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- 2021-08-06 发布
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第2节 共价键与分子的空间构型
第1课时
一些典型分子的空间构型
[课标要求]
1.认识共价分子结构的多样性和复杂性。
2.能根据有关理论判断简单分子或离子的构型。
3.结合实例说明“等电子原理”的应用。
1.CH4、NH3、H2O、H2S、NH、CCl4、CF4分子中中心原子均采用sp3杂化。
2.CH2===CH2、C6H6、BF3、CH2O分子中中心原子均采用sp2杂化。
3.CH≡CH、CO2、BeCl2、CS2分子中中心原子均采用sp1杂化。
4.正四面体形分子:CH4、CCl4、CF4;三角锥形分子:NH3、PH3;V形分子:H2O、H2S、SO2;平面三角形分子:BF3;平面形分子:C2H4、C6H6、CH2O;直线形分子:C2H2、CO2、BeCl2、CS2。
5.等电子体:化学通式相同(组成原子数相同),价电子数相等的微粒。
1.轨道杂化和杂化轨道
2.甲烷分子中碳原子的杂化类型
3.杂化轨道形成的分子空间构型(杂化轨道全部用于形成σ键时)
杂化类型
sp1
sp2
sp3
参与杂化的原子轨道及数目
s轨道
一个
一个
一个
p轨道
一个
两个
三个
杂化轨道数目(或σ键数)
2
3
4
26
杂化轨道间的夹角
180°
120°
109.5°
分子空间构型
直线形
平面三角形
正四面体形
实例
BeCl2
BF3
CH4、CF4、
CCl4
1.什么是成键电子对、孤电子对?其与中心原子的轨道数或价层电子对数有什么关系?
提示:分子或离子中,中心原子与其他原子以共价键结合的电子对为成键电子对,中心原子上不参与成键的电子对为孤电子对,两者之和等于中心原子的轨道数,也等于价层电子对数。
2.在你接触的原子或离子中,中心原子上最多的轨道数或价层电子对数是多少?
提示:最大轨道数为1(s轨道)+3(p轨道)=4。
1.杂化轨道类型的判断
方法一:依据杂化轨道数=中心原子形成的σ键数+孤电子对数
(1)公式:杂化轨道数n=(中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数±电荷数)。
[特别提醒] ①当中心原子与氧族元素原子成键时,氧族元素原子不提供电子。
②当为阴离子时,中心原子加上电荷数,为阳离子时,减去电荷数。
(2)根据n值判断杂化类型
n=2时,sp1杂化,如BeCl2,n=(2+2)=2;
n=3时,sp2杂化,如NO,n=(5+1)=3;
n=4时,sp3杂化,如NH,n=(5+4-1)=4。
方法二:依据中心原子有无π键
中心原子全部形成单键(无π键),sp3杂化;形成一个双键(一个π键),sp2杂化;形成两个双键或一个叁键(两个π键),sp1杂化。
方法三:依据分子或离子的空间结构
一般地,若是直线形,sp1杂化;若是平面形,sp2杂化;若是立体形,sp3杂化。
2.分子空间构型的确定——价电子对互斥理论
(1)价电子对互斥理论:分子中的中心原子的价电子对——成键电子对和孤电子对,由于相互排斥作用,尽可能趋向于彼此远离。
(2)中心原子上的孤电子对数=
26
(3)分子空间构型的确定
电子对数
目
电子对的空间构型
成键电子
对数
孤对电子
数
电子对的排
列方式
分子的空间构型
实例
2
直线形
2
0
直线形
BeCl2
CO2
3
平面
三角形
3
0
平面
三角形
BF3
BCl3
2
1
V形
SnBr2
PbCl2
4
四面
体形
4
0
正四
面体
形
CH4
CCl4
3
1
三角
锥形
NH3
NF3
2
2
V形
H2O
3.分子或离子空间构型的确定——等电子原理
(1)互为等电子体应满足的条件
①化学通式相同。
②价电子总数相等。
(2)等电子原理的应用
①利用等电子原理可以判断一些简单分子或离子的立体构型。如NH3和H3O+的空间构型相似(三角锥形);SiCl4、SO、PO都呈正四面体构型。
②等电子体不仅有相似的空间构型,且有相似的性质。
1.指出下列分子中,中心原子可能采用的杂化轨道类型,并预测分子的空间构型。
(1)BCl3 (2)CS2 (3)CF4 (4)CH3Cl
答案:(1)中心原子B采用sp2杂化,分子是平面三角形
(2)中心原子C采用sp1杂化,分子是直线形
(3)中心原子C采用sp3杂化,分子是正四面体形
(4)中心原子C采用sp3杂化,分子是四面体形
26
2.在中,中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是( )
A.sp2 sp2 B.sp3 sp3
C.sp2 sp3 D.sp1 sp3
解析:选C 中碳原子形成了3个σ键,无未成键价电子对,需要形成3个杂化轨道,采用的杂化方式是sp2。两边的碳原子各自形成了4个σ键,无未成键电子对,需要形成4个杂化轨道,采用的是sp3杂化。
3.下列各组粒子属于等电子体的是( )
A.12CO2和14CO B.H2O和NH3
C.N2和13CO D.NO和CO
解析:选C 组成粒子的原子总数相同、价电子总数相同的粒子互称为等电子体。在题述粒子中,C选项中两分子的原子数相同且价电子总数也相同,所以是等电子体。
1.苯分子中碳原子成键方式及空间构型
2.苯分子空间构型的解释
每个C原子的两个sp2杂化轨道上的电子分别与邻近的两个C原子的sp2杂化轨道上的电子配对形成σ键,六个碳原子组成一个正六边形的碳环;另外一个sp2杂化轨道上的电子与H原子的1s电子配对形成σ键。同时,六个C原子上剩余的2p轨道,以“肩并肩”的方式形成六原子、六电子的大π键。
1.有关苯分子的说法不正确的是( )
A.苯分子中C原子均以sp2杂化方式成键,形成夹角为120° 的三个sp2杂化轨道,故为正六边形的碳环
26
B.每个碳原子还有一个未参与杂化的2p轨道,垂直碳环平面,相互重叠,形成大π键
C.大π键中6个电子被6个C原子共用,故称为6中心6电子大π键
D.苯分子中共有六个原子共面,六个碳碳键完全相同
解析:选D 苯分子中共有12个原子共面。
2.有关苯分子中的化学键描述正确的是( )
A.每个碳原子的sp2杂化轨道中的其中一个形成大π键
B.每个碳原子的未参加杂化的2p轨道形成大π键
C.碳原子的两个sp2杂化轨道形成两个σ键
D.碳原子的未参加杂化的2p轨道形成σ键
解析:选B 苯分子中的碳原子采取sp2杂化,三个杂化轨道形成三个σ键,未参与杂化的2p轨道形成大π键。
