高中化学《分子的立体结构》课件 新人教版选修3.ppt

第二节分子的立体构型 第二章分子结构与性质 在宇宙的秩序与和谐面前 人类不能不在从心里发出由衷的赞叹 激起无限的好奇 爱因斯坦 所谓 分子的立体构型 指多原子构成的共价分子中的原子的空间关系问题 在o2 hcl这样的双原子分子中不存在分子的立体结构问题 o2 hcl 一 形形色色的分子 h2o co2 c2h2 ch2o cocl2 nh3 p4 ch4 ch3ch2oh ch3cooh c6h6 c8h8 ch3oh c60 c20 c40 c70 科学视野分子立体构型的测定 x射线衍射电子衍射红外光谱测分子立体结构 红外光谱仪 吸收峰 分析 同为三原子分子 co2和h2o分子的空间结构却不同 什么原因 思考 直线形 v形 同为四原子分子 ch2o与nh3分子的的空间结构也不同 什么原因 思考 三角锥形 平面三角形 写出co2 h2o nh3 ch2o ch4等分子的电子式 结构式及分子的空间构型 o c o h o h 直线形 v形 三角锥形 平面三角形 正四面体 中心原子 对abn型分子 b围绕a成键 则a为中心原子 n值为中心原子结合的原子数 分析co2 h2o nh3 ch2o ch4电子式的中心原子价电子层电子的成键情况 孤对电子 未用于形成共价键的电子对 结论 成键电子对和孤对电子对会影响分子的空间构型 直线形 平面三角形 正四面体 v形 三角锥形 小结 孤对电子对分子立体结构影响较大 二 价层电子对互斥理论 价层电子对相互排斥的结果决定了分子的立体结构 价层电子对是指分子中的中心原子上的电子对 包括 键电子对和中心原子上的孤电子对 键电子对数等于中心原子结合的原子数 价电子互斥模型又称vsepr模型 可用来预测分子的立体结构 中心原子上的孤电子对数的确定方法 中心原子上的孤电子对数 1 2 a xb a为中心原子的价电子数 x为与中心原子结合的原子数 b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数 对于阳离子来说 a为中心原子的价电子数减去离子的电荷数 对于阴离子来说 a为中心原子的价电子数加上离子的电荷数 练习 判断下列微粒的价层电子对数 1 ch4h2onh3 2 co2so2bf3 3 ccl4h3o nh4 4 co32 pcl5no2 5 no3 so42 sf6 444 233 444 353 346 中心原子上无孤对电子的分子 vsepr模型就是其分子的立体结构 中心原子上存在孤对电子的分子 先由价层电子对数得出含有孤对电子的价层电子对互斥模型 然后略去孤对电子在价层电子对互斥模型占有的空间 剩下的就是分子的立体结构 1 价层电子对数 2 直线型 co2 分子类型 ab2 ch2o 2 价层电子对数 3 分子类型 ab3 bf3 平面三角形 3 价层电子对数 4 ch4 三角锥形 h2o 角形 正四面体 nh3 ab4 ab3 ab2 分子类型 成键电子对数 孤对电子对数 4 0 3 1 2 2 正四面体 nh3的空间构型 4 价层电子对数 5 pcl5 sf4 clf3 三角双锥 变形四面体 t形 直线形 三角双锥 i3 5 价层电子对数 6 八面体 sf6 平面正方形 八面体 四方锥形 if5 直线形 四面体 正四面体 直线形 形 三角锥形 平面三角形 正四面体 四面体 平面三角形 2 2 3 3 4 中心原子所含孤对电子对数 0 2 1 0 0 应用反馈 0 1 2 0 1 0 0 0 2 2 2 3 3 4 4 4 直线形 v形 v形 平面三角形 三角锥形 四面体 正四面体 正四面体 思考与交流 1 甲烷分子呈正四面体结构 它的四个c h键的键长相同 键角都是109 28 四个c h键的性质完全相同 2 根据价键理论 甲烷形成四个c h键都应该是 键 然而c原子最外层的四个电子分别2个在球形2s轨道 2个在相互垂直2p轨道上 用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠 不可能形成四面体构型的甲烷分子 如何解决上列一对矛盾 