第十一章分子结构

第十一章分子结构1.解释下列概念：(1)σ键和π键(2)极性共价键和非极性共价键、极性分子和非极性分子(3)氢键和范德华力(4)等性杂化和不等性杂化(5)成键轨道和反键轨道解:(1)σ键是s—s，s—px，px—px原子轨道以头碰头方式重叠形成的共价键，成键电子云分布在两核之间，稳定性比较大。π键是由py—py，pz—pz以肩并肩方式重叠形成的，成键电子云分布在x轴所在平面的上下两侧，π键不能单独存在，只能存在于共价双键或共价叁键中，比σ键的稳定性小，容易发生反应。(2)同种元素原子间形成的共价键，正、负电荷重心重合，这样的共价键为非极性共价键；电负性不同的两元素原子间形成的共价键，正、负电荷重心不能完全重合，一端带部分正电荷，另一端带部分负电荷，这样的共价键为极性键。以共价键形成的分子，如果分子的正、负电荷重心重合，则为非极性分子；如果分子的正、负电荷重心不能重合，这样的分子就是极性分子，分子的偶极矩大于零。分子的极性和键的极性以及分子的空间构型有关。(3)氢原子与电负性很大(如N、O、F)半径很小的原子结合以后，几乎成为裸露的质子，正电荷密度很大，可以与另一个电负性很大半径很小的原子产生强烈的相互吸引作用，这种作用力就叫做氢键。氢键有方向性和饱和性。分子间存在一种只有化学键键能的1/10—1/100的弱的作用力，最早由荷兰物理学家vanderWaals提出，故称作范德华力。包括取向力、诱导力、色散力三种。(4)原子轨道杂化后所形成的杂化轨道的成分和能量完全等同，这样的杂化就叫做等性杂化。如果原子轨道杂化以后所形成的杂化轨道的能量和成分不完全相同，这样的杂化叫做不等性杂化。如水分子、氨分子在形成时中心原子采用的就是不等性sp3杂化。(5)原子轨道线性组合形成分子轨道时，在形成的分子轨道中一半的分子轨道能量降低，叫做成键轨道。另一半的分子轨道能量升高叫做反键轨道。参加线性组合的原子轨道数和形成的分子轨道数相等。2.结合Cl2分子的形成，说明共价键形成的条件并解释为什么共价键具有方向性和饱和性。解：Cl的价电子组态为3s23p5，有一个未成对电子，若该电子处于3px轨道，在形成氯分子时，两个氯原子的3px单电子轨道相互重叠，形成一个σ键。当这两个原子轨道相互重叠时，必须按一定的空间取向，沿x轴的方向才能实现最大重叠成键，在其它方向上不能有效重叠成键，所以说共价键有方向性。形成一个共价键后，电子全部配对，没有了单电子，就不能再形成其它的共价键，这就是共价键的饱和性。3.指出下列分子中哪些是极性分子？哪些是非极性分子？HBr，CS2，CHCl3，PCl3，H2S，CCl4解：HBr为双原子分子，极性共价键，是极性分子；CS2的空间构型为直线形，结构对称，为非极性分子；CHCl3的空间构型为四面体，结构不对称，为极性分子；PCl3的空间构型为三角锥形，结构不对称，为极性分子；H2S的空间构型为V形，结构不对称，为极性分子。CCl4的空间构型为正四面体，结构对称，为非极性分子。4.试用杂化轨道理论解释为什么SiF4是正四面体形分子，而NF3却是三角锥形分子，并说明中心原子的杂化过程。解：在SiF4的形成过程中，Si的价电子组态为3s23p2，成键之前Si的一个3s电子跃迁到3p能级，然后发生sp3杂化。形成四个sp3杂化轨道，每个杂化轨道再与F的2px轨道重叠形成一个σ键。分子为正四面体。杂化过程表示如下：在NF3分子形成过程中，N的价电子组态为2s22p3，中心原子N发生不等性sp3杂化。四个杂化轨道成分和能量都不完全相同，其中有一个杂化轨道被孤对电子占据。另外的三个杂化轨道与三个F的2px轨道重叠形成三个σ键。所以分子的空间构型为三角锥形。中心原子的杂化过程表示如下：5.利用VSEPR理论预测下列分子或离子的空间构型：NH3，BF3，NF3，SO2，XeF4，CO32－，NO3－解：NH3，中心原子N的价层电子对数为4，价层电子对的空间构型为四面体。