G2-选修3-2-2-共价键与分子的空间构型

1、 价键理论简单明了，阐明了共价键的形成过程和本质，成功解释了共价键的方向性和饱和性，但在解释一些分子的空间结构空间结构方面却遇到了困难。例如CH4分子的形成，按照价键理论，C原子只有两个未成对的电子，只能与两个H原子形成两个共价键，而且键角应该大约为90。但这与实验事实不符，因为C与H可形成CH4分子，其空间构型为正四面体，键角109.5。 为了更好地解释多原子分子的实际空间构型和性质，1931年鲍林提出了杂化轨道理论，丰富和发展了现代价键理论。1953年，我国化学家唐敖庆等统一处理了s-p-d-f 轨道杂化，提出了杂化轨道的一般方法，进一步丰富了杂化理论的内容。 为了解释分子或离子的立体结构

2、，鲍林以量子力学为基础提出了杂化轨道理论。我们不妨先以甲烷为例说明杂化轨道理论的出发点：甲烷分子实测的和VSEPR模型预测的立体结构都是正四面体。若认为CH4里的中心原子碳的4个价电子所在的原子轨道2s和2px，2py，2pz分别跟4个氢原子的1s原子轨道重叠形成键，无法解释甲烷的4个CH键是等同的，因为碳原子的3个2p轨道是相互垂直，而2s轨道是球形的。鲍林假设，甲烷的中心原子(碳原子)在形成化学键时，4个价电子所在的原子轨道并不维持原来的形状，而是发生所谓“杂化”，得到4个等同的轨道，总称sp3杂化轨道。C 1s22s22p2激发杂化sp3杂化轨道2s22p2 形成的四个sp3杂化轨道与四

3、个H原子的1s原子轨道重叠，形成（sp3-s）键，生成CH4分子。 杂化轨道成键时，同样要满足原子轨道最大重叠原理。由于杂化轨道的电子云分布更为集中，杂化轨道的成键能力比未杂化的各原子轨道的成键能力强，故形成CH4分子后体系能量降低，分子的稳定性增强。定义：定义：在形成分子的过程中，若干不同类型能量相近的原子轨道重新组合成一组新轨道，这种轨道重新组合的过程称为杂化，所形成的新轨道叫做杂化轨道。中心原子在形成分子时，所用的原子轨道不是原来纯粹的s 轨道或p 轨道，而是若干不同类型、能量相近的原子轨道经叠加混杂、重新分配轨道的能量和调整空间伸展方向，组成了同等数目的能量完全相同的新的原子轨道（杂化

4、轨道），以满足形成化学键的需要。杂化轨道数目等于参加杂化的原子轨道的总数。s轨道与p轨道的杂化（简称）有多种情况。除sp3杂化，还有两种由s轨道和p轨道杂化的类型，一种是1个s轨道和2个p轨道杂化，杂化后得到分布的3个轨道，总称；另一种是1个s轨道和1个p轨道杂化，杂化后得到呈分布的2个轨道，总称。s轨道和p轨道的三种杂化类型sp3、sp2和sp1 下图画出了sp3、sp2和sp1三种杂化轨道在空间的排布。在该图最右边画出了未参与sp2杂化和sp杂化的剩余p轨道与杂化轨道的空间关系未参与sp2杂化的1个p轨道垂直于杂化轨道形成的平面；未参与sp1杂化的2个p轨道与sp1杂化轨道形成的直线呈正交

5、关系（即相互垂直）。注意：杂化轨道总是用于构建分子的轨道，未参与杂化的p轨道才能用于构建键，在学习杂化轨道理论时既要掌握，也要掌握与的空间关系，否则难以全面掌握分子的化学键结构。Be 1s22s22p02s22p0激发杂化sp1杂化轨道 sp1 杂化示意图由一个ns 轨道和一个np轨道参与的杂化称为sp杂化，所形成的两个轨道称为sp1杂化轨道。每个sp1杂化轨道中含有1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分，。B 1s22s22p12s22p1激发杂化sp2杂化轨道由一个ns轨道和两个np轨道参与的杂化称为sp2杂化，所形成的三个杂化轨道称为sp2杂化轨道。每个sp2杂化轨道中含有1/3的s轨道

