高中化学 4.1.1 分子的空间构型同步课件 苏教版选修3.ppt

第一单元分子构型与物质的性质 第1课时分子的空间构型 能用杂化轨道理论 价层电子对互斥模型及等电子原理解释或预测一些分子或离子的空间构型 知道一些常见简单分子的空间立体构型 如甲烷 氨分子 苯 乙烯等 1 2 ch4 ch2 ch2 的立体构型是什么 提示ch4 正四面体形ch2 ch2 平面形 平面正六边形 c原子和h原子结合形成的分子为什么是ch4 为什么ch4分子是正四面体型 答案根据杂化轨道理论 c原子是ch4分子的中心原子 其价层电子基态为2s22px12py12pz0 在形成ch4分子的过程中 c原子的1个2s电子激发到2pz0空轨道 只有一个未成对电子的2s轨道与3个均含有未成对电子的2p轨道混合起来 形成能量相等 成分相同的4个完全等同的sp3杂化轨道 然后 中心原子c以夹角均为109 5 的4个完全 笃学一分子的空间构型 1 等同的sp3杂化轨道 分别与4个h原子的1s轨道重叠 形成4个sp3 s型的 键 故ch4分子的空间构型为正四面体 杂化轨道理论很好的解释了甲烷分子的正四面体结构 为了满足生成bf3和becl2的要求 b和be原子的价电子排布应如何改变 用轨道式表示b be原子的价电子结构的改变 答案b原子的基态电子排布式为1s22s22px1 当硼与氟反应时 硼原子的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中 1个2s轨道和2个p轨道发生杂化 形成能量相同 成分相同的3个sp2杂化轨道 b原子的三个sp2杂化轨道间的夹角为120 因此bf3具有平面三角形结构 be原子的基态电子排布式是1s22s2 在激发态下 be的一个2s电子可以进入2p轨道 be原子的1个2s轨道和1个2p轨道发生杂化 形成能量相等成分相同的2个sp杂化轨道 be原子的2个sp杂化轨道间的夹角为180 因此becl2为直线形分子 2 如下图 请用杂化轨道理论分析乙烯和乙炔分子的成键情况 3 乙烯和乙炔的结构示意图 答案在乙烯分子中c原子由一个s轨道和两个p轨道进行杂化 组成三个等同的sp2杂化轨道 sp2轨道彼此成120 角 乙烯中两个碳原子各用一个sp2轨道重叠形成一个c c 键外 各又以两个sp2轨道和四个氢原子的1s轨道重叠 形成四个 键 这样形成的五个键在同一平面上 每个c原子还剩下一个py轨道 它们垂直于这五个 键所在平面 互相平行电子的自旋方向相反 沿着x轴平行地侧面重叠 形成 键 在乙炔分子中碳原子由一个2s轨道和一个2p轨道 组成两个sp杂化轨道 两个sp杂化轨道夹角180 在乙炔分子中 两个碳原子各以一个sp轨道互相重叠 形成一个c c 键 每一个碳原子又各以一个sp轨道分别与一个氢原子形成 键 此外每个碳原子还有两个互相垂直的未杂化的p轨道 它们与另一个碳的两个p轨道两两互相侧面重叠形成两个 键 由于价层电子对之间的相互排斥作用 它们趋向于尽可能的相互远离以减小斥力 分子尽可能采取对称的空间构型 价层电子对的空间构型与价层电子对数目的关系 价层电子对数目与价层电子对构型关系 笃学二确定分子空间构型的简易方法 1 价层电子对互斥模型 对于abm型分子 a为中心原子 b为配位原子 分子的价电子对数可以通过下式确定 2 价电子对数计算方法 其中 中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数 配位原子中卤素原子 氢原子提供1个价电子 氧原子和硫原子按不提供价电子计算 如果讨论的是离子 则应加上或减去与离子电荷相应的电子数 如po43 中p原子价层电子数应加上3 而nh4 中n原子的价层电子数应减去1 如果价层电子数出现奇数电子 