值得注意的是价层电子对互斥模型只能解释化合物分子的空间构形 却无法解释许多深层次的问题 为了解决这一矛盾 鲍林提出了杂化轨道理论 三 杂化轨道理论简介 鲍林 1 杂化 杂化是指在形成分子时 由于原子的相互影响 若干不同类型能量相近的原子轨道混杂起来 重新组合成一组新的原子轨道 这种重新组合的过程叫做杂化 所形成的新的轨道称为杂化轨道 2 杂化的过程 杂化轨道理论认为在形成分子时 通常存在激发 杂化和轨道重叠等过程 为了四个杂化轨道在空间尽可能远离 使轨道间的排斥最小 4个杂化轨道的伸展方向分别指向正四面体的四个顶点 ch4分子的形成过程 碳原子2s轨道中的一个电子吸收能量跃迁到2p轨道上 这个过程称为激发 但此时各个轨道的能量并不完全相同 于是一个2s轨道和三个2p轨道 混杂 起来 形成能量相等 成份相同的四个sp3杂化轨道 然后四个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥 使四个sp3杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点 碳原子四个sp3杂化轨道分别与四个氢原子的1s轨道形成四个相同的sp3键 从而形成ch4分子 由于四个c h键完全相同 所以形成的ch4分子为正四面体 键角为109 28 3 杂化轨道理论的要点 1 发生轨道杂化的原子一定是中心原子 2 参加杂化的各原子轨道能量要相近 同一能级组或相近能级组的轨道 3 杂化轨道的能量 形状完全相同 4 杂化前后原子轨道数目不变 参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目 杂化后原子轨道方向改变 杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠 5 杂化轨道在空间构型上都具有一定的对称性 以减小化学键之间的排斥力 6 分子的构型主要取决于原子轨道的杂化类型 常见的sp3杂化 四面体形 在学习价层电子对互斥模型时我们知道 h2o和nh3的vsepr模型跟甲烷一样 也是四面体形的 因此它们的中心原子也是采取sp3杂化的 所不同的是 水分子的氧原子的sp3杂化轨道有2个孤对电子占据的 而氨分子的氮原子的sp3杂化轨道有1个由孤对电子占据 你还能说出哪些分子的中心原子采取的是sp3杂化 nh3 h2o cx4 h2s ch2x2等 也就是当中心原子价层电子对数为4时 这个中心原子就进行了sp3杂化 烷烃和其它化合物分子中的饱和碳原子均为sp3杂化 4 杂化轨道的类型 1 sp杂化 sp杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道组合而成的 sp杂化轨道的夹角是180 呈直线形 例如 气态的becl2分子的结构 be原子的电子层结构是1s22s2 从表面上看be原子似乎不能形成共价键 但是在激发状态下 be的一个2s电子进入2p轨道 经过杂化形成两个sp杂化轨道 与氯原子中的3p轨道重叠形成两个sp p 键 由于杂化轨道间的夹角为180 所以形成的becl2分子的空间结构是直线形的 be原子sp杂化轨道形成过程 be原子基态 激发态 杂化态 sp杂化是一个s轨道和一个p轨道组合而成的 每个sp杂化轨道含有 1 2 s和 1 2 p的成分 杂化轨道间的夹角为180 呈直线型 为什么铍原子的四个电子不单独分占四个轨道 进而形成四个杂化轨道呢 这是因为组成杂化轨道的原子轨道 要求能量相差不能太大 2s轨道和2p轨道在能量上是比较接近的 而2s 2p和1s相比能量相差较大 不易形成杂化轨道 你还能说出哪些分子的中心原子采取的是sp杂化 co2 c2h2等 也就是当中心原子价层电子对数为2时 这个中心原子就进行了sp杂化 2 sp2杂化 sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道组合而成的 sp2杂化轨道的夹角是120 呈平面三角形 例如 bf3分子的结构 b原子的电子层结构是1s22s22px1 当硼与氟反应时 