6、成分和2/3的p轨道成分，杂化轨道间的夹角为120，呈。BF3填充模型C 1s22s22p22s22p2激发杂化sp3杂化轨道由一个ns轨道和三个np轨道参与的杂化称为sp3杂化，形成的四个杂化轨道称为sp3杂化轨道。每个sp3杂化轨道中含有1/4的s轨道成分和3/4的p轨道成分，杂化轨道间的夹角为109.5。C 1s22s22p2激发杂化sp2杂化轨道2s22p2阅读课本P42-43并理解乙烯、乙炔分子结构乙烯中的乙烯中的C在轨道杂化时，在轨道杂化时，有一个有一个p轨道未参与杂化，轨道未参与杂化，只是只是C的的2s与两个与两个2p轨道发生杂化，形成三个相同的轨道发生杂化，形成三个相同的sp2

7、杂化轨杂化轨道，三个道，三个sp2杂化轨道分别指向平面三角形的三个顶点。杂化轨道分别指向平面三角形的三个顶点。未未杂化杂化2p轨道垂直于轨道垂直于sp2杂化轨道所在平面。杂化轨道所在平面。杂化轨道间夹角杂化轨道间夹角为为120。两个碳原子各用一个两个碳原子各用一个sp2杂化轨道上的电子相互配对，形成杂化轨道上的电子相互配对，形成一个（一个（sp2sp2） 键。其余键。其余sp2杂化轨道上的电子分别与杂化轨道上的电子分别与原子的原子的1s轨道上的电子配对形成轨道上的电子配对形成键。键。每个碳原子上各剩有一个垂直于每个碳原子上各剩有一个垂直于sp2杂化轨道所在平面的杂化轨道所在平面的未未成键的成键

8、的2p轨道轨道，这两个，这两个2p轨道以轨道以“肩并肩肩并肩”的方式重叠，的方式重叠，形成形成 键。键。CCCCsp2杂化形成杂化形成键键 p轨道相互平行重叠形成轨道相互平行重叠形成键键 C 1s22s22p2激发杂化sp1杂化轨道2s22p2杂化轨道杂化轨道数目键角分子几何构型实例spsp2sp3sp3dsp3d223456120180109.590，12090直线形平面三角形四面体三角双锥八面体BeCl2，CO2BF3，AlCl3CH4，CCl4PCl5SF6，SiF6 对于含孤对电子的中心原子，由于孤对电子要占据杂化轨道，不参与成键，将使形成的分子的能量升高。若采用sp3等性杂化，则由于

9、孤对电子占据的sp3杂化轨道中s成分较少，因此能量较高，分子的稳定性较低。为了使分子的能量尽可能低，含孤对电子的中心原子最好采用sp3不等性杂化，在满足成键杂化轨道有尽可能大的成键能力的前提下，尽可能增加非键杂化轨道中的s轨道成分和减小p轨道成分，并相应减少成键杂化轨道中的s轨道成分和增大p轨道成分，使形成的分子的能量比等性杂化时有所降低。 基态N的外层电子组态为2s22p3，在H影响下，N的一个2s轨道和三个2p轨道进行sp3不等性杂化，形成四个不等同的sp3杂化轨道。其中三个sp3成键杂化轨道的能量相等，每个杂化轨道含0.226s轨道成分和 0.774p轨道成分；sp3非键杂化中含0.32

