資源簡介

2.2 第1課時(shí)　一些典型分子的空間結(jié)構(gòu)與雜化軌道理論
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.了解典型的分子空間結(jié)構(gòu),能夠制作典型分子的空間模型。
2.了解雜化軌道理論,掌握常見的雜化軌道類型。
3.能夠應(yīng)用雜化軌道理論解釋典型分子的空間結(jié)構(gòu)。　
【自主預(yù)習(xí)】
1.甲烷分子的空間結(jié)構(gòu)
(1)雜化原子軌道(雜化軌道)
原子軌道
的雜化→原子內(nèi)部　　　的原子軌道重新
組合的過程
　　　　↓形成
雜化軌道→組合后形成的一組新的　　　　
的原子軌道
(2)甲烷分子中碳原子的雜化類型
(3)雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)
雜化類型 sp sp2 　　　
用于雜化的原子軌道數(shù)目 2 3 4
雜化軌道的數(shù)目 2 3 4
雜化軌道間的夾角 180° 120° 109°28'
空間結(jié)構(gòu) 　　　 　　　　 　　
實(shí)例 CH≡CH、BeCl2 CH2CH2、BF3 CH4
2.苯分子的空間結(jié)構(gòu)
(1)苯分子中碳原子的成鍵方式及空間結(jié)構(gòu)
(2)苯分子空間結(jié)構(gòu)的解釋
每個(gè)碳原子的兩個(gè)sp2雜化軌道分別與鄰近的兩個(gè)碳原子的sp2雜化軌道重疊形成　　　　鍵,于是六個(gè)碳原子組成一個(gè)　　　　　的碳環(huán);另外一個(gè)sp2雜化軌道分別與一個(gè)氫原子的　　　　軌道重疊形成σ鍵。同時(shí),還有一個(gè)與碳環(huán)平面垂直的未參與雜化的2p軌道,以“　　　　”的方式形成多原子、多電子的大π鍵。
【參考答案】1.(1)能量相近　能量相同　(2)2s　2p　相同
(3)sp3　直線形　平面三角形　正四面體形
2.(1)sp2　sp2-sp2　sp2-s　(2)σ　正六邊形　1s　肩并肩
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”)。
(1)雜化軌道數(shù)目和參與雜化的原子軌道的數(shù)目相同,但能量不同。 (　　)
(2)雜化軌道間的夾角與分子內(nèi)的鍵角不一定相同。(　　)
(3)凡是中心原子采取sp3雜化軌道成鍵的分子其空間結(jié)構(gòu)都是正四面體形。 (　　)
(4)凡AB3型的共價(jià)化合物,其中心原子A均采用sp3雜化軌道成鍵。 (　　)
(5)BCl3中的B原子采取sp2雜化,空間結(jié)構(gòu)為平面三角形。 (　　)
(6)PH3中的P原子采取sp3雜化,空間結(jié)構(gòu)為正四面體形。 (　　)
(7)有多少個(gè)原子軌道發(fā)生雜化就形成多少個(gè)雜化軌道。 (　　)
(8)雜化軌道用于形成π鍵。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√　(8)×
2.是否任意能級(jí)的s軌道和p軌道都可以形成雜化軌道
【答案】否,只有能量相近的s軌道和p軌道才可以發(fā)生雜化,形成雜化軌道。
3.硼氮苯,硼與氮形成的類似苯的化合物,分子式為B3N3H6,俗稱無機(jī)苯,又稱環(huán)硼氮六烷。下面是硼氮苯的結(jié)構(gòu)式。
根據(jù)硼氮苯的結(jié)構(gòu)式,回答以下幾個(gè)問題:
①已知硼氮苯的結(jié)構(gòu)與苯的結(jié)構(gòu)相似,均是平面正六邊形結(jié)構(gòu),則硼氮苯中N原子和B原子的軌道雜化方式是什么
【答案】均是sp2雜化。
②硼氮苯中,主要有哪幾種類型的共價(jià)鍵
【答案】主要有B與H之間的sp2-s σ鍵、N與H之間的sp2-s σ鍵、B和N之間的sp2-sp2σ鍵和一個(gè)大π鍵。
