有机物的成键特点.doc

新教材教学研究2006年12月发表于考试报碳原子轨道的杂化与有机物的成键特点（211100）江苏省南京江宁高级中学 熊光发 有机化学是碳化合物化学，任何有机物的分子都含有碳原子，要真正了解有机物的成键特点，进而了解有机物的性质、化学反应以及分子结构特征，必须从分析碳原子的结构和它的特殊成键方式和能力入手。碳原子的成键特点是有机物成键特点的主要内容。一、C原子轨道的3种杂化方式与成键特点有机物中的C原子，基态时的电子排布式为1s22s22p2 ，其价层电子构型为2s22p2 ，碳原子价层中的4个电子，反应时既不容易失去，也不容易夺取其它原子的电子而增加。杂化轨道理论认为，当一个C原子与其他原子发生作用时，C原子中的1个2s电子可以被激发到1个空的2p轨道上去，使基态的C原子转变为激发态的C原子（2s12p3 ）：激发态C原子中的2s轨道再根据需要与不同数目的2p轨道发生杂化，形成能量等同的杂化轨道，用于与其他原子形成共价键。碳原子轨道的杂化共有3种方式并显现出相应的成键特点：1C原子的2s轨道与各填有1个电子的3个2p轨道发生sp3杂化，形成4个能量等同的sp3杂化轨道：C原子的sp3杂化轨道的成键的特点：C原子无论是自身还是与其它原子成键全都是单键，即形成4个键 。这样就在有机物中出现了C-H、C-O、C-C、C-X 、有机物中的典型代表有：CH4、CCl4 。C的四个SP3杂化轨道是正四面体结构，所以CH4分子中C原子的每一个SP3杂化轨道与H的一个S轨道交叠，就形成了正四面体结构（轨道对称轴之间的夹角均为10928）： 2C原子的2s轨道与各填有1个电子的2个2p轨道发生sp2杂化，形成3个能量等同的sp2杂化轨道：C原子的sp2杂化轨道的成键的特点：形成3个单键即3个键的同时，又可以1个未参与杂化的2p轨道与成键原子形成1个键，这样就在有机物中出现了C=C、C=O、（苯分子中的6个C原子各贡献1个未参与杂化的2p轨道，相互肩并肩重叠形成的键，通常称为大键）。C原子3个sp2杂化轨道的电子云模型是平面正三角形（轨道对称轴之间的夹角均为120）。有机物中的典型代表有：乙烯、苯。乙烯分子中2个C原子与4个H原子的成键情况如下：3C原子的2s轨道与各填有1个电子的1个2p轨道发生sp杂化，形成2个能量等同的sp杂化轨道：C原子sp杂化轨道的成键的特点：形成1个单键即1个键的同时，又可以2个未参与杂化的2p轨道与成键原子形成2个键，这样就在有机物中出现了CC、CN、C原子2个sp杂化轨道的电子云模型是直线形（轨道对称轴之间的夹角均为180）。有机物中的典型代表有：乙炔所以有机物的成键特点为：1C原子含有4个价电子，易跟多种原子形成共价键。 2易形成单键、双键、叁键、碳链、碳环等多种复杂结构单元。碳原子特殊的成键能力和方式是有机物种类繁多、数目庞大的主要原因。特别要指出的是：在分析有机物中原子成键情况时，要时刻注意并使用好通常所说的“碳四键原理”（当然还有氢一键、N三键、O二键等）。二、相关内容解题运用1烷烃分子可以看作由等结合而成，如果某烷烃分子中同时存在这些基团，则最少应含有 个碳原子，其结构简式可看作 或 或 。【解析】可以用拼凑法解这种试题，但比较繁，而且易排重复。最好根据有机物的成键特点，用价键守恒的方法来求解，因为C是四键，则所给四个基团余下的键分别是1、2、3、4，在C原子相互结合时，形成一个单键用掉两个键，余下的键用甲基来成键应该是碳原子数最少的。假设后三个分别都是1个，则三者总键数=2+3+4=9，他们两两相连成链状形成两个单键，用掉4个键，则余下5个键，用甲基来成键可以连接5个甲基，所以最少应有8个碳原子。 解题规律：对于计算指定集团组合最少碳原子数时，可以采用价键守恒法，其核心是明确碳原子是四键，氢是一键，氧是二键，氮是三键；n个碳形成链状分子有n-1个成键部位，形成一个环状分子有n个成键部位。