10、2s轨道成分和0.678p轨道成分。N用三个各含一个未成对电子的 sp3成键杂化轨道分别与三个H的1s轨道重叠，形成三个N-H键，孤对电子则占据s成分较高的sp3非键杂化轨道。因此的几何构型为。当物体所占空间因素相同时，它们彼此趋向当物体所占空间因素相同时，它们彼此趋向均匀分布均匀分布；较大物体会较大物体会“挤占挤占” ” 较小物体的空间。较小物体的空间。 孤对电子对与键合电子对的斥力不同使理想模型发生畸变 NH3 的几何构型 基态O的外层电子组态为2s22p4，在H的影响下，O采用sp3不等性杂化，形成两组能量不同的sp3杂化轨道，其中两个成键sp3杂化轨道含0.20s轨道成分和0.80p轨

11、道成分，两个sp3非键杂化轨道含0.30s轨道成分和0.70p轨道成分。O用两个各含有一个未成对电子的sp3成键杂化轨道分别与两个H 的1s轨道重叠，形成两个O-H键，两对孤对电子各占据一个sp3非键杂化轨道。因此，的几何构型为。H2O的几何构型1确定中心原子（一般是要我们判断的杂化原子）周围的价确定中心原子（一般是要我们判断的杂化原子）周围的价电子数电子数m。共价分子大多数形成于。共价分子大多数形成于p区元素，区元素，p区元素作为中心原区元素作为中心原子，其价电子数等于族序数。如子，其价电子数等于族序数。如B作为中心原子，可以提供作为中心原子，可以提供3个价个价电子（电子（m=3），），C族

12、、族、O族、族、N族、卤素和稀有气体作为中心原子族、卤素和稀有气体作为中心原子时，时，m依次为依次为4、5、6、7、8。2确定配位原子提供的价电子数确定配位原子提供的价电子数n。作为配位原子的通常是。作为配位原子的通常是H、O和卤素原子。和卤素原子。H和卤素原子各提供一个价电子，和卤素原子各提供一个价电子，O原子按不原子按不提供价电子计算提供价电子计算，N作为配位原子提供作为配位原子提供3个价电子个价电子。如，在如，在BeCl2中，中，Be为中心原子，第二主族，故为中心原子，第二主族，故m=2，一个，一个Cl原子提供一个价电子，故原子提供一个价电子，故Be周围的价电子对数为（周围的价电子对数为

13、（2+12）2=2，故，故Be为为sp1杂化。杂化。再如再如H2O中，中心原子为中，中心原子为O，第六主族，故，第六主族，故m=6，一个，一个H提供提供一个价电子，故一个价电子，故O周围的价电子对数为：（周围的价电子对数为：（6+12）2=4，故，故O为为sp3杂化。杂化。3如果是正离子，在计算价电子对时，应减去相应的正电荷，如果是正离子，在计算价电子对时，应减去相应的正电荷，如如NH4+，N为中心原子，第五主族，故为中心原子，第五主族，故m=5，N周围的价电子对数周围的价电子对数为：为：（5+14-1）2=4，故，故N为为sp3杂化。杂化。4如果是负离子，在计算价电子对时，应加上相应的负电何

14、，如果是负离子，在计算价电子对时，应加上相应的负电何，如如PO43-，P为中心原子，第五主族，故为中心原子，第五主族，故m=5，O作为配位原子，不作为配位原子，不提供价电子，故提供价电子，故n=0，P周围的价电子数为（周围的价电子数为（4+04+3）2=4，故故P为为sp3杂化。杂化。5若最后算出的是小数，则若最后算出的是小数，则算。算。这个过程原本是根据价层电子互斥理论判断共价分子的结构，这个过程原本是根据价层电子互斥理论判断共价分子的结构，现在移植到判断中心原子的杂化。现在移植到判断中心原子的杂化。这个方法可以快速判断这个方法可以快速判断ABn型分子或离子的中心原子杂化轨型分子或离子的中心