b的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中 使b原子的电子层结构变为1s22s12px12py1 b原子的2s轨道和两个2p轨道杂化组合成三个sp2杂化轨道 b原子三个sp2杂化轨道分别与氟原子的各一个2p轨道重叠形成三个sp2 p 键 由于三个sp2杂化轨道在同一平面上 而且夹角为120 所以形成的bf3分子的空间结构是平面三角形 sp2杂化是一个s轨道和两个p轨道组合而成的 每个sp2杂化轨道含有 1 3 s和 2 3 p的成分 杂化轨道间的夹角为120 呈平面三角形 如bf3分子 你还能说出哪些分子的中心原子采取的是sp2杂化 ch2o c2h4 so2等 也就是当中心原子价层电子对数为3时 这个中心原子就进行了sp2杂化 5 三种sp杂化轨道类型的比较 1个s 2个p 1个s 1个p 1个s 3个p 2个sp杂化轨道 3个sp2杂化轨道 4个sp3杂化轨道 180 120 109 28 直线形 平面三角形 正四面体形 becl2 bf3 ch4 6 几点说明 1 杂化轨道只用于形成 键或者用来容纳未参与成键的孤对电子 2 未参与杂化的p轨道 可用于形成 键 3 有几个原子轨道参与杂化 就形成几个杂化轨道 4 利用中心原子杂化轨道类型可直接判断分子的立体结构 杂化轨道的电子云一头大 一头小 成键时利用大的一头 可以使电子云重叠程度更大 从而形成稳定的化学键 即杂化轨道增强了成键能力 科学探究 用杂化轨道理论探究氰化氢 hcn 分子和甲醛 ch2o 分子的结构 路易斯结构式 立体结构 sp杂化 sp2杂化 用杂化轨道理论分析下列物质的杂化类型 成键情况和分子的空间构型 1 ch2 ch2 2 ch ch 提醒 杂化轨道只能用于形成 键或容纳孤对电子 剩余的未杂化p轨道还可形成 键 应用反馈 c原子在形成乙烯分子时 碳原子的2s轨道与2个2p轨道发生杂化 形成3个sp2杂化轨道 伸向平面正三角形的三个顶点 每个c原子的2个sp2杂化轨道分别与2个h原子的1s轨道形成2个相同的 键 各自剩余的1个sp2杂化轨道相互形成一个 键 各自没有杂化的1个2p轨道则垂直于杂化轨道所在的平面 彼此肩并肩重叠形成 键 所以 在乙烯分子中双键由一个 键和一个 键构成 c原子在形成乙炔分子时发生sp杂化 两个碳原子以sp杂化轨道与氢原子的1s轨道结合形成 键 各自剩余的1个sp杂化轨道相互形成1个 键 两个碳原子的未杂化2p轨道分别在y轴和z轴方向重叠形成 键 所以乙炔分子中碳原子间以叁键相结合 注意 杂化轨道一般形成 键 没有杂化的p轨道形成 键 已知 杂化轨道只用于形成 键或者用来容纳孤对电子 中心原子孤对电子对数 中心原子结合的原子数 例题 1 下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是a co2与so2b ch4与nh3c becl2与bf3d c2h4与c2h2 2 为什么ch4 nh3与h2o分子中中心原子的杂化轨道的类型都是sp3杂化 但三者的空间构型却大不相同 ch4 nh3与h2o分子中中心原子的杂化轨道的类型都是sp3杂化 为四面体 其中ch4中四个占据四个顶点 而nh3与h2o中分别有一对和两对孤对电子占据了四面体的顶点 所以 b 3 bf3是平面三角形 但nf3却是三角锥形 试用杂化轨道理论加以说明 在bf3中b原子以三个sp2杂化轨道分别与三个f原子的2p轨道形成三个sp2 p 键 由于三个sp2杂化轨道在同一平面上 而且夹角为120 所以形成的bf3分子的空间结构是平面三角形 而nf3中n原子形成四个sp3杂化轨道 其中有一个杂化轨道被一对孤对电子占据 其余三个杂化轨道分别与三个f原子的2p轨道形成三个sp3 p 键 由于孤对电子对对成键电子对的排斥作用 致使sp3 p 键的键角小于109 28 所以nf3分子几何构形是三角锥形 练习1 在乙烯分子中有5个 键 一个 键 它们分别是 a sp2杂化轨道形成 键 未杂化的2p轨道形成 键b sp2杂化轨道形成 键 未杂化的2p轨道形成 键c c h之间是sp2形成的 键 