4.NH3和BCl3均符合通式AX3,但NH3分子呈三角錐形而BCl3分子呈平面正三角形,請(qǐng)解釋原因。
【答案】NH3分子中N原子上有未成鍵的孤電子對(duì),對(duì)N—H鍵有排斥作用,故呈三角錐形;BCl3分子中B原子上無孤電子對(duì),故呈正三角形。
5.分子中σ鍵和π鍵數(shù)目之比為多少 其中σ鍵采　用哪種原子軌道的重疊方式
【答案】1個(gè)該分子中含3個(gè)σ鍵和1個(gè)π鍵,故σ鍵和π鍵數(shù)目之比為3∶1;C—H鍵采用sp2-s重疊方式,CO鍵采用sp2-p重疊方式。
【合作探究】
任務(wù)1：雜化軌道與雜化軌道理論
情境導(dǎo)入　鮑林——美國著名化學(xué)家,1954年因在化學(xué)鍵方面的工作獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),1962年因反對(duì)核彈在地面測試的行動(dòng)獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)。
鮑林在探索化學(xué)鍵理論時(shí),遇到了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問題。為了解釋甲烷的正四面體結(jié)構(gòu),說明碳原子四個(gè)鍵的等價(jià)性,鮑林在1928~1931年,提出了雜化軌道的理論。
問題生成
1.寫出碳原子的價(jià)層電子排布,這些價(jià)層電子的能量是否相同
【答案】2s22p2,這些價(jià)層電子的能量不完全相同,2s軌道與2p軌道的能量不同。
2.碳原子的2s軌道的能量與2p軌道的能量是否有很大的差別
【答案】沒有很大的差別。2s軌道與2p軌道都處于第二能層,能量有差別但差別不是很大。
3.碳原子的2s軌道電子能進(jìn)入2p軌道嗎
【答案】能。2s軌道的電子激發(fā)后可以進(jìn)入2p軌道。
4.甲烷(CH4)中碳原子是如何雜化的
【答案】在CH4分子中,碳原子中的2s軌道與2p軌道形成4個(gè)等性的雜化軌道,因此碳原子最外層上的4個(gè)電子分占在4個(gè)sp3雜化軌道上并且自旋方向相同,由此可以寫出CH4中碳原子成鍵方式的示意圖為
【核心歸納】
雜化軌道理論要點(diǎn)
1.只有能量相近的原子軌道才能雜化。
2.雜化軌道數(shù)目和參與雜化的原子軌道數(shù)目相等,雜化軌道能量相同。
3.雜化改變?cè)熊壍赖男螤詈蜕煺狗较?使原子形成的共價(jià)鍵更牢固。
4.雜化軌道為使相互間的排斥力最小,故在空間取最大夾角分布,不同的雜化軌道伸展方向不同。
5.雜化軌道只用于形成σ鍵或用于容納未參與成鍵的孤電子對(duì)。
6.未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵。
7.原子軌道的雜化只有在形成分子的過程中才會(huì)發(fā)生,孤立的原子不可能發(fā)生雜化。
【典型例題】
【例1】下列關(guān)于雜化軌道的說法錯(cuò)誤的是(　　)。
A.所有原子軌道都參與雜化
B.同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化
C.雜化軌道能量集中,有利于形成較強(qiáng)的鍵
D.雜化軌道中不一定有電子
【答案】A
【解析】只有能量相近的原子軌道才能參與雜化,A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確;雜化軌道的電子云一頭大一頭小,成鍵時(shí)利用大的一頭,可使電子云重疊程度更大,形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵,C項(xiàng)正確;并不是所有的雜化軌道中都含有電子,可以是空軌道,也可以有一對(duì)孤電子對(duì)(如NH3、H2O的形成),D項(xiàng)正確。