15、原子杂化轨道类型，但需要进一步计算中心原子的孤电子对，才能综合判断道类型，但需要进一步计算中心原子的孤电子对，才能综合判断分子或离子的空间构型。分子或离子的空间构型。 ：分子中的中心原子的价电子对成键电子对（bp）和孤电子对（lp）由于相互排斥作用，尽可能趋向于彼此远离。：(n)=与中心原子成键的原子数(m)=（中心原子的价电子数电荷数与中心原子结合的原子之和）2注：阴离子所带负电荷数，阳离子所带正电荷数：（1）多原子分子或多原子离子的几何构型取决于中心原子的价层电子对。（2）中心原子的价层电子对之间尽可能远离，以使斥力最小。静电斥力最小的价层电子对的分布方式： 价层电子对数 2 3 4 5

16、6电子对排布方式直线形平面三角形四面体三角双锥八面体（3）中心原子若形成共价双键或共价叁键，仍按共价单键处理。但由于双键或叁键中成键电子多，相应斥力也大： 叁键-叁键叁键-双键双键-双键 双键-单键单键-单键（4）价层电子对之间的斥力与价层电子对的类型有关： 孤对电子-孤对电子孤对电子-成键电子对 成键电子对-成键电子对（5）电负性较大的配体吸引成键电子对的能力强，成键电子对离中心原子较远，减少了成键电子对的斥力，键角相应减小。利用价层电子对互斥理论预测分子或离子的几何构型的步骤如下：（1）确定中心原子的价层电子对数。（2）根据中心原子的价层电子对数，找出相应的电子对分布。（3）根据中心原子的

17、价层电子对的分布方式，把配位原子排布在中心原子周围，每一对电子连接一个配位原子，未结合配位原子的电子对就是孤对电子。若中心原子的价层电子对全部是成键电子对，则分子或离子的几何构型与中心原子的价层电子对的分布方式相同；若价层电子对中有孤对电子，应选择静电斥力最小的结构，即为分子或离子的几何构型。成键电子对n孤电子对m价电子对(n+m)杂化轨道类型电子对的空间构型分子的空间构型实例BeCl2、HgCl2、BeH2、CO2、BF3、CH2O、COCl2、SO2、SnCl2、NO2CH4、CCl4、SO42-、PO42-、NH4+NH3、SO32-、PO32-、ClO3-H2O、H2S、OF2填空练习

18、填空练习成键电子对n232432孤电子对m001012价电子对(n+m)233444杂化轨道类型sp1sp2sp2sp3sp3sp3电子对的空间构型直线形平面三角形平面三角形正四面体正四面体正四面体分子的空间构型直线形平面三角形V形正四面体三角锥形V形实例BeCl2、HgCl2、BeH2、CO2、BF3、CH2O、COCl2、SO2、SnCl2、NO2CH4、CCl4、SO42-、PO42-、NH4+NH3、SO32-、PO32-、ClO3-H2O、H2S、OF2中心原子的价电子对分布和ABn型共价分子或离子的几何构型成键电子对n56孤电子对m00价电子对(n+m)56杂化轨道类型sp3dsp

19、3d2电子对的空间构型 三角双锥 正八面体分子的空间构型三角双锥 正八面体实例PCl5SF6请讨论C2H4、C6H6分子中C原子的杂化轨道类型。 讨论复杂分子中的原子的杂化轨道类型的基础是。福建省2012高考理科综合30.化学-物质结构与性质（13分）2012江苏化学卷21A物质结构 一项科学研究成果表明，铜锰氧化物(CuMn2O4)能在常温下催化氧化空气中的一氧化碳和甲醛(HCHO)。(1)向一定物质的量浓度的Cu(NO3)2和Mn(NO3)2溶液中加入Na2CO3溶液，所得沉淀经高温灼烧，可制得CuMn2O4。Mn2+基态的电子排布式可表示为_。NO3的空间构型的空间构型_(用文字描述用文

20、字描述)。(2)在铜锰氧化物的催化下，CO被氧化成CO2，HCHO被氧化成CO2和H2O。根据等电子原理，CO分子的结构式为_。H2O分子中分子中O原子轨道的杂化类型为原子轨道的杂化类型为_。1molCO2中含有的键数目为_。(3)向CuSO4溶液中加入过量NaOH溶液可生成Cu(OH)42。不考虑空间构型，Cu(OH)42的结构可用示意图表示为 。1s22s22p63s23p63d5或或Ar3d5平面三角形平面三角形COsp326.021023个个(或或2mol)2012海南化学卷19-II (14分)铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题