可把这个单电子当作电子对看待 具有相同价电子对数的分子 中心原子的杂化轨道类型相同 价电子对分布的几何构型也相同 如ch4 nh3和h2o分子 价电子对分布的几何构型均为四面体 如果分子中中心原子的杂化轨道上存在孤电子对 由于孤电子对比成键电子对更靠近中心原子的原子核因而价电子对之间的斥力大小顺序为 孤电子对与孤电子对之间的斥力 孤电子对与成键电子对之间的斥力 成键电子对与成键电子对之间的斥力 且随着孤电子对数目的增多 成键电子对与成键电子对之间的斥力减小 键角也减小 如ch4 nh3 h2o分子中的键角依次减小 3 指出下列化合物可能采取的杂化类型 并预测其分子的几何构型 1 beh2 2 bbr3 3 sih4 4 ph3 答案 1 sp杂化直线形 2 sp2杂化平面三角形 3 sp3杂化正四面体形 4 sp3杂化三角锥形 慎思1 分析hcn分子和ch2o分子中的 键 如下图 慎思2 答案hcn分子中c采取sp杂化形成直线形分子 hcn分子中含有一个c h 键 一个c n 键 两个c n 键 ch2o分子中碳原子的价电子采取sp2杂化形成平面三角形分子 c原子有一个未成对电子的2p轨道 与o原子一个未成对电子的2p轨道形成 键 在形成氨气分子时 氮原子中的原子轨道发生sp3杂化生成4个 生成的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杂化轨道其中一个轨道含有一对 所以氨气分子中的键角与甲烷不同 解析nh3中n原子为sp3杂化 形成4个sp3杂化轨道 但nh3分子空间构型不是正四面体形 而是三角锥形 是因为氮原子形成nh3时仍有一对孤电子对 答案sp3杂化轨道33孤电子对 慎思3 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 杂化 分子的结构式 空间构型 2 ch2o中的c 杂化 分子的结构式 空间构型 3 ch4分子中的c 杂化 分子的结构式 空间构型 4 h2s分子中的s 杂化 分子的结构式 空间构型 慎思4 解析杂化轨道所用原子轨道的能量相近 且杂化轨道只能用于形成 键 剩余的p轨道还可以形成 键 杂化轨道类型决定了分子 或离子 的空间构型 如sp2杂化轨道的键角为120 空间构型为平面三角形 因此 也可根据分子的空间构型确定分子 或离子 中杂化轨道的类型 如co2为直线形分子 因此分子中杂化轨道类型为sp杂化 若abn的中心原子a上没有未用于形成共价键的孤电子对 运用价层电子对互斥模型 下列说法正确的是 a 若n 2 则分子的立体结构为v形b 若n 3 则分子的立体结构为三角锥型c 若n 4 则分子的立体结构为正四面体型d 以上说法都不正确解析若中心原子a上没有未用于成键的孤电子对 则根据斥力最小的原则 当n 2时 分子结构为直线形 n 3时 分子结构为平面三角形 n 4时 分子结构为正四面体型 答案c 慎思5 为了解释和预测分子的空间构型 科学家在归纳了许多已知的分子空间构型的基础上 提出了一种十分简单的理论模型 价层电子对互斥模型 这种模型把分子分成两类 一类是 另一类是 bf3和nf3都是四个原子的分子 bf3的中心原子是 nf3的中心原子是 bf3分子的立体构型是平面三角形 而nf3分子的立体构型是三角锥型的原因是 慎思6 解析多原子分子的中心原子的价层电子均是未成对电子时 和其他原子全部形成化学键 若有成对电子 则以孤电子对的形式存在 故价层电子对互斥模型把分子按中心原子的成键情况分成两类 bf3的中心原子是b原子 共有三个价电子 全部用于成键 根据价电子对互斥模型应为平面三角形最稳定 nf3分子的中心原子是n原子 有五个价电子 只用了三个成键 还有一对孤对电子 根据价电子对互斥模型 孤对电子参与价键的排斥 