判断微粒空间构型的方法
(1)根据杂化轨道类型判断:sp1杂化——直线形,sp2杂化——平面形,sp3杂化轨道全部形成σ键时——四面体形。
(2)根据价电子对互斥理论判断:sp3杂化轨道部分形成σ键时,结合σ键数目分析。如NH3分子中σ键数目为3,则为三角锥形,H2O分子中σ键数目为2,则为V形。
(3)利用等电子原理判断:如CH4与NH均为正四面体形。
1.AlBr3分子的立体构型是( )
A.直线形 B.三角锥形
C.四面体形 D.平面三角形
解析:选D 中心Al原子的价电子对数为1/2(3+3×1)=3,孤电子对数3-3=0,其价电子全部用于形成共价键,AlBr3为平面三角形分子。
2.指出下列原子的杂化轨道类型及分子的结构式、空间构型。
(1)CO2分子中的C为________杂化,分子的结构式为________,空间构型为________;
(2)CH2O分子中的C为________杂化,分子的结构式为________,空间构型为________;
(3)CF4分子中的C为________杂化,分子的结构式为________,空间构型为________;
(4)H2S分子中的S为________杂化,分子的结构式为________,空间构型为________。
26
解析:(1)价电子对数1/2×(4+0)=2,sp1杂化,CO2为直线形分子;(2)价电子对数1/2×(4+2×1+0)=3,sp2杂化,CH2O为平面形分子;(3)价电子对数1/2×(4+4×1)=4,sp3杂化,CF4为正四面体形分子;(4)价电子对数1/2×(6+2)=4,sp3杂化,孤电子对数4-2=2,则H2S为V形分子。
答案:(1)sp1 O===C===O 直线形
(2)sp2 平面三角形
(3)sp3 正四面体形
(4)sp3 H—S—H V形
[三级训练·节节过关]
1.s轨道和p轨道杂化的类型不可能有( )
A.sp1杂化 B.sp2杂化
C.sp3杂化 D.sp4杂化
解析:选D s能级只含1个原子轨道,p能级只含3个原子轨道,故s轨道和p轨道杂化时,p轨道参与杂化的数目为1~3,即分别为sp1、sp2、sp3杂化。
2.下列有关杂化轨道的说法不正确的是( )
A.原子中能量相近的某些轨道,在成键时,能重新组合成能量相等的新轨道
B.轨道数目杂化前后可以相等,也可以不等
C.杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、能量最低原则
D.CH4分子中两个sp3杂化轨道的夹角为109.5°
解析:选B 轨道数目杂化前后一定相等。
3.下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是( )
①BF3 ②CH2CH2 ③ ④CHCH
⑤NH3 ⑥CH4
A.①②③ B.①⑤⑥
C.②③④ D.③⑤⑥
解析:选A ①BF3分子中价电子对数1/3(3+3×1)=3,B原子sp2杂化,BF3为平面三
角形分子;②CH2CH2,其中碳原子以sp2杂化,未杂化的2p轨道形成π键;③中
碳原子以sp2杂化,未杂化的2p轨道形成大π键;④CHCH为直线形分子,其中碳原子为sp1
26
杂化;⑤NH3是三角锥形分子,中心原子氮原子为sp3杂化;⑥CH4是正四面体形分子,中心碳原子为sp3杂化。
4.用价电子对互斥理论预测H2S和BF3分子的立体结构,两个结论都正确的是( )
A.直线形;三角锥形 B.V形;三角锥形
C.直线形;平面三角形 D.V形;平面三角形
解析:选D 对于H2S分子,价电子对数为1/2×(6+2)=4,孤电子对数4-2=2,则H2S为V形分子;对于BF3分子,价电子对数1/2×(3+3×1)=3,孤电子对数为3-3=0,则BF3为平面三角形分子,即H2S、BF3分别是V形、平面三角形分子。
5.请填写下表中的空格。
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、Ne
H2
HCl
H2O
CO2
AlCl3
NH3
CH4
CH3Cl
杂化
轨道
—
—
—
键角
—
—
—
—
—
—
解析:在He、Ne、H2、HCl等分子中不存在原子的杂化轨道。在H2O、NH3、CH4、CH3Cl分子中,O、N、C三原子采用sp3杂化,但它们的夹角不同。CO2分子中的C原子采用sp1杂化,CO2分子为直线形。AlCl3分子中的Al原子采用sp3杂化,NF3为三角锥形分子。不同元素的原子形成的化学键为极性共价键。
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、Ne
H2
HCl
H2O
CO2
AlCl3
NH3
CH4
CH3Cl
杂化轨道
—
—
—
sp3
sp1
sp2
sp3
sp3
sp3
键角
—
—
—
104.5°
180°
120°
107.3°
109.5°
—
—
V形
26
空间构型
平面三角形
三角锥形
正四面体形
四面体形
键的极性
—
非极性
极性
极性
极性
极性
极性
极性
极性
1.下列能正确表示CH4分子中碳原子成键轨道的示意图为( )
解析:选D CH4分子中碳原子采用sp3杂化,杂化前为,
其中2s和2p轨道杂化形成能量相同的四个sp1杂化轨道,即杂化后为
。
2.中心原子采取sp1杂化的分子是( )
A.NH3 B.BeCl2
C.PCl3 D.H2O
解析:选B NH3分子中N原子采用sp3杂化;PCl3类比NH3,P原子采用sp3杂化;H2O分子中O原子采用sp3杂化。
3.sp3杂化形成的AB4型分子的空间构型是( )
A.平面四方形 B.正四面体
C.四角锥形 D.平面三角形
解析:选B sp3杂化形成的AB4型分子中,四个杂化轨道均参与形成σ键,故空间构型为正四面体形。
4.用价电子对互斥理论预测,下列分子构型与H2O相似,都为V形的是( )
①OF2 ②BeCl2 ③SO2 ④CO2
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
解析:选C ①价电子对数1/2×(6+2)=4,孤电子对数4-2=2,为V形;②价电子对数×(2+2×1)=2,孤电子对数2-2=0,为直线形;③价电子对数1/2×(6+0)=3,孤电子对数3-2=1,为V形;④
26
价电子对数1/2×(4+0)=2,孤电子对数2-2=0,为直线形。①、③符合题意。
5.在SO2分子中,分子的空间结构为V形,S原子采用sp2杂化,那么SO2的键角( )
A.等于120° B.大于120°
C.小于120° D.等于180°