【例2】下列有關(guān)sp2雜化軌道的說法錯(cuò)誤的是(　　)。
A.由同一能層上的s軌道與p軌道雜化而成
B.共有3個(gè)能量相同的雜化軌道
C.每個(gè)sp2雜化軌道中s能級(jí)成分占三分之一
D.sp2雜化軌道最多可形成2個(gè)σ鍵
【答案】D
【解析】同一能層上s軌道與p軌道的能量差異不是很大,相互雜化的軌道的能量差異也不能過大,A項(xiàng)正確;同種類型的雜化軌道能量相同,B項(xiàng)正確;sp2雜化軌道是由一個(gè)s軌道與2個(gè)p軌道雜化而成的三個(gè)能量相同的軌道,C項(xiàng)正確;sp2雜化軌道最多可形成3個(gè)σ鍵,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
任務(wù)2：雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系
情境導(dǎo)入　聚乙炔屬于本征導(dǎo)電聚合物,利用本征導(dǎo)電聚合物處于中性狀態(tài)和摻雜充電狀態(tài)時(shí)的顏色可逆轉(zhuǎn)換這一特性,可制成透明度可調(diào)的智能窗。夏季時(shí),智能窗調(diào)成深色,吸收部分日光,可保持室內(nèi)涼爽。冬季白天將智能窗調(diào)成透明,讓可見光和紅外線輻射進(jìn)入室內(nèi),作為取暖的熱源。冬季夜間又將智能窗調(diào)成深色,不讓室內(nèi)熱量逸散到室外,智能窗起到了保暖作用。
問題生成
已知乙炔的結(jié)構(gòu)簡式為HC≡CH,在一定條件下聚合生成聚乙炔 CHCH 。銀色的聚乙炔薄膜是純凈的反式聚乙炔,其結(jié)構(gòu)片段如圖所示。另一種與聚乙炔具有相同最簡式的有機(jī)物——立方烷,其相對(duì)分子質(zhì)量是104。此外,CH≡C—CHCH2也與乙炔的最簡式相同。
1.根據(jù)乙炔的結(jié)構(gòu)簡式HC≡CH,判斷其空間結(jié)構(gòu)和中心原子雜化類型。
【答案】直線形 ; sp雜化。
2.推測聚乙炔 CHCH 的空間結(jié)構(gòu),判斷其中心原子雜化類型。
【答案】平面形;sp2雜化。
3.根據(jù)立方烷的結(jié)構(gòu)特征,判斷碳原子的雜化類型。
【答案】sp3雜化。
4.根據(jù)CH≡C—CHCH2的結(jié)構(gòu),判斷碳原子的雜化類型。
【答案】sp雜化和sp2雜化。
【核心歸納】
1.判斷中心原子雜化軌道類型的方法
(1)根據(jù)雜化軌道數(shù)目判斷
雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對(duì),而兩個(gè)原子之間只能形成一個(gè)σ鍵,故有下列關(guān)系:雜化軌道數(shù)目=價(jià)層電子對(duì)數(shù)目=σ鍵電子對(duì)數(shù)目+中心原子的孤電子對(duì)數(shù)目,再由雜化軌道數(shù)目確定雜化類型。
雜化軌道數(shù)目 2 3 4
雜化類型 sp sp2 sp3
(2)根據(jù)雜化軌道的空間分布判斷
①若雜化軌道在空間的分布為正四面體形或三角錐形,則中心原子發(fā)生sp3雜化。
②若雜化軌道在空間的分布呈平面三角形,則中心原子發(fā)生sp2雜化。
③若雜化軌道在空間的分布呈直線形,則中心原子發(fā)生sp雜化。
(3)根據(jù)雜化軌道之間的夾角判斷
①若雜化軌道之間的夾角為109°28',則中心原子發(fā)生sp3雜化。
②若雜化軌道之間的夾角為120°,則中心原子發(fā)生sp2雜化。
③若雜化軌道之間的夾角為180°,則中心原子發(fā)生sp雜化。
(4)有機(jī)物中碳原子雜化類型的判斷:飽和碳原子采取sp3雜化,連接雙鍵的碳原子采取sp2雜化,連接三鍵的碳原子采取sp雜化。