使三个共价键偏离平面三角形而形成三角锥形 答案中心原子上的价电子都用于形成共价键中心原子上有孤电子对bnbf3分子中b原子的3个价电子都与f原子形成共价键而呈平面三角形 而nf3分子中n原子的3个价电子与f原子形成共价键 还有一对未成键的电子对 占据了n原子周围的空间 参与相互排斥 形成三角锥形 杂化轨道 在外界条件影响下 原子内部能量相近的原子轨道重新组合的过程叫轨道的杂化 组合后形成的一组新的原子轨道 叫做杂化原子轨道 简称杂化轨道 杂化轨道理论认为 在形成分子时 通常存在激发 杂化 轨道重叠等过程 但应注意 原子轨道的杂化 只有在形成分子的过程中才会发生 而孤立的原子是不可能发生杂化的 同时只有能量相近的原子轨道 如2s 2p等 才能发生杂化 而1s轨道与2p轨道由于能量相差较大 它是不能发生杂化的 要点一 杂化轨道理论 1 2 杂化轨道成键时 要满足化学键间最小排斥原理 键与键间排斥力大小决定键的方向 即决定杂化轨道间的夹角 由于键角越大化学键之间的排斥能越小 对sp杂化来说 当键角为180 时 其排斥能最小 所以sp杂化轨道成键时分子呈直线形 对sp2杂化来说 当键角为120 时 其排斥能最小 所以sp2杂化轨道成键时 分子呈平面三角形 由于杂化轨道类型不同 杂化轨道夹角也不相同 其成键时键角也就不相同 故杂化轨道的类型与分子的空间构型有关 杂化轨道的数目与组成杂化轨道的各原子轨道的数目相等 4 3 sp型杂化对于非过渡元素 由于ns np能量接近 往往采用sp型杂化 而sp型杂化又分为 sp杂化 一个s轨道和一个p轨道间的杂化 sp2杂化 一个s轨道和两个p轨道间的杂化 sp3杂化 一个s轨道和三个p轨道间的杂化 对sp型杂化而言 杂化轨道的空间分布与形成分子的立体构型的关系sp杂化 键角180 空间构型直线形 例如 c2h2 sp2杂化 键角120 空间构型平面正三角形 例如 bf3 sp3杂化 键角109 5 空间构型正四面体型 例如 ch4 cf4 6 5 甲烷中的碳原子采取sp3杂化 水分子的氧原子采取sp3杂化 nh3分子中的氮原子采取的sp3杂化 sp杂化和sp2杂化后还有未参与杂化的p轨道 可用于形成 键 而杂化轨道只用于形成 键或者用来容纳未参与成键的孤电子对 7 8 有关苯分子说法不正确的是 a 苯分子中c原子均以sp2杂化方式成键 形成120 的三个sp2杂化轨道 故为正六边形的碳环b 每个碳原子还有1个未参与杂化的2p轨道 垂直碳环平面 相互交盖 形成共轭大 键c 大 键中6个电子被6个c原子共用 故称为6中心6电子大 键d 苯分子中共有6个原子共面 6个碳碳键完全相同解析苯分子中共有6个碳原子和6个氢原子共面 答案d 例1 会用杂化轨道理论解释常见分子的空间构型 下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是 bf3 ch2 ch2 ch ch nh3 ch4a b c d 解析sp2杂化轨道形成的是三个夹角为120 的平面三角形杂化轨道 且其中还有未参与杂化的p轨道 可形成一个 键 而杂化轨道只用于形成 键或容纳未成键的孤电子对 的键角均为120 为sp杂化 为sp3杂化 答案a 体验1 要点二 常见分子的空间构型 价层电子对理论 杂化轨道理论与分子间的空间构型关系见下表 1 1 双原子分子都是直线形 如 hcl no o2 n2等 2 三原子分子有直线形 如co2 cs2等 还有 v 形 如h2o h2s so2等 3 四原子分子有平面三角形 如bf3 bcl3 ch2o等 有三角锥型 如nh3 ph3等 也有正四面体 如p4 4 五原子分子有正四面体 如ch4 ccl4等 也有不规则四面体 如ch3cl ch2cl2 chcl3 另外乙烯分子和苯分子都是