高二化学备课组 第二章分子结构与性质 第二节分子的立体结构 复习回顾 共价键 键 键 键参数 键能 键长 键角 衡量化学键稳定性 描述分子的立体结构的重要因素 成键方式 头碰头 呈轴对称 成键方式 肩并肩 呈镜像对称 一 形形色色的分子 O2 HCl H2O CO2 1 双原子分子 直线型 2 三原子分子立体结构 有直线形和V形 四原子分子立体结构 直线形 平面三角形 三角锥形 正四面体 平面三角形 三角锥形 C2H2 CH2O COCl2 NH3 P4 五原子分子立体结构 最常见的是正四面体 CH4 CH3CH2OH CH3COOH C6H6 C8H8 CH3OH 5 其它 C60 C20 C40 C70 资料卡片 形形色色的分子 分子世界如此形形色色 异彩纷呈 美不胜收 常使人流连忘返 那么分子结构又是怎么测定的呢 早年的科学家主要靠对物质的宏观性质进行系统总结得出规律后进行推测 如今 科学家已经创造了许许多多测定分子结构的现代仪器 红外光谱就是其中的一种 分子中的原子不是固定不动的 而是不断地振动着的 所谓分子立体结构其实只是分子中的原子处于平衡位置时的模型 当一束红外线透过分子时 分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线 再记录到图谱上呈现吸收峰 通过计算机模拟 可以得知各吸收峰是由哪一个化学键 哪种振动方式引起的 综合这些信息 可分析出分子的立体结构 科学视野 分子的立体结构是怎样测定的 指导阅读P39 测分子体结构 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 价层电子互斥模型 VSEPR VSEPR模型的要点是 1 用通式ABn Em来表示所有只含一个中心原子的分子或离子的组成 式中A表示中心原子 B表示配位原子 也叫端位原子 下标n表示配位原子的个数 E表示中心原子上的孤对电子对 下标m是电子对数 已知分子或离子的组成和原子的排列顺序时 m值可用下式确定 m A的族价 X的化合价 X的个数 离子的电荷数 2 孤对电子指成对但不成键的价电子 例 NH3 H2O BF3 练习 CH4 练习 CO2 SO2 PCl5 SF6 HCN 练习 NH4 H3O CO32 SO42 2 通式ABn Em里的 n m 的数目称为价层电子对数 令n m z 则可将通式ABnEm改写成另一种通式AYz VSEPR模型认为 分子中的价层电子对总是尽可能地互斥 均匀地分布在分子中 因此 z的数目决定了一个分子或离子中的价层电子对在空间的分布 与分子立体构型不同 由此可以画出VSEPR理想模型 z23456模型 平面三角形 直线形 正四面体 三角双锥体 正八面体 2 电子对数目与立体结构 4 3 5 6 电子对数目与立体结构 2 价层电子对互斥 VSEPR 模型 一个分子或离子中的价层电子对在空间的分布 即含孤对电子的VSEPR模型 23456直线形平面三角形正四面体三角双锥体正八面体 1 对ABm型分子 若中心原子A的价层电子对只有成键电子对 即中心原子的价电子都用于形成共价键 则价层电子对的相对位置就是分子的构型 CH4 CO2 化学式 结构式 VSEPR模型 分子立体结构 2 若中心原子A的价层电子对包括成键电子对和孤对电子 中心原子上有孤对电子 则价层电子对的相对位置不是分子的构型 如 NH3H2O 化学式 结构式 VSEPR模型 分子立体结构 四面体形 四面体形 三角锥形 V型 思考与交流 0 4 1 3 3 0 0 2 1 用VSEPR模型预测 下列分子的立体结构与水分子相似的是 A OF2B H2SC BeCl2D CO22 下列分子的立体结构 其中不属于直线型分子的是 A BeCl2B CO2C C2H2D P43 下列分子中 各原子均处于同一平面上的是 A NH3B CCl4C H2OD CH2O 巩固练习 CD D AB 4 