21、： (1)铜原子基态电子排布式为_； (2)用晶体的x射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为361pm。又知铜的密度为9.00gcm-3，则镉晶胞的体积是_cm3 、晶胞的质量是_g，阿伏加德罗常数为_（列式计算，己知Ar(Cu)=63.6）； (3)氯和钾与不同价态的铜可生成两种化合物，这两种化合物都可用于催化乙炔聚合，其阴离子均为无限长链结构(如下图)，a位置位置上上Cl原子的杂化轨道类型原子的杂化轨道类型为_。已知其中一种化合物的化学式为KCuCl3，另一种的化学式为_； (4)金属铜单独与氨水或单独与过氧化氢都不能反应，但可与氨水和

22、过氧化氢的混合溶液反应，其原因是 ，反应的化学方应程式为 。答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s1(2)4.710-23cm3、4.2310-22g、Ar(Cu)=63.6g/mol= NA，得NA=6.011023mol-1。(3)sp3、K2CuCl3(4)过氧化氢为氧化剂，氨与Cu形成配离子，两者相互促进使反应进行；Cu+H2O2+4NH3=Cu(NH3)42+2OH 4g221023. 42012安徽理综化学卷25（16分）X、Y、Z、W是元素周期表前四周期中常见的元素，其相关信息如下表：元素相关信息XX的基态原子L层电子数是K层电子数的2倍YY的基态原子最外层电子排

23、布式为：nsnnpn+2ZZ存在质量数为23，中子数为12的核素WW有多种化合价，其白色氢氧化合物在空气中会迅速变成灰绿色，最后变成红褐色（1）W位于元素周期表第_周期第_族，其基态原子最外层有_个电子。（2）X的电负性比Y的_(填“大”或“小”)；X 和Y的气态氢化物中，较稳定的是_（写化学式）。（3）写出Z2Y2与XY2反应的化学方程式，并标出电子转移的方向和数目：_.（4）在的原子和氢原子形成的多种分子中，有些分子的核磁共振氢谱显示两种氢，写出其中一种分子的名称：_。氢元素，X、Y的原子也可共同形成多种分子和一种常见无机阴离子，写出其中一种分子与该无机阴离子反应的离子方程式：_。答案：（

24、1）4 2 （2）小 H2O （3）（4）丙烷（或丙炔或2-甲基丙烯或1,2,4,5-四甲基苯等） CH3COOHHCO3=CH3COOH2OCO22012山东理综化学卷32 (8分)化学一物质结构与性质 金属镍在电池、合金、催化剂等方面应用广泛。(1)下列关于金属及金属键的说法正确的是_。 a.金属键具有方向性与饱和性 b.金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用 c.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子 d.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光(2) Ni是元素周期表中第28号元素，第二周期基态原子未成对电子数与Ni相同且电负性最小的元素是_。(3)过渡金属配合物Ni(CO)

25、n的中心原子价电子数与配体提供电子总数之和为18，则n= 。CO与N2结构相似，CO分子内键与键个数之比为 。(4)甲醛(H2C=O)在Ni催化作用下加氢可得甲醇(CH3OH )。甲醇分子内C原子的杂化方式为_，甲醇分子内的O-C-H键角_(填“大于”“等于”或“小于”）甲醛分子内的O-C-H键角。 答案：（1）b （2）C （3）4 1：2 （4）sp3 小于 苯分子中的p-p 苯的路易斯结构式里的碳碳键有单键和双键之分，这种结构满足了碳的四价，然而，事实上，苯分子里所有碳碳键的键长和键能并没有区别，这个矛盾可用苯环的碳原子形成p-p大键的概念得以解决苯分子中的碳原子取，3个杂化轨道分别用于

