为极性分子；BeCl2分子构型为直线形，故键的极性可抵消，为非极性分子，BF3分子构型为平面正三角形,键的极性抵消，故为非极性分子。等电子原理 探究导引NH3、H2O均为10电子，故两者为等电子体关系，正确吗？提示：不正确，等电子体含有的原子数必须相等。要点归纳等电子原理可以判断一些简单分子或离子的空间构型(1)N2、CO、CN，都是双原子的分子或离子，价电子总数为10，两个原子间都以叁键相结合，叁键中有一个键，两个键。(2)CO2、N
16、3、OCN、SCN、NO2，都是 3原子的分子或离子，价电子总数为 16，具有相同的结构，都是直线型分子，中心原子上都采取 sp 杂化轨道，形成直线形骨架，键角为180。(3)SO2、O3、NO2，都是 3 原子的分子或离子，价电子总数为18，中心原子采取 sp2杂化形式，价层电子对的理想模型为平面三角形，中心原子上有 1 对孤电子对(处于分子平面上)，分子空间结构为 V 型(或角型、折线型)。(4)CO23、NO3、SO3 等离子或分子具有 AX3的通式，价电子总数为 24，有相同的结构，都是平面三角形，中心原子上没有孤电子对而采取 sp2杂化轨道。(5)CCl4、SiCl4、SO24、Si
17、O44、PO34 等离子或分子具有 AX4 的通式，价电子总数为 32，中心原子有 4 个 键，故采取 sp3杂化形式，呈正四面体空间结构。(6)等电子体不仅有相似的空间构型，而且有相似的性质。如晶体硅、锗是良好的半导体材料，它们的等电子体AlP、GaAs也都是良好的半导体材料。即时应用3.科学家常用等电子原理来预测不同物质的结构，例如：CH4 与 NH4 有相同的价电子数目和空间构型。依此原理在下表的空格中填入相应的化学式。CH4 CO23 C2O24 NH4N2H26N2 NO2 解析：等电子体是指原子总数相等、价电子总数也相等的分子或离子。N2H26 有 8 个原子，14 个价电子，根据
18、 C 比 N 多一个价电子，并且要满足原子总数相等，则应变为中性分子，即其等电子体为 C2H6；CO23 含有 4 个原子、24 个价电子，则其等电子体为 NO3 或 BF3；N2 的等电子体为CO；C2O24 含 6 个原子、34 个价电子，将 C 变为 N，则等电子体为 N2O4；NO2 含 3 个原子、16个价电子，将 N 变为 C，即等电子体为 CO2。答案：C2H6 NO3 或 BF3 CO N2O4 CO2题型探究技法归纳 杂化轨道理论例1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BCH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子
19、的1s轨道和C原子的2p轨道混合起来而形成的Csp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相近的新轨道D凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键【思路点拨】理解sp、sp2、sp3杂化的含义。【解析】H2O、NH3中的O、N均为sp3杂化，但空间构型却分别为V形和三角锥形，故A项错误；sp3杂化是由同一个原子的1个s轨道和3个p轨道形成的一组能量相近的杂化轨道，故B项错误，C项正确。BF3中的B为sp2杂化，故D项错误。【答案】C【规律方法】sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的，sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的，sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而成的.杂化轨道不但形成共价键,还可以容纳孤电子对.分子的空间构型不考虑孤电子对占据的空间.分子空间构型例2根据价层电子对互斥理论及原子的杂化理论判断NF3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三角形 sp2杂化 C三角锥形 sp2杂化D三角锥形 sp3杂化【思路点拨】判断分子的杂化方式要计算中心原子的孤电子对数以及与中心原子相连的原子个数。【解析】在NF3分子中N原子的孤电子对数为1，与其相连的原子数为3，所以根据价层电子对互斥理论可推知中心原子的杂化方式为sp3杂化，空间构型为三角锥形，类似于NH3。