解析:选C 由于SO2分子的电子对的空间构型为平面三角形,从理论上讲其键角为120°,但是由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对,对其他的两个化学键存在排斥作用,因此分子中的键角要小于120°。
6.关于CO2和NH3分子,下列说法正确的是( )
A.都是直线形结构
B.中心原子都采取sp1杂化
C.NH3为三角锥形结构,CO2为直线形结构
D.N原子和C原子上都没有孤对电子
解析:选C NH3和CO2分子的中心原子分别采取sp3杂化和sp1杂化的方式成键,但NH3分子的N原子上有孤对电子,根据价电子对互斥理论,NH3分子构型为三角锥形,CO2分子构型为直线形。
7.有关乙炔C2H2分子中的化学键描述不正确的是( )
A.两个碳原子采用sp1杂化方式
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π键
D.两个碳原子形成两个π键
解析:选B C2H2分子的结构式为H—C≡C—H,可知每个碳原子形成2个π键,故两个碳原子均采用sp1杂化。
8.在乙烯分子中有5个σ键,一个π键,它们分别是( )
A.sp2杂化轨道形成σ键,未杂化的2p轨道形成π键
B.sp2杂化轨道形成π键,未杂化的2p轨道形成σ键
C.C—H之间是sp2形成的σ键,C—C之间是未参加杂化的2p轨道形成π键
D.C—C之间是sp2形成的σ键,C—H之间是未参加杂化的2p轨道形成π键
解析:选A 乙烯分子为平面分子,分子中每一个碳原子采取sp2杂化,3个sp2杂化轨道分别与2个氢原子和另一个C原子形成3个σ键,每个C原子未杂化的2p轨道“肩并肩”重叠形成π键。
9.填空。
(1)在形成氨气分子时,氮原子中的原子轨道发生sp3杂化形成4个________,形成的4个杂化轨道中,只有________个含有未成对电子,所以只能与________个氢原子形成共价键,又因为4个sp3杂化轨道有一对________,所以氨气分子中的键角与甲烷不同。
26
(2)H+可与H2O形成H3O+,H3O+中O原子采用______杂化。H3O+中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大,原因为____________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)在形成NH3分子时,氮原子的2p轨道和2s轨道发生sp3杂化,形成4个杂化
轨道,,含有一对孤对电子,3个未成键的单电子,可以与3个氢原子形成3个σ键。
(2)H3O+中O原子的价电子数为6+2=8,价电子对为4对,所以杂化方式为sp3杂化;H3O+中只有一对孤对电子,H2O中有两对孤对电子,对所成共价键的排斥力H2O大于H3O+,使得H3O+中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大。
答案:(1)sp3杂化轨道 3 3 孤对电子
(2)sp3 H3O+离子中有一对孤对电子,H2O分子中有两对孤对电子,对形成的H—O的排斥力H2O大于H3O+,造成H3O+中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大
10.X、Y、Z均为短周期元素,可形成X2Z和YZ2两种化合物。X、Y、Z的原子序数依次增大,X原子的K层的电子数目只有一个,Y位于X的下一周期,它的最外层电子数比K层多2个,而Z原子核外的最外层电子数比次外层电子数少2个。
(1)它们的元素符号分别为X________、Y________、Z________。
(2)用价电子对互斥理论判断:
物质
价电子对数
轨道杂化形式
分子的形状
成键电子对数
孤电子对数
X2Z
YZ2
解析:X原子的K层(第一层)的电子数只有一个,可知X为氢原子;Y位于X的下一周期,即为第二周期元素,它的最外层电子数比K层多2个,则其原子结构示意图为,故Y为C元素;Z原子核外的最外层电子数比次外层电子数少2个,且原子序数:Z>Y,则Z为S元素。从而推知X2Z为H2S,YZ2为CS2。
答案:(1)H C S
(2)
物质
价电子对数
轨道杂化形式
分子的形状
成键电子对数
孤电子对数
X2Z
2
2
sp3
V形
YZ2
2
0
sp1
直线形
26
1.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是( )
A.CS2与C6H6 B.CH4与NH3
C.BeCl2与BF3 D.C2H2与C2H4
解析:选B A项,CS2分子中,C原子采用sp1杂化,C6H6分子中,C原子采用sp2杂化;B项,CH4和NH3分子中C、N原子均采用sp3杂化;C项,BeCl2分子中Be原子为sp1杂化,BF3分子中B原子为sp2杂化;D项,C2H2分子中C原子为sp1杂化,C2H4分子中C原子为sp2杂化。
2.在BrCH===CHBr分子中,C和Br成键采用的轨道是( )
A.sp1p B.sp2s
C.sp2p D.sp3p
解析:选C BrCH===CHBr分子中C原子采用sp2杂化,每个C原子形成3个sp2杂化轨道分别与Br原子的p轨道、H原子的s轨道、另一个C原子的sp2轨道形成3个σ键。
3.根据等电子原理,下列各组分子或离子的空间构型不相似的是( )
A.SO2和O3 B.NH和CH4
C.H3O+和NH3 D.CO2和H2O
解析:选D D项中,CO2分子和H2O分子原子总数相等,价电子总数前者为16,后者为10,二者不属于等电子体,则空间构型不相似。
4.下列分子中,在形成共价键时中心原子采用sp3杂化的分子有( )
①H2O ②NH3 ③CH4 ④PCl3 ⑤CO2 ⑥N2
A.3种 B.4种
C.5种 D.6种
解析:选B 形成共价键时中心原子采用sp3杂化的分子有H2O、NH3、CH4、PCl3;CO2、N2分子中的C、N原子采用sp1杂化。
5.根据价电子对互斥理论及杂化轨道理论判断NF3分子的空间构型和中心原子的杂化方式为( )
A.直线形,sp1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
解析:选D 在NF3分子中N原子价电子对数为1/2×(5+3×1)=4,孤对电子数4-3=1,与其相连的原子数为3,根据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。
6.下列分子或离子的中心原子形成sp2杂化轨道的是( )
①H2O ②NO ③SO3 ④CH4
