(共30张PPT)
章末整合
第二章
2021
知识网络
专题突破
专题一
原子杂化类型和分子空间结构的判断
典例1(1)(2020·全国Ⅰ卷)磷酸根离子的空间结构为 ,其中P的价层电子对数为 、杂化轨道类型为 。
(2)(2020·全国Ⅲ卷)氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气:
的结构为 。在该反应中,B原子的杂化轨道类型
由 变为 。
(3)(2019·全国Ⅰ卷)乙二胺(H2NCH2CH2NH2)是一种有机化合物,分子中氮、碳的杂化类型分别是 、 。
(4)(2018·全国Ⅰ卷)LiAlH4是有机合成中常用的还原剂,LiAlH4中的阴离子空间结构是 、中心原子的杂化形式为 。
(5)(2018·全国Ⅱ卷)①根据价层电子对互斥模型,H2S、SO2、SO3的气态分子中,中心原子价层电子对数不同于其他分子的是 。
②气态三氧化硫以单分子形式存在,其分子的空间结构为 形,固体三氧化硫中存在如图所示的三聚分子,该分子中S原子的杂化轨道类型为 。
答案 (1)正四面体 4 sp3 (2)sp3 sp2 (3)sp3 sp3 (4)正四面体 sp3 (5)①H2S ②平面三角 sp3
解析 (1) 的中心原子P的价层电子对数为4,孤电子对数为0,中心原子P为sp3杂化,故 的空间结构为正四面体。
(2)NH3BH3中B形成4个σ键,为sp3杂化, 中B形成3个σ键,为sp2杂化。
(3)乙二胺中N形成3个单键,含有1对孤电子对,属于sp3杂化;C形成4个单键,不存在孤电子对,也是sp3杂化。
思维建模 判断分子空间结构及中心原子杂化类型的方法
判断分子或离子的空间结构时,要能够正确计算价层电子对数:一是运用计算式推导出价层电子对数。二是看配位原子数;如下表:
价层电 子对数 杂化 类型 配位原 子数 孤电子 对数 价电子对 空间结构 分子空 间结构 实例
2 sp 2 0 直线形 直线形 BeCl2
3 sp2 3 0 三角形 三角形 BF3
2 1 V形 SnBr2
4 sp3 4 0 四面体形 正四面体形 CH4
3 1 三角锥形 NH3
2 2 V形 H2O
对点训练 1-1下列分子中,中心原子杂化轨道类型相同,分子的空间结构也相同的是( )
A.H2O、SO2 B.BeCl2、CO2 C.H2O、NH3 D.NH3、CH2O
答案 B
解析 各选项分子中中心原子的杂化轨道类型和分子空间结构分别为:A项,H2O分子中心原子采取sp3杂化,V形;SO2分子中心原子采取sp2杂化,V形。B项中BeCl2和CO2分子中心原子都是采取sp杂化,直线形。C项,NH3分子中心原子采取sp3杂化,三角锥形;H2O分子中心原子采取sp3杂化,V形。D项,CH2O分子中心原子采取sp2杂化,平面三角形;NH3分子中心原子采取sp3杂化,三角锥形。
对点训练 1-2按要求完成下列空白。
(1)硫酸镍溶于氨水形成[Ni(NH3)6]SO4蓝色溶液。
[Ni(NH3)6]SO4中阴离子的空间结构是 。
(2)①碳在形成化合物时,其键型以共价键为主,原因是 。
②CS2分子中,共价键的类型有 ,C原子的杂化轨道类型是 。
(3)A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素,A2-和B+具有相同的电子构型;C、D为同周期元素,C核外电子总数是最外层电子数的3倍;D元素最外层有一个未成对电子。回答下列问题:
①C和D反应可生成组成比为1∶3的化合物E,E的空间结构为 ,中心原子的杂化轨道类型为 。
②化合物D2A的空间结构为 ,中心原子的价层电子对数为 。
答案 (1)正四面体
(2)①C有4个价电子且半径小,难以通过得或失电子达到稳定电子结构 ②σ键和π键 sp
(3)①三角锥形 sp3 ②V形 4
解析 (1)根据价层电子对互斥模型, 中S原子的价层电子对数为4,孤电子对数为 (6+2-4×2)=0,其空间结构为正四面体形。
(2)①碳原子核外最外层有4个电子,在化学反应中很难失去4个电子形成阳离子,也很难得到4个电子形成阴离子。因此,碳在形成化合物时,主要通过共用电子对形成共价键。②CS2分子中存在σ键和π键。CS2分子中,C原子的价层电子对数为2,杂化轨道类型为sp。