26、形成3个键，故苯分子有键角为120的平面结构的骨架；苯分子的每个碳原子还有一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行。显然，每个碳原子左右相邻的碳原子没有区别，认为某个碳原子未参与杂化的p轨道中的电子只与左邻碳原子的平行p轨道中的一个电子形成键而不与右邻碳原子的平行p轨道形成键或者相反显然是不符合逻辑的，可以认为所有6个“肩并肩”的平行p轨道上总共6个电子在一起形成了弥散在整个苯环的p-p大键（如图2-9）。（路易斯结构式；结构简式；分子中有6个平行p轨道；大键的结构式）图2-9苯分子的大键铜雕玛哈布蒂庙宇模型 天坛泰姬陵 依据或借助能够复原的分子称为，分子所具有的这种性质称为对称性。

27、当四个不同的原子或基团连接在碳原子上时，这个碳原子是。 由于相连的原子或基团不同，它会形成两种分子结构。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像我们的左手和右手那样，所以又叫。 HCOOHCH3NH2CCOOHHCH3H2NC 一个化合物的分子与其镜像不能互相叠合，则必然存在一个与镜像相应的化合物，这两个化合物之间的关系，相当于左手和右手的关系，即互相对映。这种互相对应的两个化合物成为（enantiomers）。这类化合物分子成为手性分子（chiral molecule）。不具有对称面和对称中心的分子有一个重要的特点，就是实体和镜象

28、不能重叠，镜面不对称性是识别手性分子与非手性分子的基本标志。 （chiral moleculechiral molecule）：不能与其镜像重合的分子。）：不能与其镜像重合的分子。：互为实物与镜像关系，又不能重叠的两个化合物，：互为实物与镜像关系，又不能重叠的两个化合物，互为对映异构体，简称对映体。互为对映异构体，简称对映体。HCOHCOOHCH3D-(-) -氯霉素有杀菌作用氯霉素有杀菌作用L-(+) -氯霉素无药效氯霉素无药效O2NOHNHCOCHCl2OH 在化学中，极性指一根共价键或一个共价分子中。如果电荷分布得不均匀，则称该键或分子为极性；如果均匀，则称为非极性。 共价键的极性是因为

29、成键的两个原子不相同而产生的。电负性高的原子会把共用电子对“拉”向它那一方，使得电荷不均匀分布。这样形成了一组偶极，这样的键就是极性键。电负性高的原子是负偶极，记作-；电负性低的原子是正偶极，记作+。 成键原子所属元素电负性的差值越大，共价键的极性就越强；差值为零时，通常形成非极性共价键。 HClO=C=O 分子内存在正、负两极的分子，通常称为极性分子。而分子内没有正、负两极的分子，通常称为非极性分子。 在任何一个分子中，都可以找到一个正电荷重心和一个负电荷重心。如果分子中正电荷重心与负电荷重心相重合，这种分子叫做；如果分子中正电荷重心与负电荷重心不重合，则分子就因显正负两极而形成偶极，这种分

30、子叫做。 OHH 一个共价分子是极性的，是说这个分子内电荷分布不均匀，或者说，。分子的极性取决于分子内各个以及它们的。在大多数情况下，极性分子中含有极性键，非极性分子中含有非极性键。 然而，非极性分子也可以全部由极性键构成。只要分子高度对称，各个极性键的正、负电荷中心就都集中在了分子的几何中心上，这样便消去了分子的极性。这样的分子一般是直线形、平面三角形或正四面体形。 简单的，由相同的原子组成的，是非极性分子，如O2、N2、Cl2等。由不同的原子组成的，则是极性分子，如HCl、HF、CO等。 复杂的多原子分子，如果组成原子相同，一般是非极性分子，如P4、S8（O3是唯一极性单质）。如组成原子不同，分子极性取决于与。如CO2与SO2： CO2有极性键，分子为直线型结构，极性互相抵消，正负电荷中心重合，为非极性分子； SO2有极性键，分子为三角形构型（V型），极性不能抵消，正负电