由于N的1对孤对电子占据了四面体的1个顶点，因此NH3分子的空间构型为三角锥形。BF3，中心原子B的价层电子对数为3，价层电子对的空间构型为平面三角形。由于3对价层电子全部是成键电子，因此BF3分子的空间构型为平面正三角形。NF3，中心原子N的价层电子对数为4，价层电子对的空间构型为四面体。分子中有3个键，1对孤对电子，因此NF3分子的空间构型为三角锥形。SO2，中心原子S的价层电子对数为3，价层电子对的空间构型为平面三角形。由于分子中有2对成键电子和1对孤对电子，因此SO2分子的空间构型为V形。XeF4，中心原子Xe的价层电子对数为6，价层电子对的空间构型为八面体。由于分子中有4对成键电子和2对孤对电子，由于孤对电子的排斥力强，孤对电子的夹角应为最大的180°，4个F原子则位于八面体的其他顶点上，因此XeF4（Si原子价层电子组态）↑3s3p↑↑激发↑3s3p（电子占据四个原子轨道）↑↑（四个sp3杂化轨道）杂化sp3↑↑↑↓（N原子价层电子组态）↑3s3p↑↑↑（四个sp3不等性杂化轨道）杂化sp3↑↓↓↑↑分子的空间构型为平面四方形。CO32－，中心原子C的价层电子对数为3，价层电子对的空间构型为平面三角形。由于3对电子均为成键电子，因此CO32－的空间构型为平面正三角形。NO3－，中心原子N的价层电子对数为3，价层电子对的空间构型为平面三角形。由于分子中含1个单键和2个双键，且有共振结构，无孤对电子，因此NO3－的空间构型为平面正三角形。6.指出下列化合物中成键原子可能采取的杂化类型。(1)CS2；(2)BI3；(3)SbI3；(4)CCl4解:(1)CS2分子的空间构型是直线，C原子采取sp杂化。(2)BI3分子的空间构型是平面正三角型，B原子采取sp2杂化。(3)SbI3分子的空间构型为三角锥形，Sb原子采取不等性sp3杂化。(4)CCl4分子的空间构型为正四面体，C原子原子采取sp3杂化。7.H3O+离子的中心原子O采取何种杂化类型，中心原子的价层电子对构型和离子的构型怎样？解：H3O+离子的中心原子O采取sp3不等性杂化，离子中存在2个σ键，1个配位键。价层电子对构型为四面体形，离子的构型为三角锥形。8.试用分子轨道理论说明为什么Be2不能稳定存在，而B2却为顺磁性分子?解：基态Be原子的电子构型为1s21s2，基态B原子的电子构型为1s22s22p1。按分子轨道理论，Be2的分子轨道表示式为(σ1s)2(σ1s*)2(σ2s)2(σ2s*)2，键级为0，两个Be原子不能形成共价键，因此Be2不能稳定存在。B2的分子轨道表示式为(σ1s)2(σ1s*)2(σ2s)2(σ2s*)2(π2py)1(π2pz)1，分子中有2个单电子，因此B2为顺磁性分子。键级为1，说明在两个B原子间形成共价键，且只存在的是π键。9.写出HF分子的分子轨道式，画出分子轨道图，并以此为例说明非键分子轨道概念，指出图中的非键轨道是在什么条件下形成的。解：HF分子为异核双原子分子，H原子的1s能量和F原子最外层的2p能量接近。根据对称性匹配和能量近似原则，H的1s只能和F的2p轨道组合成σ分子轨道，而F原子的其他轨道对形成HF分子没有贡献，不经过组合且保留它们原来的能量状态而直接形成分子轨道——非键分子轨道(用#标注)。因为组合成分子轨道的原子轨道的量子数不同，所以HF分子的分子轨道式写为HF[(1σ#)2(2σ#)2(3σ)2((1π#)4]。4σ#1s↑1π↑↓↑↓↑↓↑↓↓2p3σ↑↓2σ#↑↓↑↓2s1σ#↑↓↑↓1s10.为什么水的沸点比氧的同族元素(S、Se等)氢化物的沸点高得多？解：H2O分子间除了存在分子间力以外还存在分子间氢键。而H2S、H2Se中不存在分子间氢键，所以水的沸点高得多。11.下列分子结构有无产生氢键的可能？