多核离子所带电荷可以认为是中心原子得到或失去电子导致 根据VSEPR模型 下列离子中所有原子都在同一平面的一组是 A NO2 和NH2 B H3O 和ClO3 C NO3 和CO32 D PO43 和SO42 AC 5 下列分子中的VSEPR模型与分子结构模型相同的是 A CO2B H2OC NH3D CH4 AD 6 用VSEPR模型理论推断 下列微粒为正四面体结构的是 A SO2B O3C NO3 D SO42 D 1 完成下表 小结 2 四面体形 V形 1 平面三角形 V形 0 平面三角形 平面三角形 1 四面体形 三角锥形 2 对于ABm型分子空间构型 直线形 平面三角形 V形 三角锥形 3 根据分子中心原子的成键电子对数和孤对电子数可以确定较稳定的分子的几何构型 小结 0 直线形 BeCl2 0 平面三角形 BF3 CH2O 0 正四面体形 CH4 SICl4 1 三角锥形 NH3 PCl3 2 H2O H2S V形 直线形 平面三角形 正四面体 V形 三角锥形 小结 价层电子对互斥模型 问题 按照价键理论 C的价态应为多少 一个C原子可以和几个氢原子结合形成分子 思考 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 如无法解释甲烷中四个C H的键长 键能相同及H C H的键角为109 28 因为按照我们已经学过的价键理论 甲烷的4个C H单键都应该是 键 然而 碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道 用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠 不可能得到四面体构型的甲烷分子 这是为什么呢 C原子的价电子在一定的能量下发生电子跃迁 由基态变成激发态 2s 2p 2s 2p 三 杂化轨道理论简介 为了补充价键理论的不足 鲍林Pauling在价键理论基础上于1931年提出了 杂化轨道理论 尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量 但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形成两个C H键放出的能量要大得多 这些能量足以补偿电子激发所需的能量而有余 因此 C与H形成化合物时生成CH4而不是CH2 轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键 因为杂化后电子云分布更为集中 可使成键的原子轨道间的重叠部分增大 成键能力增强 因此C与H原子能结合成稳定的CH4 三 杂化轨道理论简介 C原子基态原子的电子排布图 杂化与杂化轨道 杂化是指在形成分子时 由于原子间的相互影响 若干不同类型而能量相近的原子轨道混合起来 重新组合成一组新轨道的过程 所形成的新轨道称为杂化轨道 孤立的原子不可能发生杂化 只有在形成分子的过程中才会发生 在杂化前后 原子轨道的数目保持不变 条件不同 杂化轨道类型可能不同 1 杂化 杂化轨道是由一个S轨道与三个P轨道进行重新的杂化组合 形成四个能量相等的杂化轨道 每个轨道由1 4S成份 3 4P成份组成 它的立体形状是正四面体 C原子位于四面体的中心 四个轨道分别指向四面体的每个顶点 轨道间夹角是109o28 SP3杂化轨道 sp3杂化轨道的形成过程 CH4分子的空间结构 正四面体 2 SP2杂化轨道 杂化轨道是由一个S轨道和两个P轨道杂化而形成的三个轨道 每个轨道有1 3S成份 2 3P成份 三个轨道在同一平面 轨道间夹角为120o 碳原子还剩有一个P轨道 这个P轨道正好与三个杂化轨道形成的平面垂直 C原子基态原子的电子排布图 sp2杂化轨道的形成过程 SP2杂化 sp2杂化轨道的形成过程 120 杂化轨道 在乙烯分子中 碳原子采取sp2杂化 