A.①② B.②③
26
C.③④ D.①④
解析:选B H2O分子中,价电子对数1/2×(6+2×1)=4,氧原子采用sp3杂化;②NO离子中价电子对数1/2×(5+3×0+1)=3,氮原子采用sp2杂化;③SO3分子中价电子对数1/2×(6+3×0)=3,硫原子采用sp2杂化;④CH4分子中价电子对数1/2×(4+4×1)=4,碳原子采用sp3杂化。②、③符合题意。
7.下列推断正确的是( )
A.BF3为三角锥形分子
B.NH的电子式为,离子呈平面正方形结构
C.CH4分子中的4个C—H键都是氢原子的1s轨道与碳原子的2p轨道形成的sp σ键
D.CH4分子中的碳原子以4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H σ键
解析:选D BF3为平面三角形,NH为正四面体形,CH4分子中碳原子的2s轨道与2p轨道形成4个sp3杂化轨道,然后与氢原子的1s轨道重叠,形成4个ssp3σ键。
8.关于原子轨道的说法正确的是( )
A.凡中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其几何构型都是正四面体
B.CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合而形成的
C.sp3杂化轨道是由同一原子中能量相近的s轨道和p轨道混杂形成的一组能量相等的新轨道
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
解析:选C 凡中心原子采取sp3杂化的杂化轨道都是四面体形,但是根据孤电子对占据杂化轨道数目多少,造成了其分子几何构型可以呈现V形(H2O)、三角锥形(NH3);CH4的sp3杂化轨道是由中心碳原子的能量相近的2s轨道和3个2p轨道杂化形成,与氢原子结合时,4个杂化轨道分别和4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H σ键;BF3中B原子采用sp2杂化。
9.A、B、C、D、E、F都是短周期元素,原子序数依次增大,B、C、D同周期,A、E同主族。A、C能形成两种液态化合物甲和乙,原子个数比分别为2∶1和1∶1。B元素原子有两个未成对电子,D是周期表中电负性最大的元素,F是地壳中含量最多的金属元素。根据以上信息回答下列问题:
(1)比较C、D对应氢化物的稳定性________________________________________________________________________
(填分子式)。
26
(2)甲、乙两分子中含有非极性共价键的是________(填分子式),它的电子式为________。
(3)C、D、E、F的离子中,半径最小的是________(填离子符号)。
(4)B的最简单氢化物的空间构型是________________。
解析:A、C能形成两种液态化合物甲和乙,则甲和乙为H2O和H2O2,且原子序数A<C,则A为氢元素,C为氧元素;B原子有两个未成对电子,其电子排布式为1s22s22p2,故B为碳元素;D是周期表中电负性最大的元素,故D为氟元素;F是地壳中含量最多的金属元素,F为铝元素。
答案:(1)H2O<HF (2)H2O2 (3)Al3+ (4)正四面体
10.下表为元素周期表的一部分,
族
周期
ⅠA
0
1
A
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
2
B
C
D
3
E
F
G
H
请参照元素A~H在表中的位置,用化学用语回答下列问题:
(1)D、E、F的原子半径由大到小的顺序为_______________________________________。
(2)B、C、D的第一电离能由大到小的顺序为_____________________________________。
(3)A、D、E、H中的某些元素可形成既含离子键又含极性共价键的化合物,写出其中一种化合物的电子式:__________________________________。
(4)E、F的最高价氧化物的水化物相互反应的离子方程式:________________________________________________________________________。
(5)在B所形成的化合物CH4、CO、CH3OH中,碳原子采取sp3杂化的分子有________;与CO分子互为等电子体的分子和离子分别为________和________,根据等电子理论推测CO分子的结构式可表示成________,一个CO分子中有________个σ键,________个π键。
(6)根据价电子对互斥理论预测D和H所形成的HD的空间构型为________形。
解析:根据元素周期表的片段,A~H各元素分别是H、C、N、O、Na、Al、Si、Cl。(1)Na、Al有3个电子层,氧有2个电子层,原子半径Na>Al>O;(2)由于N原子的2p轨道为半充满状态,第一电离能较大,N>O,C、O比较O>C,故顺序为N>O>C;(3)H、O、Na、Cl形成离子化合物且含有极性键,则可以有NaOH、NaClO、NaClO3等;(4)NaOH与Al(OH)3
26
反应的离子方程式为OH-+Al(OH)3===[Al(OH)4]-;(5)CH4、CH3OH中C原子采用sp3杂化;CO分子中的电子数目为14,故N2、C与CO互为等电子体,等电子体的微粒结构相似;(6)ClO中Cl原子的价电子对数(7+1)÷2=4,所以ClO为正四面体形结构。
答案:(1)Na>Al>O (2)N>O>C
(3)(4)Al(OH)3+OH-===[Al(OH)4]-
(5)CH4、CH3OH N2 C C≡O 1 2
(6)正四面体
第2课时
分子的空间构型与分子性质
[课标要求]
1.了解极性分子和非极性分子。
2.了解“手性分子”在生命科学等方面的应用。
1.对称分子:依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子。
2.手性碳原子:连接四个不同原子或原子团的碳原子。
3.手性分子:含有手性碳原子的分子。
4.极性分子:分子内存在正、负两极的分子;
非极性分子:分子内没有正、负两极的分子。
5.含有极性键的双原子分子是极性分子,只含有非极性键的分子和分子空间构型对称的分子是非极性分子。
1.对称分子
概念
依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子
性质
对称性