2（1）由两个C原子、一个O原子、一个N原子和若干个H原子组成的共价化合物，H的原子数目最多有 个，试写出其中一例的结构简式： 。（2）若某共价化合物分子中只含有C、N、H三种元素，且以n(C)和n(N)分别表示C和N的原子数目，则氢原子数目最多等于 。（3）若某共价化合物分子中只含有C、N、O、H四种元素，且以n(C)、n(N)和n(O)分别表示C、N和O的原子数目，则H原子数目最多等于 。【解析】 依据碳四键、氮三键、氧二键的原理：当C、N、O在链中以单键相互连接时，各饱和掉两个价键，如果不考虑端点上的2个氢，则每个碳原子还可以连接2个氢，每个氮还可以连接1个氢，氧原子上不能再连接氢，因此，由2个C原子、1个O原子、1个N原子和若干个H原子组成的共价化合物，H的原子数目最多等于2n(C)+n(N)+2,如果分子中增加氧原子，不会影响分子中氢原子总数。或如此解析：(1) 可设H原子数为n，则可写出分子式为C2HnON，要使H原子数目最多，则应有NH2、OH，可得HOCH2CH2NH2，H原子数为7。(2) 设C原子数为n，可写出通式CnH2n+1NH2，故可表示为：2n(C)n(N)2。(3) 设C原子数为n，可写出通式HOCnH2nNH2，由于O原子数的多少并不影响H原子数，故可与(2)相同，可表示为：2n(C)n(N)2。【答案】 (1) 7；HOCH2CH2CH2NH2；（2）2n(C)+n(N)+2；（3）2n(C)+n(N)+2解题规律：（本题主要考查了有机物的组成和结构的关系，此类题有时和书写同分异构体结合在一起，是近几年高考中经常出现的题型）解此类题可依据碳四键原理和有机物的通式。三、相关题型练习1科学家最近在一100的低温下合成了一种烃X，红外光谱和核磁共振表明其分子中的氢原子的化学环境没有区别，根据分析，绘制了分子的球棍模型为右图所示，下列说法中不正确的是 ( )（A）该分子的分子式为C5H4，（B）分子中碳原子的化学环境有2种（C）分子中的氢原子分布在两个相互垂直的平面上 （D）分子中只有CC单键，没有CC双键2碳正离子例如，CH3+，CH5+，(CH3)3C+等是有机反应中重要的中间体。欧拉（GOlah）因在此领域研究中的卓越成就而荣获1994年诺贝尔化学奖。碳正离子CH5+可以通过CH4在“超强酸”中再获得一个H+而得到；而失去H2可以得到CH3+。（1）CH3+是反应性很强的正离子，是缺电子的，其电子式是 ；（2）CH3+中4个原子是共平面的，三个键角相等。键角应是 （填角度）；（3）(CH3)2CH+在氢氧化钠的水溶液中反应得到电中性的有机分子，其结构简式是 ；（4）(CH3)3C+去H+掉后将生成电中性的有机分子，其结构简式是 。3在烃的分子中，若每减少2个氢原子，则相当于碳碳间增加1对共用电子，试回答下列问题：（1）分子式为CnH2n+2的烃分子中碳碳间共用电子对数为 。（2）分子式为CnH2n-6的烃分子中碳碳间共用电子对数为 。（3）Cx可看作是烃减氢后的产物，若某物质分子中碳碳间的共用电子对数为160，则符合该条件的碳单质的化学式为 ，符合该条件的单烯烃的分子式是 。4烷烃分子中基团 上的碳原子分别为伯、仲、叔、季碳原子，数目分别用n1 、n2 、n3 、n4表示。例如：癸烷的一种同分异构体根据不同烷烃的组成和结构，可分析出烷烃（除CH4外）中各原子数的关系。（1）若烷烃分子中氢原子数为n0 ，则n0与n1 、n2 、n3 、n4的关系是_ _ _或_ _。（2）四种碳原子数（n1 、n2 、n3 、n4）之间的关系是_。【答案】 1C 2(1) (2)120 (3) (CH3)2CHOH (4)(CH3)2CCH23 （1）n 1 （2）n +3 （3）C80 （4）C160H3204【解析】（1）氢原子数n0等于各基团所含氢原子数之和，n0=3n1 2n2 n3或n0=（n1 n2 n3 n4