是分子内氢键还是分子间氢键？(1)NH3(2)C6H6(3)(4)解：(1)NH3中可以形成分子间氢键。(2)C6H6不能产生氢键。(3)可以产生分子间氢键。(4)可以产生分子内氢键。12.今有下列双原子分子或离子：Li2，Ne2，CO+，O2-，O2(1)写出它们的分子轨道式。(2)计算它们的键级，判断其中哪个最稳定？哪个最不稳定？(3)判断哪些分子或离子是顺磁性的？哪些是反磁性的？解:Li2[KK(σ2S)2]键级=1，分子中没有单电子，是反磁性。Ne2[KK(σ2S)2(σ*2S)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)2(π*2py)2(π*2pz)2(σ*2px)2]键级=0，分子不存在。CO+[KK(σ2S)2(σ*2S)2(π2py)2(π2pz)2(σ2px)1]键级=2.5，有1个单电子，顺磁性。O2-[KK(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)2(π*2py)2(π*2pz)1]键级=1.5，1个单电子，顺磁性。O2[KK(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)2(π*2py)1(π*2pz)1]键级=2，有2个单电子，顺磁性。最稳定的是CO+，最不稳定的是Be2。13.预测下列分子的空间构型，指出电偶极矩是否为零并判断分子的极性。SiF4、NF3、BCl3、H2S、CHCl3解：SiF4为正四面体，电偶极矩为零，非极性分子。NF3为三角锥，电偶极矩大于零，极性分子。BCl3为平面正三角形，电偶极矩为零，非极性分子。H2S为V字型，电偶极矩大于零，极性分子。CHCl3为四面体，电偶极矩大于零，极性分子。14.解释下列稀有气体的沸点数据的规律：物质各称：HeNeArKrXe沸点(K)：4.2627.2687.46120.26166.06解：HeNeArKrXe是在同一个族中，在同一主族中，元素原子半径增大是矛盾的主要方面，起主导作用，有效核电荷的增加，相对影响弱。所以，随着元素原子序数的增加，原子半径增大，色散力逐渐增大，导致了随元素原子序数增加沸点升高。15.常温下F2和Cl2为气体，Br2为液体，I2为固体，原因是什么？解：F2、Cl2、Br2、I2为卤素单质，都是非极性分子，分子间只存在色散力，它们都是主族元素，在同一主族中，随元素原子序数的增加，原子半径逐渐增大，分子的体积越来越大，色散力同样逐渐增大，这样就使得这些单质双原子分子的分子间的色散力逐渐增大，熔、沸点升高。所以，常温下F2和Cl2为气体，Br2为液体，I2为固体。16.判断下列各组分子之间存在什么形式的作用力。CHOOHOHCHOCHOOHOHCHO(1)C6H6和CCl4(2)He和H2O(3)CO2气体(4)HBr气体(5)CH3OH和H2O解：(1)C6H6和CCl4均为非极性分子，C6H6分子与CCl4分子之间只存在色散力。(2)He为非极性分子，而H2O为极性分子，He分子与H2O分子之间存在诱导力和色散力。(3)CO2为非极性分子，CO2分子之间只存在色散力。(4)HBr分子为极性分子，HBr分子之间存在取向力、诱导力和色散力。(5)CH3CH2OH和H2O均为极性分子，CH3CH2OH分子与H2O分子之间存在取向力、诱导力和色散力；此外，在CH3CH2OH分子与H2O分子之间还存在分子间氢键.17.请解释为什么冰越冻越结实，而常温下很柔软的塑料则在液氮的低温下一敲就碎？解：冰中作用力有氢键，温度越低，分子的热运动越少，氢键稳定性越高，因此温度越低冰越结实；塑料分子间作用力是范德华力，以色散力为主，温度越低，分子间作用力越小，在液氮的低温环境下，分子间作用力变得很小，所以变得易碎。