与分子性质
的关系
分子的极性、旋转性及化学性质都与分子的对称性有关
2.手性分子
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手性
一种分子和它在镜中的像,就如同人的左手和右手,相似而不完全相同,即它们不能重叠
手性分子
具有手性的分子。一个手性分子和它的镜像分子构成一对异构体,分别用D和L标记
手性碳原子
四个不同的原子或原子团连接的碳原子
1.在有机物分子中,当碳原子连有4个不同的原子或原子团时,这种碳原子称为“手性碳原子”,凡具有一个手性碳原子的化合物一定具有光学活性。下列分子中含有“手性碳原子”的是( )
A.CBr2F2 B.CH3CH2OH
C.CH3CH2CH3 D.CH3CH(OH)COOH
解析:选D 手性碳原子连接四个不同的原子或原子团。
2.下列分子含有“手性”碳,属于手性分子的是( )
A. B.H2NCH2COOH
C. D.CH2CH2
解析:选C 抓住“手性”的含义,C原子上连接有四个不同的原子或原子团,即为手性碳原子。
26
1.分子极性的实验探究
实验
操作
在一酸式滴定管中加入四氯化碳,打开活塞,将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近四氯化碳液流
在另一酸式滴定管中加入蒸馏水,打开活塞,并将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近水液流
现象
四氯化碳液流方向不变
水流方向发生改变
结论
四氯化碳液流与橡胶棒无电性作用
水流与橡胶棒间有电性作用
解释
四氯化碳分子中无正极和负极之分
水分子中存在带正电荷的正极和带负电荷的负极
2.极性分子和非极性分子
类别
极性分子
非极性分子
概念
分子内存在正、负两极的分子
分子内没有正、负两极的分子
双原子分子
分子内含极性键
分子内含非极性键
多原子分子
分子内含极性键,分子空间构型不对称
分子内只含非极性键或分子空间构型对称
[特别提醒]
相似相溶原理是指极性溶质易溶于极性溶剂,非极性溶质易溶于非极性溶剂。
1.极性分子中一定含有极性键,一定不含非极性键吗?
提示:一定含有极性键,可能含有非极性键。
2.非极性分子中一定含有非极性键吗?
提示:分子结构对称时,可能含有极性键,而不含有非极性键。
判断分子极性的方法
(1)根据分子的对称性判断
分子结构对称,正电荷重心和负电荷重心重合,则为非极性分子,正、负电荷重心不重合,则为极性分子。
(2)根据键的极性判断
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(3)经验规律
①化合价法: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,否则为极性分子。
②孤对电子法:若中心原子有孤对电子则为极性分子,否则为非极性分子。如BF3、CO2等为非极性分子,NH3、H2O、SO2等为极性分子。
(4)常见分子极性与非极性的判断
分子类型
键的极性
分子构型
分子极性
代表物
双原子分子
A2
非极性键
直线形(对称)
非极性
H2、O2、
Cl2、N2等
AB
极性键
直线形(不对称)
极性
HF、HCl、
CO、NO等
三原子分子
A2B
(或
AB2)
极性键
直线形(对称)
非极性
CO2、CS2等
(键角180°)
极性键
V形(不对称)
极性
H2O(键角104.5°)、
SO2(键角
119.5°)等
四原子分子
AB3
极性键
平面三角形(对称)
非极性
BF3、BCl3等
极性键
三角锥形(不对称)
极性
NH3(键角
107.3°)等
五原子分子
AB4
极性键
正四面体形(对称)
非极性
CH4、CCl4
(键角
109.5°)等
ABnC4-n
(n<4且
为整数)
极性键
四面体形(不对称)
极性
CHCl3、CH2Cl2等
1.实验测得BeCl2为共价化合物,两个Be—Cl键间的夹角为180°。由此可见,BeCl2属于( )
A.由极性键构成的非极性分子
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B.由极性键构成的极性分子
C.由非极性键构成的极性分子
D.由非极性键构成的非极性分子
解析:选A Be—Cl共价键为不同元素的原子间形成的极性键,BeCl2为直线形对称结构,故为非极性分子。
2.下列分子中,属于含有极性键的非极性分子的是( )
A.H2O B.Cl2
C.NH3 D.CCl4
解析:选D H2O分子中O—H键为极性键,H2O分子为V形,结构不对称,是极性分子;Cl2是双原子单质分子,Cl—Cl键是非极性键,属含非极性键的非极性分子;NH3分子中N—H键是极性键,分子构型是三角锥形,N原子位于顶端,电荷分布不对称,是极性分子;CCl4分子中C—Cl键是极性键,分子构型呈正四面体形,C原子位于正四面体中心,四个Cl原子分别位于正四面体的四个顶点,电荷分布对称,是非极性分子。
3.在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2、BF3分子中:
(1)以非极性键结合的非极性分子是________________________;
(2)以极性键结合的具有直线形结构的非极性分子是________________________;
(3)以极性键结合的具有正四面体形结构的非极性分子是________________________;
(4)以极性键结合的具有三角锥形结构的极性分子是________________________;
(5)以极性键结合的具有sp3杂化轨道结构的分子是________________________;
(6)以极性键结合的具有sp2杂化轨道结构的分子是________________________。
解析:HF是含有极性键的双原子分子,为极性分子;H2O中氧原子采取sp3杂化方式,与H原子形成极性键,为极性分子;NH3中有极性键,N原子采取sp3杂化,为三角锥形结构;CS2与CO2相似,为由极性键形成的直线形非极性分子;CH4中C原子采取sp3杂化方式与H原子形成极性键,为正四面体构型的非极性分子;N2是由非极性键结合的非极性分子;BF3中B原子采取sp2方式杂化,与F形成极性键,为非极性分子。
答案:(1)N2 (2)CS2 (3)CH4 (4)NH3
(5)NH3、H2O、CH4 (6)BF3
[三级训练·节节过关]
1.下列化合物中含有手性碳原子的是( )
A.CH2===CH2 B.甘油
C.CH3CH3 D.