每个碳原子另有一个p轨道不参与杂化 杂化的三个轨道 形成 键 未杂化的p轨道 肩并肩 重叠形成 键 乙烯分子中有1个C C 键 4个C H 键 还有1个 键 双键 1 1 乙烯的sp2杂化图解 苯环的结构 平面正六边形 离域大 键 1 苯环中的碳均是以sp2杂化成夹角为1200三个sp2杂化轨道 2 苯环中六个碳之间形成6个 键 每个碳与氢形成1个 键 3 苯环中六个碳中未杂化的P轨道彼此形成一个大 键 4 形成大 键比一般的 键更稳定 因此苯环体现特殊的稳定性 苯中的碳原子取sp2杂化 每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道 垂直于分子平面而相互平行 由于每个碳原子的左右两个相邻的碳原子没有什么区别 认为中心的碳原子的未参与杂化的p轨道中的电子只与左邻的碳原子上的平行p轨道中的一个电子形成p键而不与右邻的形成p键或者相反显然是不符合逻辑的 所以我们认为所有6个平行p轨道总共6个电子在一起形成了弥散在整个苯环的6个碳原子上下形成了一个p p离域大 键 符号 66 用p p大 键 有机化学中的共轭体系 的概念苯的结构式写成如下右图更好 后者已经被广泛应用 离域 键是由三个或三个以上原子形成的 键 而不同于两原子间的 键 在三个或三个以上用s键联结起来的原子之间 如能满足下列条件 则可以生成离域 键 1 这些原子都在同一平面上 2 每一原子有一互相平行的p轨道 3 p电子的数目小于p轨道数目的两倍 O3分子的中心O原子采取sp2杂化 和两个端位O原子形成两个s键 另外中心O原子和配位O原子都有p轨道 共有4个电子 小于轨道数的两倍6 满足上述条件即可形成离域 34键 CO32 离子中的大 键 碳酸根离子属于AY3型分子 中心碳原子取sp2杂化形式 碳原子上有一个垂直于分子平面的p轨道 端位的3个氧原子也各有1个垂直于分子平面的p轨道 分子的总价电子数等于24 3个C Os键有6个电子 每个氧原子上有2对不与分子平面垂直的孤对电子对 因此4个平行p轨道中共有24 6 3 4 6个电子 所以CO32 离子中有1个4轨道6电子p p大 键 符号为 46 丁二烯分子式H2C CH CH CH2 4个碳原子均有3个配位原子相邻 故均取sp2杂化 形成3个s键 所有原子处于同一个平面 每个碳原子有一个未参与杂化的p轨道 垂直于分子平面 每个p轨道里有一个电子 按照上面分析苯分子的结构的模式 丁二烯分子里有一个4轨道4电子的p p大 键 3 sp杂化 碳原子在进行SP杂化时 一个2S电子激发到2P轨道上 一个S轨道与一个P轨道形成两个等同的SP杂化轨道 每个SP轨道含有1 2S成份 1 2P成份 两个轨道处在同一条直线上 方向相反 两个SP轨道的对称轴之间的夹角为180o C原子基态原子的电子排布图 sp杂化轨道的形成过程 SP杂化轨道 sp杂化轨道的形成过程 180 在乙炔分子中 碳原子采取sp杂化 每个碳原子另有二个p轨道不参与杂化 杂化的二个轨道 形成 键 未杂化的p轨道可以 肩并肩 重叠成键 形成 键 乙炔分子中含1个C C 键 2个C H 键 还有2个 键 叁键 1 2 乙炔的成键 CO2的碳原子取sp杂化轨道 它的两个未参加杂化的p轨道在空间的取向是跟sp杂化轨道的轴相互垂直 CO2分子里有两套3原子4电子符号为 34的p p大 键 I路易斯结构式II分子中有2套平行p轨道III表达大 键的结构式 石墨分子结构是层形结构 每层是由无限个碳六元环所形成的平面 其中的碳原子取sp2杂化 与苯的结构类似 每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道 垂直于分子平面而相互平行 平行的n个p轨道形成了一个p p大 键 n个电子弥散在整个层的n个碳原子形成的大 键里 电子在这个大pnn键中可以自由移动 所以石墨能导电 小结杂化轨道理论 sp3杂化 正四面体型杂化