第十二章第2讲

第2讲分子结构与性质[考纲要求]1.了解共价键的形成，能用键能、键长、键角等说明简单分子的某些性质。2.了解杂化轨道理论及常见的杂化轨道类型(sp、sp2、sp3)。3.能用价层电子对互斥理论或者杂化轨道理论推测常见的简单分子或离子的空间结构。4.了解化学键和分子间作用力的区别。5.了解氢键的存在对物质性质的影响，能列举含有氢键的物质。考点一共价键1．本质在原子之间形成共用电子对(电子云的重叠)。2．特征具有饱和性和方向性。3．分类分类依据类型形成共价键的原子轨道重叠方式σ键电子云“头碰头”重叠π键电子云“肩并肩”重叠形成共价键的电子对是否偏移极性键共用电子对发生偏移非极性键共用电子对不发生偏移原子间共用电子对的数目单键原子间有一对共用电子对双键原子间有两对共用电子对三键原子间有三对共用电子对特别提醒(1)只有两原子的电负性相差不大时，才能形成共用电子对，形成共价键，当两原子的电负性相差很大(大于1.7)时，不会形成共用电子对，而形成离子键。(2)同种元素原子间形成的共价键为非极性键，不同种元素原子间形成的共价键为极性键。4．键参数(1)概念(2)键参数对分子性质的影响①键能越大，键长越短，分子越稳定。②5．等电子原理原子总数相同，价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征，它们的许多性质相似，如CO和N2。深度思考1．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”(1)共价键的成键原子只能是非金属原子(×)(2)在任何情况下，都是σ键比π键强度大(×)(3)在所有分子中都存在化学键(×)(4)分子的稳定性与分子间作用力的大小无关(√)(5)σ键比π键的电子云重叠程度大，形成的共价键强(√)(6)s­sσ键与s­pσ键的电子云形状对称性相同(√)(7)σ键能单独形成，而π键一定不能单独形成(√)(8)σ键可以绕键轴旋转，π键一定不能绕键轴旋转(√)(9)碳碳三键和碳碳双键的键能分别是碳碳单键键能的3倍和2倍(×)(10)键长等于成键两原子的半径之和(×)(11)所有的共价键都有方向性(×)2．试根据下表回答问题。某些共价键的键长数据如下所示：共价键键长(nm)C—C0.154C===C0.134C≡C0.120C—O0.143C===O0.122N—N0.146N===N0.120N≡N0.110根据表中有关数据，你能推断出影响共价键键长的因素主要有哪些？其影响的结果怎样？答案原子半径、原子间形成的共用电子对数目。形成相同数目的共用电子对，原子半径越小，共价键的键长越短；原子半径相同，形成共用电子对数目越多，键长越短。题组一用分类思想突破化学键的类别1．在下列物质中：①HCl、②N2、③NH3、④Na2O2、⑤H2O2、⑥NH4Cl、⑦NaOH、⑧Ar、⑨CO2、⑩C2H4(1)只存在非极性键的分子是__________；既存在非极性键又存在极性键的分子是__________；只存在极性键的分子是__________。(2)只存在单键的分子是__________，存在三键的分子是__________，只存在双键的分子是__________，既存在单键又存在双键的分子是__________。(3)只存在σ键的分子是__________，既存在σ键又存在π键的分子是__________。(4)不存在化学键的是__________。(5)既存在离子键又存在极性键的是__________；既存在离子键又存在非极性键的是__________。答案(1)②⑤⑩①③⑨(2)①③⑤②⑨⑩(3)①③⑤②⑨⑩(4)⑧(5)⑥⑦④1.在分子中，有的只存在极性键，如HCl、NH3等，有的只存在非极性键，如N2、H2等，有的既存在极性键又存在非极性键，如H2O2、C2H4等；有的不存在化学键，如稀有气体分子。2．在离子化合物中，一定存在离子键，有的存在极性共价键，如NaOH、Na2SO4等；有的存在非极性键，如Na2O2、CaC2等。3．通过物质的结构式，可以快速有效地判断键的种类及数目；判断成键方式时，需掌握：共价单键全为σ键，双键中有一个σ键和一个π键，三键中有一个σ键和两个π键。题组二键参数的应用2．结合事实判断CO和N2相对更活泼的是____________，试用下表中的键能数据解释其相对更活泼的原因：____________________。COC—OC===OC≡O键能(kJ·mol－1)357.7798.91071.9N2N—NN===NN≡N键能(kJ·mol－1)154.8418.4941.7答案CO断开CO分子的第一个化学键所需要的能量(273.0kJ·mol－1)比断开N2分子的第一个化学键所需要的能量(523.3kJ·mol－1)小解析由断开CO分子的第一个化学键所需要的能量[(1071.9－798.9)kJ·mol－1＝273.0kJ·mol－1]比断开N2分子的第一个化学键所需要的能量[(941.7－418.4)kJ·mol－1＝523.3kJ·mol－1]小，可知CO相对更活泼。3．NH3分子的空间构型是三角锥形，而不是正三角形的平面结构，解释该事实的充分理由是()A．NH3分子是极性分子B．分子内3个N—H键的键长相等，键角相等C．NH3分子内3个N—H键的键长相等，3个键角都等于107°D．NH3分子内3个N—H键的键长相等，3个键角都等于120°答案C解析A项，NH3为极性分子不能说明NH3一定为三角锥形；B项，三条N—H键键能与键长分别相同，键角相等仍有可能为正三角形；D项与事实不符。分子的空间构型与键参数键长、键能决定了共价键的稳定性，键长、键角决定了分子的空间构型，一般来说，知道了多原子分子中的键角和键长等数据，就可确定该分子的空间几何构型。题组三等电子原理应用4．已知CO2为直线形结构，SO3为平面正三角形结构，NF3为三角锥形结构，请推测COS、CO2－3、PCl3的空间结构。答案COS为直线形结构；CO2－3为平面正三角形结构；PCl3为三角锥形结构。解析COS与CO2互为等电子体，其结构与CO2相似，所以其为直线形结构；CO2－3与SO3互为等电子体，结构相似，所以CO2－3为平面正三角形结构；PCl3与NF3互为等电子体，结构相似，所以PCl3为三角锥形结构。5．