c c之间是未参加杂化的2p轨道形成的 键d c c之间是sp2形成的 键 c h之间是未参加杂化的2p轨道形成的 键 a 2 下列分子的中心原子形成sp2杂化轨道的是a h2ob nh3c c2h4d ch4 c 3 有关乙炔分子中的化学键描述不正确的是a 两个碳原子采用sp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 键d 两个碳原子形成两个 键 b 4 氨气分子空间构型是三角锥形 而甲烷是正四面体形 这是因为 a 两种分子的中心原子的杂化轨道类型不同 nh3为sp2型杂化 而ch4是sp3型杂化 b nh3分子中n原子形成三个杂化轨道 ch4分子中c原子形成4个杂化轨道 c nh3分子中有一对未成键的孤对电子 它对成键电子的排斥作用较强 c 5 下列结构图中 代表原子序数从1到10的元素的原子实 原子实是原子除去最外层电子后剩余的部分 小黑点代表未用于形成共价键的最外层电子 短线代表共价键 示例 f2 a b c d 根据各图表示的结构特点 写出该分子的化学式 a nh3 b hcn c co nh2 2 d bf3 6 下列关于苯分子的描述不正确的是a 苯分子中的碳原子均以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 每个碳原子还有一个未参与杂化的2p轨道以 肩并肩 形式形成一个大 键c 苯分子中所有原子共面 六个碳碳键完全相同 分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊的键d 邻二甲苯存在同分异构体 d 杂化类型 参加杂化的轨道 杂化轨道数 分子空间构型 实例 价层电子对数 s p s 2 p s 3 p 2 4 3 四面体 2 3 4 sp sp2 sp3 小结 杂化轨道的类型与分子的空间构型 杂化轨道间的夹角 直线形 三角形 三角锥 v型 109 5 判断分子或离子中心原子的杂化类型的一般方法 1 对于主族元素来说 中心原子的杂化轨道数 价层电子数 键电子对数 中心原子结合的电子数 孤电子对数规律 当中心原子的价层电子对数为4时 其杂化类型为sp3杂化 当中心原子的价层电子对数为3时 其杂化类型为sp2杂化 当中心原子的价层电子对数为2时 其杂化类型为sp杂化 2 通过看中心原子有没有形成双键或三键来判断中心原子的杂化类型 规律 如果有1个三键或两个双键 则其中有2个 键 用去2个p轨道 形成的是sp杂化 如果有1个双键则其中必有1个 键 用去1个p轨道 形成的是sp2杂化 如果全部是单键 则形成sp3杂化 为什么cuso4 5h2o晶体是蓝色而无水cuso4是白色 cu h2o 4 2 so42 天蓝色 天蓝色 天蓝色 无色 无色 无色 na cl k br k 固体 溶液颜色 无色离子 cuso4 cucl2 2h2o cubr2 nacl k2so4 kbr 什么离子呈天蓝色 白色 白色 白色 白色 绿色 深褐色 思考与交流1 cu h2o 4 2 平面正方形结构 cu2 与h2o是如何结合的呢 思考与交流2 四 配合物理论简介 1 配位键 1 概念 成键的两个原子一方提供孤对电子 一方提供空轨道而形成的共价键 2 形成条件 一方提供孤对电子 一方提供空轨道 注意 配位键是一种特殊的共价键 配位键同样具有饱和性和方向性 h3o nh4 中含有配位键 3 配位键的表示方法 cu h2o h2o h2o oh2 2 请你写出nh4 的配位键的表示法 讨论在nh3 bf3中 何种元素的原子提供孤对电子 何种元素的原子接受孤对电子 写出nh3 bf3的结构式 nh3中n原子提供孤对电子 bf3中的b原子提供空轨道接受孤对电子 2 配位化合物 配合物 1 概念 由提供孤对电子对的配体与接受孤对电子对的中心原子以配位键结合形成的化合物 或把金属离子 或原子 与某些分子或离子 称为配体 以配位键结合形成的化合物 配合物种类已超过数百万 配位键的强度有大有小 因而有的配合物很稳定 有的不稳定 许多过渡元素金属离子对多种配体具有很强的结合力 