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解析:选D 判断手性碳原子的方法:(1)写出各项物质分子的结构式;(2)判断是否有碳原子连接四个不同的原子或原子团。经分析可判断只有D项符合。
2.用一带静电的玻璃棒靠近A、B两种纯液体流,现象如图所示。据此分析,A、B两种液体分子的极性判断正确的是( )
A.A是极性分子,B是非极性分子
B.A是非极性分子,B是极性分子
C.A、B都是极性分子
D.A、B都是非极性分子
解析:选B 观察图示实验现象可知,液体A在电场中不偏转,A分子是非极性分子;液体B在电场中偏转,B分子是极性分子。
3.下列说法正确的是( )
A.由极性键构成的分子都是极性分子
B.含非极性键的分子一定是非极性分子
C.极性分子一定含有极性键,非极性分子一定含有非极性键
D.以极性键结合的双原子分子,一定是极性分子
解析:选D 由极性键构成的分子若空间构型对称,则分子是非极性分子,A项说法错误;含非极性键的分子也可能含有极性键,也可能是极性分子,如CH3CH2OH等,B项说法错误;CO2是由极性键形成的非极性分子,C项说法错误;以极性键结合的双原子分子都是极性分子,D项说法正确。
4.下列含有极性键的非极性分子是( )
①CCl4 ②NH3 ③CH4 ④CO2 ⑤N2
⑥H2S ⑦SO2 ⑧CS2 ⑨H2O ⑩HF
A.②③④⑤⑧ B.①③④⑤⑧
C.①③④⑧ D.以上均不对
解析:选C NH3、H2S、SO2、H2O、HF是含极性键的极性分子,N2是含非极性键的非极性分子。
5.A、B、C、D、E为五种由短周期元素构成的微粒,它们都有10个电子,其结构特点如下:
微粒
A
B
C
D
E
原子核数
双核
多核
单核
多核
多核
电荷数
1-
0
2+
1+
0
其中:B是由极性键构成的4原子分子,A和D可以形成B和E。
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(1)A、C、E的化学式是:A______,C______,E______。
(2)B分子是________分子(填“极性”或“非极性”),室温下,等物质的量的B与盐酸反应后,溶液pH____7(填“<”“>”或“=”)。
(3)B、E两种分子的空间构型分别为:B____________,E____________。
解析:常见的10电子微粒有:(1)分子:CH4、NH3、H2O、HF、Ne;(2)离子:Na+、Mg2+、Al3+、F-、O2-、N3-、OH-、NH、H3O+等。据题给信息可知A为OH-、C为Mg2+、B为NH3、D为NH、E为H2O。
答案:(1)OH- Mg2+ H2O (2)极性 < (3)三角锥形 V形
1.下列有机物分子中属于手性分子的是( )
①CH2Cl2 ②
③ ④乙酸
A.只有① B.①和②
C.②③ D.①②③④
解析:选C 有机物分子中含有手性碳原子的分子是手性分子,手性碳原子连接四个不同的原子或原子团。
2.下列分子中,属于含极性键的非极性分子的是( )
A.SO2 B.H2
C.BBr3 D.COCl2
解析:选C SO2、COCl2属于含极性键的极性分子;H2属于含非极性键的非极性分子。
3.下列叙述中正确的是( )
A.离子化合物中不可能存在非极性键
B.非极性分子中不可能既含极性键又含非极性键
C.非极性分子中一定含有非极性键
D.不同非金属元素原子之间形成的化学键都是极性键
解析:选D A项,离子化合物中可能存在非极性键,如;
B项,非极性分子中可能既含极性键又含非极性键,如CH≡CH、CH2===CH2;C项,非极性分子中不一定含有非极性键,如CO2、CH4、BF3。
4.下列物质中既有极性键,又有非极性键的非极性分子是( )
A.二氧化硫 B.四氯化碳
C.二氧化碳 D.乙炔
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解析:选D 分子中既有极性键又有非极性键,则分子中必须既有同种元素原子间所成的键,又有不同种元素原子间所成的键,而在A、B选项中同种原子间没有成键,也就没有非极性键。要求分子为非极性分子,则分子中原子的排列一定是对称的,只有这样才能使分子中正、负电荷的中心重合,使分子无极性。
5.下列各组物质中,都是由极性键构成为极性分子的一组是( )
A.CH4和H2O B.CO2和HCl
C.NH3和H2S D.HCN和BF3
解析:选C CH4、CO2、BF3是由极性键构成的非极性分子;H2O、HCl、NH3、H2S、HCN是由极性键构成的极性分子。
6.膦(PH3)又称为磷化氢,在常温下是一种无色有大蒜臭味的有毒气体,它的分子呈三角锥形。下列关于PH3的叙述正确的是( )
A.PH3是非极性分子
B.PH3分子中有未成键的电子对
C.PH3是一种强氧化剂
D.PH3分子中的P—H键是非极性键
解析:选B PH3分子中P原上的价电子对数1/2×(5+3)=4,孤对电子数4-3=1,分子中含孤对电子,故为极性分子;-3价P还原性较强,是一种强还原剂;P—H键是极性键。
7.常温下三氯化氮(NCl3)是一种淡黄色液体,其分子结构呈三角锥形,以下关于NCl3说法正确的是( )
A.分子中N—Cl键是非极性键
B.分子中不存在孤对电子
C.NCl3分子是极性分子
D.因N—Cl键的键能大,它的沸点高