1919年，Langmuir提出等电子原理：原子数相同、电子总数相同的分子，互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。(1)根据上述原理，仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是________和________；________和________________________。(2)此后，等电子原理又有所发展。例如，由短周期元素组成的微粒，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体，它们也具有相似的结构特征。在短周期元素组成的物质中，与NO－2互为等电子体的分子有________、________。答案(1)N2CON2OCO2(2)SO2O3解析(1)仅由第二周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，如：N2与CO电子总数均为14个电子，N2O与CO2电子总数均为22个电子。(2)依题意，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，即可互称为等电子体，NO－2为三原子，各原子最外层电子数之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也为三原子，各原子最外层电子数之和为6×3＝18。记忆等电子体，推测等电子体的性质1．常见的等电子体汇总微粒通式价电子总数立体构型CO2、CNS－、NO＋2、N－3AX216e－直线形CO2－3、NO－3、SO3AX324e－平面三角形SO2、O3、NO－2AX218e－V形SO2－4、PO3－4AX432e－正四面体形PO3－3、SO2－3、ClO－3AX326e－三角锥形CO、N2AX10e－直线形CH4、NH＋4AX48e－正四面体形2.根据已知的一些分子的结构推测另一些与它等电子的微粒的立体结构，并推测其物理性质。(1)(BN)x与(C2)x，N2O与CO2等也是等电子体；(2)硅和锗是良好的半导体材料，他们的等电子体磷化铝(AlP)和砷化镓(GaAs)也是很好的半导体材料；(3)白锡(β­Sn2)与锑化铟是等电子体，它们在低温下都可转变为超导体；(4)SiCl4、SiO4－4、SO2－4的原子数目和价电子总数都相等，它们互为等电子体，中心原子都是sp3杂化，都形成正四面体形立体构型。特别提醒等电子体结构相同，物理性质相近，但化学性质不同。考点二分子的立体结构1．价层电子对互斥理论(1)价层电子对在球面上彼此相距最远时，排斥力最小，体系的能量最低。(2)孤电子对的排斥力较大，孤电子对越多，排斥力越强，键角越小，填写下表空白内容。电子对数成键对数孤电子对数电子对立体构型分子立体构型实例键角220直线形直线形BeCl2180°330三角形平面正三角形BF3120°21V形SnBr2105°440正四面体形正四面体形CH4109°28′31三角锥形NH3107°22V形H2O105°2.杂化轨道理论当原子成键时，原子的价电子轨道相互混杂，形成与原轨道数相等且能量相同的杂化轨道。杂化轨道数不同，轨道间的夹角不同，形成分子的空间结构不同。3．配位键(1)孤电子对分子或离子中没有跟其他原子共用的电子对称孤电子对。(2)配位键①配位键的形成：成键原子一方提供孤电子对，另一方提供空轨道形成共价键。②配位键的表示：常用“―→”来表示配位键，箭头指向接受孤电子对的原子，如NH＋4可表示为[]＋，在NH＋4中，虽然有一个N—H键形成过程与其他3个N—H键形成过程不同，但是一旦形成之后，4个共价键就完全相同。(3)配合物如[Cu(NH3)4]SO4配位体有孤电子对，如H2O、NH3、CO、F－、Cl－、CN－等。中心原子有空轨道，如Fe3＋、Cu2＋、Zn2＋、Ag＋等。深度思考填表，VSEPR模型和分子(离子)立体模型与中心原子杂化类型的确定。化学式孤电子对数(a－xb)/2σ键电子对数价层电子对数VSEPR模型名称分子或离子的立体模型名称中心原子杂化类型ClO－314四面体形直线形sp3HCN022直线形直线形spCH≡CH直线形spH2S224四面体形V形sp3SO2123平面三角形V形sp2SO3033平面三角形平面三角形sp2NO－3033平面三角形平面三角形sp2HCHO033平面三角形平面三角形sp2NCl3134四面体形三角锥形sp3H3O＋134四面体形三角锥形sp3ClO－3134四面体形三角锥形sp3CH4044正四面体形正四面体形sp3PO3－4044正四面体形正四面体形sp3CH2===CH2平面形sp2C6H6平面六边形sp2CH3COOHsp3，sp2特别提醒(1)价层电子对互斥理论说明的是价层电子对的立体构型，而分子的立体构型指的是成键电子对的立体构型，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。如：中心原子采取sp3杂化的，其价层电子对模型为四面体形，其分子构型可以为四面体形(如CH4)，也可以为三角锥形(如NH3)，也可以为V形(如H2O)。(2)价层电子对互斥理论能预测分子的几何构型，但不能解释分子的成键情况，杂化轨道理论能解释分子的成键情况，但不能预测分子的几何构型。两者相结合，具有一定的互补性，可达到处理问题简便、迅速、全面的效果。(3)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同，中心原子杂化类型相同时孤电子对数越多，键角越小。(4)杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同，但能量不同。题组一价层电子对互斥理论、杂化轨道理论的综合考查1．下列关于杂化轨道的叙述中，不正确的是()A．分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子不一定为正四面体结构B．杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对C．H2SO4分子中三种原子均以杂化轨道成键D．N2分子中N原子没有杂化，分子中有1个σ键、2个π键答案C解析H2O分子中的中心原子O为sp3杂化，H2O的空间构型为V形；H2