因而过渡金属配合物远比主族金属的配合物多 3 配合物的组成 相关说明 中心原子 也称配位体的形成体 一般是带正电荷的阳离子 主要是过渡金属的阳离子 但也有中性原子 如 ni co 5 fe co 5中的ni和fe都是中性原子 配位体 配位体可以是阴离子 如x oh scn cn c2o42 po43 等 也可以是中性分子 如h2o nh3 co 醇 胺 醚等 配位体中直接同中心原子配合的原子叫做配位原子 配位原子是必须含有孤对电子的原子 如nh3中的n原子 h2o分子中的o原子 配位原子常是va via viia主族元素的原子 配位数 直接同中心原子 或离子 配位的原子 离子或分子 总的数目 一般中心原子 或离子 的配位数为2 4 6 8 在计算中心离子的配位数时 一般是先在配离子中找出中心离子和配位体 接着找出配位原子数目 如 co nh3 4cl2 cl配位数是6 cuso4 5h2o是配合物 向硫酸铜水溶液中加入氨水 蓝色沉淀 深蓝色的透明溶液 深蓝色的晶体 产生现象的原因 cu2 2nh3 h2o cu oh 2 2nh4 cu oh 2 4nh3 cu nh3 4 2 2oh 深蓝色的晶体 cu nh3 4 so4 h2o cu nh3 4 2 离子 实验2 3在盛有氯化铁溶液 或任何含有的fe3 溶液 的试管中滴加硫氰化钾 kscn 溶液 现象 生成血红色溶液 原因 生成 fe scn n 3 n n 1 6 作用 检验或鉴定fe3 用于电影特技和魔术表演 配位键的强度有大有小 当遇上配合能力更强的配体时 由一种配离子可能会转变成另一种更稳定的配离子 fe3 scn fe scn 2 硫氰酸根 血红色 观察 在上述血红色溶液中加入naf溶液有什么现象 fe scn 2 6f fef6 3 scn 血红色 无色 结论 配离子中的中心离子 电子对接受体 通常是金属离子 尤其是过渡金属离子 配位体中的配位原子 电子对给予体 通常是主族非金属原子 现象 溶液变成血红色 4 配合物的命名 内界命名顺序 自右向左配位体数 即配位体右下角的数字 配位体名称 合 字或 络 字 中心离子的名称 中心离子的化合价 zn nh3 2 so4内界名称为 k3 fe cn 6 内界名称为 zn nh3 4 cl2命名为 k3 fe cn 6 命名为 cu nh3 4 so4命名为 ag nh3 2 oh命名为 二氨合锌离子 六氰合铁离子 二氯化四氨合锌 六氰合铁 化钾 硫酸四氨合铜 氢氧化二氨合银 在晶体 气态或溶液中配离子的存在状态不变化 配位化合物内界和外界为离子键完全电离 配合物也有异构现象 如pt nh3 2cl2分子有二种结构 配合物具有一定的稳定性 配合物中配位键越强 配合物越稳定 配位原子的电负性越大或配位体的碱性越强 配合物越不稳定 5 配合物的性质 配离子在改变条件时可能被破坏 加强热 形成溶解度很小的沉淀 加入氧化剂和还原剂 加入酸或碱 6 配合物的应用 a在生命体中的应用 b在医药中的应用 c配合物与生物固氮 d在生产生活中的应用 王水溶金 叶绿素 血红蛋白 抗癌药物 酶 维生素b12 钴配合物 含锌的配合物 含锌酶有80多种 固氮酶 照相技术的定影 电解氧化铝的助熔剂na3 alf6 热水瓶胆镀银 h aucl4 卟啉配合物叶绿素的结构 叶绿素中心离子 mg2 血红素中心离子 亚铁离子 维生素b12中心离子 钴离子 配合物的盐与复盐的比较 复盐 能电离出两种或两种以上阳离子的盐如明矾kal so4 2 12h2o 光卤石kcl mgcl2 6h2o等 仅在固态时稳定存在 一旦溶于水 几乎全部解离成各组分离子 kal so4 2 12h2o 溶于水 k al3 2so42 12h2okcl mgcl2 6h2o 溶于水 k mg2 3cl 6h2o 配合物盐 是在配合物的溶液或晶体中 十分明确地存在着含有配位键的 能独立存在的复杂组成的离子 cu nh3 4 so4 h2o cu nh3 4 2 so42 h2o 有fe2 cu2 zn2 ag h2onh3 co 可以作为中心离子的是 可以作为配体的是 fe2 cu2 zn2 h2o nh3 co ag ch4