解析:选C NCl3分子氮原子上的价电子对数1/2×(5+3)=4,孤对电子数4-3=1,N原子上还有一对孤对电子,结构不对称,为三角锥形,为极性分子。N—Cl键为极性键,键能大说明分子稳定,而物质熔沸点的高低与共价键的强弱无关。
8.微波炉加热时,电炉内的微波场以极高的频率改变电场的方向,使水分子迅速摆动而产生热效应。在高频改变方向的电场中水分子会迅速摆动的原因是( )
A.水分子具有极性共价键
B.水分子中有共用电子对
C.水由氢、氧两元素的原子组成
D.水分子是极性分子
解析:选D 水分子在电场中摆动,说明水分子中存在正极和负极,即水分子是极性分子。
26
9.A、B、C、D四种元素位于短周期内,它们的原子序数依次增大。A原子核内仅有1个质子,B原子的电子总数与D原子最外层电子数相等,A原子与B原子最外层电子数之和与C原子的最外层电子数相等,D原子与B原子电子总数之和是C原子电子总数的2倍,D原子最外层电子数是其电子层数的3倍,由此推断:
(1)A与D形成的化合物中,含有非极性键的是______________________(写化学式)。
(2)B与D形成的化合物中,其中三原子分子是________(填“极性”或“非极性”)分子,空间构型为________,电子式为________。
(3)A与C形成的化合物的分子空间构型为________。
解析:A原子核内仅有1个质子,则A为H,D原子最外层电子数是电子层数的3倍,则为O,B原子电子总数与D原子最外层电子数相等,则B为碳(C)。A原子与B原子最外层电子数之和与C原子最外层电子数相等且原子序数C>B,则C为N。A与D可形成化合物H2O和H2O2,含非极性键的是H2O2。B与D形成化合物为CO和CO2,三原子分子为CO2。A与C形成化合物为NH3,空间构型为三角锥形。
答案:(1)H2O2
(2)非极性 直线形
(3)三角锥形
10.主族元素A、B、C、D的原子序数都小于18,A与D同主族,B与C在同一周期,A、D原子的价电子数都是1,C原子最外层电子数比B原子少2个,且最外层电子数是次外层电子数的2倍。A、B的单质在常温下均为气体,它们在高温下以体积比2∶1完全反应,生成物在常温下为液体。此液体与D单质能剧烈反应生成A的单质。所得溶液滴入酚酞显红色,同时溶液中含有与氖原子的电子层结构相同的阳离子。
试回答下列问题:
(1)写出元素符号:B________,D________。
(2)写出元素原子的价电子排布:A_______,C_______。
(3)B与C在高温下完全反应后的生成物的化学式为________,它是由________(填“极性”或“非极性”)键形成的________分子,分子的空间构型呈________。
(4)A与B的单质以体积比2∶1形成的化合物的中心原子的杂化方式为______________,分子的空间构型呈________。
解析:由题意知A、B、C、D四种元素分别为H、O、C、Na,C与O2完全反应的生成物为CO2,它是由极性键构成的非极性分子,为直线形结构。H2O中氧原子采取sp3杂化,为V形分子。
答案:(1)O Na (2)1s1 2s22p2 (3)CO2 极性 非极性 直线形 (4)sp3 V形
26
1.X和Y为两种不同的元素。下列化学式表示的分子一定为极性分子的是( )
A.XY B.XY2
C.XY3 D.XY4
解析:选A 由极性键构成的双原子分子一定是极性分子。
2.NH3、H2S等是极性分子,CO2、BF3、CCl4等是极性键形成的非极性分子。根据上述事实可推出ABn型分子是非极性分子的经验规律是( )
A.分子中不能含有氢原子
B.在ABn分子中A原子的所有价电子都参与成键
C.在ABn分子中每个共价键都相同
D.在ABn分子中A的相对原子质量应小于B的相对原子质量
3.下列叙述正确的是( )
A.NH3是极性分子,分子中N原子处于3个H原子所组成的三角形的中心
B.CCl4是非极性分子,分子中C原子处在4个Cl原子所组成的正方形的中心
C.H2O是极性分子,分子中O原子不处在2个H原子所连成的直线的中央
D.CO2是非极性分子,分子中C原子不处在2个O原子所连成的直线的中央
解析:选C A项,NH3分子为三角锥形,N原子处于锥顶,3个H原子位于锥底;B项,CCl4分子为正四面体形,C原子处在正四面体的中心,4个Cl原子位于四个顶点;D项,CO2分子为直线形,结构式为O===C===O,C原子处在2个O原子所连成的直线的中央。
4.三聚氰胺的结构简式为,下列关于三聚氰胺分子的说法中正确的是( )
A.所有氮原子均采取sp3杂化
B.一个三聚氰胺分子中共含有15个σ键
C.属于极性分子,故极易溶于水
D.三聚氰胺分子中同时含有极性键和非极性键
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解析:选B 三聚氰胺分子中,处于环上的氮原子采取sp2杂化,A选项错误;由三聚氰胺分子的结构知,它是对称结构,为非极性分子,而水为极性溶剂,故三聚氰胺在水中的溶解度不大,C选项错误;三聚氰胺分子中不存在由同种元素的原子形成的共价键,故不存在非极性键,D选项错误。
5.研究表明生命起源于火山爆发,是因为火山爆发产生的气体中含有1%的羰基硫(COS),已知羰基硫分子中所有原子最外层均满足8电子结构,结合元素周期表知识,判断下列有关说法正确的是( )
①羰基硫属于非极性分子
②羰基硫属于极性分子
③羰基硫的电子式为
④羰基硫分子中三个原子处于同一直线上
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