2.中心原子雜化軌道類型與分子空間結(jié)構(gòu)的相互判斷
軌道雜化 類型 雜化理 論模型 成鍵電子 對(duì)數(shù) 孤對(duì)電子 對(duì)數(shù) 電子對(duì)的排列 方式 分子的空 間結(jié)構(gòu) 實(shí)例
sp 直線形 2 0 直線形 HC≡CH 、 BeCl2 、CO2
sp2 平面三角形 3 0 平面三角形 BF3、 BCl3
2 1 角形 SnBr2、PbCl2
sp3 四面體形 4 0 正四面體形 CH4、CCl4
3 1 三角錐形 NH3、NF3
2 2 角形 H2O
3.雜化類型與鍵角大小比較
(1)雜化類型相同,中心原子價(jià)層上孤電子對(duì)數(shù)越多,鍵角越小。例如,鍵角:SiH4>PH3>H2S。
(2)雜化類型不同,中心原子相同,鍵角大小:sp>sp2>sp3。例如,鍵角:CH4(3)雜化類型相同,中心原子價(jià)層上孤電子對(duì)數(shù)相同,原子半徑越小,電子對(duì)之間排斥力越大,鍵角越大。例如,鍵角:NH3>PH3>AsH3。
(4)雜化類型相同,中心原子價(jià)層上孤電子對(duì)數(shù)相同,另一個(gè)原子對(duì)孤電子對(duì)吸引力越大,鍵角越小。例如,鍵角:NF3【典型例題】
【例3】指出下列原子的雜化軌道類型及分子的結(jié)構(gòu)式、空間結(jié)構(gòu)。
(1)CO2分子中的C原子為　　　　雜化,分子的結(jié)構(gòu)式為　　　　,空間結(jié)構(gòu)為　　　　。
(2)CH2O分子中的C原子為　　　　雜化,分子的結(jié)構(gòu)式為　　　　,空間結(jié)構(gòu)為　　　　。
(3)CF4分子中的C原子為　　　　雜化,分子的結(jié)構(gòu)式為　　　　,空間結(jié)構(gòu)為　　　　。
(4)H2S分子中的S原子為　　　　雜化,分子的結(jié)構(gòu)式為　　　　,空間結(jié)構(gòu)為　　　　。
【答案】(1)sp　OCO　直線形
(2)sp2　　平面三角形
(3)sp3　　正四面體形
(4)sp3　H—S—H　角形
【例4】下列分子中鍵角最大的是(　　)。
A.H2O B.CO2 C.BF3 D.CH4
【答案】B
【解析】四個(gè)選項(xiàng)中鍵角最大的為直線形的CO2分子,鍵角為180°,其次為平面三角形分子BF3,鍵角為120°,再次為正四面體形分子CH4,鍵角為109°28',最小的是角形分子H2O,由于水分子中存在2個(gè)孤電子對(duì),其對(duì)成鍵電子對(duì)的排斥作用較強(qiáng),鍵角被壓縮到更小。
【例5】下列分子的空間結(jié)構(gòu)可用sp2雜化軌道來解釋的是(　　)。
①BF3　②　③　④C2H2　⑤N2H4　⑥
A.①②③ B.①②⑥
C.②③⑤ D.③④⑥
【答案】B
【解析】①BF3分子中硼原子雜化軌道數(shù)為3,所以采取sp2雜化,符合;②中心原子C形成3個(gè)σ鍵且無孤電子對(duì),所以采取sp2雜化,符合;③中心原子S形成3個(gè)σ鍵和1對(duì)孤電子對(duì),所以采取sp3雜化,不符合;④C2H2中心原子C形成2個(gè)σ鍵且無孤電子對(duì),所以采取sp雜化,不符合;⑤N2H4中心原子N形成3個(gè)σ鍵和1對(duì)孤電子對(duì),所以采取sp3雜化,不符合;⑥苯分子中碳原子采取sp2雜化,符合。
規(guī)律方法：判斷分子中中心原子雜化方式的方法
(1)分子的結(jié)構(gòu)決定于中心原子形成的σ鍵和孤電子對(duì)數(shù),與π鍵無關(guān)。與幾個(gè)原子結(jié)合,就形成幾個(gè)σ鍵。
(2)中心原子上孤電子對(duì)數(shù)可以用以下公式計(jì)算:
如判斷SO2的分子空間結(jié)構(gòu):σ鍵數(shù)為2,孤電子對(duì)數(shù)==1。則S原子采取sp2雜化,略去孤電子對(duì),分子結(jié)構(gòu)呈角形。
【隨堂檢測】
1.下列說法正確的是(　　)。
A.H2SO4分子中三種原子均以雜化軌道成鍵
B.N的電子式為[H]+,該離子呈平面正方形
C.CH4分子中的4個(gè)C—H鍵都是由氫原子的1s軌道與碳原子的2p軌道重疊形成的
D.CH4分子中碳原子的sp3雜化軌道分別與4個(gè)氫原子的1s軌道重疊,形成4個(gè)C—H鍵
【答案】D
【解析】H2SO4分子中H、O原子沒有發(fā)生軌道雜化,A項(xiàng)錯(cuò)誤;N呈正四面體形,B項(xiàng)錯(cuò)誤;CH4分子中碳原子的2s軌道與2p軌道進(jìn)行雜化形成4個(gè)sp3雜化軌道,然后碳原子的sp3雜化軌道與氫原子的1s軌道重疊形成C—H σ鍵,C項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確。
2.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色的原因是(　　)。
A.分子是平面結(jié)構(gòu)
B.分子中只存在σ鍵
C.苯不具有還原性
D.分子中存在6電子大π鍵,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定
【答案】D
【解析】苯分子中碳原子之間的鍵不是單純的單鍵或雙鍵,而是介于單、雙鍵之間的獨(dú)特的鍵,即存在6個(gè)電子的大π鍵,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,所以選D項(xiàng)。
3.PCl3分子的空間結(jié)構(gòu)是(　　)。
A.平面三角形,鍵角小于120°
B.平面三角形,鍵角為120°
C.三角錐形,鍵角小于109°28'
D.三角錐形,鍵角為109°28'
【答案】C
【解析】PCl3中P原子采取sp3雜化,P原子含有1對(duì)孤電子對(duì),PCl3的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形,鍵角小于109°28'。
4.中,中間的碳原子和兩邊的碳原子分別采用的雜化方式是(　　)。
　A.sp2、sp2　　　　　　　　　B.sp3、sp3
　C.sp2、sp3 D.sp、sp3
【答案】C
【解析】兩邊的碳原子均形成4個(gè)σ鍵,應(yīng)采用sp3雜化;中間的碳原子形成3個(gè)σ鍵,1個(gè)π鍵,應(yīng)采用sp2雜化。
5.(1)在形成氨氣分子時(shí),氮原子中的原子軌道發(fā)生sp3雜化形成4個(gè)　　　　,形成的4個(gè)雜化軌道中,有　　　　個(gè)含有未成對(duì)電子,所以能與　　　　個(gè)氫原子形成共價(jià)鍵,又因?yàn)?個(gè)雜化軌道中有一對(duì)　　　　,所以氨氣分子中的鍵角與甲烷不同。
(2)H+可與H2O形成H3O+,H3O+中O原子采用　　　　雜化。H3O+中H—O—H鍵角比H2O中H—O—H鍵角大,原因?yàn)椤? 　。
【答案】(1)sp3雜化軌道　3　3　孤電子對(duì)　(2)sp3　H3O+分子中有一對(duì)孤電子對(duì),H2O分子中有兩對(duì)孤電子對(duì),H2O中孤電子對(duì)對(duì)H—O的排斥力大于H3O+,造成H3O+中H—O—H鍵角比H2O中H—O—H鍵角大
【解析】(1)在形成NH3分子時(shí),氮原子的2p軌道和2s軌道發(fā)生sp3雜化,形成4個(gè)雜化軌道:,含有一對(duì)孤電子對(duì),3個(gè)未成鍵的單電子,可以與3個(gè)氫原子形成3個(gè)σ鍵。
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