解析:选D 在羰基硫分子中,中心原子为C原子,其价电子对数为×4=2,孤对电子数为2-2=0,则为直线形分子,结构式S=C=0,电子式,结构不对称,属于极性分子。
6.已知H2O2分子的空间结构可在二面角中表示,如图所示,则有关H2O2的结构的说法中正确的是( )
①分子的正、负电荷重心重合
②分子正、负电荷重心不重合
③H2O2是含极性键的非极性分子
④H2O2是含非极性键的极性分子
A.①② B.①③
C.②③ D.②④
解析:选D 据图示可知H2O2分子的正、负电荷重心不重合,属于极性分子;H2O2分子中存在H—O极性键和O—O非极性键。
7.有一种AB2C2型分子,在该分子中A为中心原子。下列关于该分子的空间结构和极性的说法中,正确的是( )
A.假设为平面四边形,则该分子一定为非极性分子
B.假设为四面体形,则该分子一定为非极性分子
26
C.假设为平面四边形,则该分子可能为非极性分子
D.假设为四面体形,则该分子可能为非极性分子
解析:选C 若AB2C2为平面结构,可能为对称结构,也可能是不对称结
构,若为四面体结构,则一定是不对称结构。
8.已知三角锥形分子E和直线形分子G反应,生成两种直线形分子L和M(组成E、G、L、M分子的元素原子序数均小于10),如下图所示,则下列判断错误的是( )
A.G是最活泼的非金属单质
B.L是极性分子
C.E能使紫色石蕊溶液变蓝色
D.M化学性质活泼
解析:选D 据题意可知E为NH3、G为F2、L为HF、M为N2。N2分子中存在稳定的N≡N叁键,故化学性质稳定。
9.有A、B、C、D、E 五种元素,它们的核电荷数依次增大,且都小于20。其中C、E是金属元素;A和E属同一族,它们原子的最外层电子排布为ns1。B和D也属同一族,它们原子最外层的p能级电子数是s能级电子数的两倍,C原子最外层上电子数等于D原子最外层上电子数的一半。请回答下列问题:
(1)写出A、B、C、D、E 五种元素的元素符号:
A是________,B是________,C是________,D是________,E是________。
(2)D元素在周期表中的位置为______________。
(3)用电子排布式表示B元素原子的价电子构型______。
(4)元素电负性的大小关系是B____D(填“>”“<”或“=”),C与E的第一电离能的大小关系是C____E(填“>”“<”或“=”)。
(5)A2D属于________(填“极性”或“非极性”)分子,其分子的空间构型为________,其中所含化学键类型为________(填“极性键”或“非极性键”)。
(6)D、E元素形成的化合物的电子式为________。
解析:A、E同主族,且价电子排布为ns1,可知为ⅠA族元素,又因为E为金属元素,且原子序数E>D>C>B>A,则A为氢元素,E可能为钠或钾元素;B、D同主族,且最外层的p能级电子数是s能级电子数的2倍,故二者价电子排布为ns2np4,为ⅥA族元素,B为氧元素,D为硫元素,则E为钾元素;C原子最外层电子数等于D原子最外层电子数的一半,故C为铝元素。
26
答案:(1)H O Al S K
(2)第3周期ⅥA族
(3)2s22p4
(4)> >
(5)极性 V形 极性键
(6)
10.元素X和Y属于同一主族。负二价的X的氢化物在通常状况下是一种液体,其中X的质量分数为88.9%;元素X和元素Y可以形成两种化合物,在这两种化合物中,X的质量分数分别为50%和60%。
(1)确定X、Y两种元素在周期表中的位置:X______、Y________。
(2)在元素X和Y形成的化合物中,写出X的质量分数为50%的化合物的化学式________;该分子的中心原子采取________杂化,是________(填“极性”或“非极性”)分子,分子的空间构型呈________。
(3)写出X的质量分数为60%的化合物的化学式________;该分子的中心原子采取________杂化,是________(填“极性”或“非极性”)分子,分子的空间构型呈________。
(4)由元素氢、X和Y形成的化合物常见的有两种,其水溶液均呈酸性,试分别写出其分子式_______、_______,并比较酸性强弱________________________。
(5)由氢元素与X元素形成的化合物中,含有非极性键的是________(写分子式),分子的空间构型呈V形的是________(写分子式)。
解析:根据氢化物的化学式为H2X,知×100%=88.9%,M(X)=16。可推知,X的相对原子质量为16,则X为O,Y为S,其氧化物分别为SO2、SO3,在SO2分子中,价电子对数1/2×6=3,sp2杂化,孤电子对数3-2=1,SO2为V形分子,结构不对称为极性分子;在SO3分子中,价电子对数1/2×6=3,sp2杂化,孤电子对数3-3=0,SO3为平面三角形分子,结构对称,为非极性分子。三种元素组成的化合物为H2SO3、H2SO4,酸性:H2SO4>H2SO3。元素X为O,与氢元素形成两种化合物H2O和H2O2,其中H2O分子的空间构型呈V形,H2O2分子中含有O—O非极性键。
答案:(1)第2周期ⅥA族 第3周期ⅥA族
(2)SO2 sp2 极性 V形
(3)SO3 sp2 非极性 平面三角形
(4)H2SO3 H2SO4 H2SO4>H2SO3
(5)H2O2 H2O
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