(3)C核外电子总数是最外层电子数的3倍,则C为P元素。A、B的原子序数小于C,且A2-和B+具有相同的电子构型,则A为O元素,B为Na元素。C、D为同周期元素,且D元素最外层有一个未成对电子,则D为Cl元素。①P和Cl元素形成的组成比为1∶3的化合物E为PCl3,中心原子P形成3个σ键且含有1对未成键的孤电子对,故P原子采取sp3杂化,分子空间结构为三角锥形。②化合物D2A为Cl2O,其中O原子形成2个σ键且含有2对未成键的孤电子对,则O原子采取sp3杂化,故Cl2O为V形结构,中心原子O的价层电子对数为4。
专题二
分子间作用力对物质性质的影响
典例2按要求完成以下各题。
(1)(2020山东等级考)NH3、PH3、AsH3的沸点由高到低的顺序为 (填化学式,下同),还原性由强到弱的顺序为 ,键角由大到小的顺序为 。
(2)(2019全国Ⅱ卷)元素As与N同族。预测As的氢化物分子的空间结构为 ,其沸点比NH3的 (填“高”或“低”),其判断理由是 。
(3)(2019全国Ⅲ卷)苯胺( )与甲苯( )的相对分子质量相近,但苯胺的熔点(-5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点
(-95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃),原因是 。
(4)ZnF2为离子化合物,ZnF2不溶于有机溶剂而ZnCl2、ZnBr2、ZnI2能够溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,原因是 。
(5)我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H2O)3(NH4)4Cl(用R代表)。
图中虚线代表氢键,其表示式为
( )N—H…Cl、 、 。
答案 (1)NH3、AsH3、PH3 AsH3、PH3、NH3 NH3、PH3、AsH3
(2)三角锥形 低 NH3分子间存在氢键
(3)苯胺分子之间存在氢键
(4)ZnF2为离子化合物,ZnCl2、ZnBr2、ZnI2的化学键以共价键为主、极性较小
(5)(H3O+)O—H…N( ) ( )N—H…N( )
解析 (1)NH3分子间存在氢键,氮元素的氢化物NH3比同主族的P、As元素的氢化物PH3、AsH3的沸点要高,而PH3、AsH3中均不存在分子间氢键,故影响PH3、AsH3沸点的因素为范德华力,相对分子质量越大,沸点越高,则沸点由高到低的顺序为NH3、AsH3、PH3。通常同主族元素随着原子序数的递增,气态氢化物的还原性逐渐增强,则还原性由强到弱的顺序是AsH3、PH3、NH3。同主族元素,随着原子序数的递增,电负性逐渐减弱,则其气态氢化物中的成键电子对逐渐远离中心原子,致使成键电子对的排斥力降低,键角逐渐减小,故键角由大到小的顺序是NH3、PH3、AsH3。
(2)As与N同族,则AsH3分子的空间结构类似于NH3,为三角锥形;由于NH3分子间存在氢键,使沸点升高,故AsH3的沸点较NH3低。
(3)苯胺分子中有N元素,可以形成分子间氢键。
(4)由电负性:F>Cl>Br>I,结合4种物质溶解性的差别可推知溶解性不同的原因是ZnF2为离子化合物,ZnCl2、ZnBr2、ZnI2的化学键以共价键为主,且极性较小。
(5)由题图知还存在氢键(H3O+)O—H…N( )、( )N—H…N( )。
思维建模 分子结构与性质“原因解释”型解题模型
规律总结 1.范德华力对物质性质的影响
范德华力是普遍存在于分子间的作用力,其强度比化学键弱,对物质的熔点、沸点和硬度有影响,范德华力越大,熔、沸点越高,硬度越大。一般来讲,组成和结构相似的分子,相对分子质量越大,范德华力越大;分子的极性越大,范德华力越大。
2.氢键对物质性质的影响
对物质熔、沸点的影响 (1)含有分子间氢键的物质,熔、沸点往往比同系列氢化物的熔、沸点高,如ⅤA、ⅥA、ⅦA三个主族中NH3、H2O和HF的熔、沸点反常高。
(2)含有分子内氢键的物质,熔、沸点一般会有所降低,如有分子内氢键的邻硝基苯酚熔点比有分子间氢键的间硝基苯酚熔点和对硝基苯酚熔点都要低
对溶解度的影响 在极性溶剂中,如果溶质分子与溶剂分子之间可以形成氢键,则溶质的溶解度增大,如HF和NH3在水中的溶解度比较大。而溶质分子内如果能够形成氢键,它在极性溶剂中的溶解度则会有所降低
对点训练 2-1下列说法正确的是( )
A.HF的稳定性很强,是因为HF分子之间能形成氢键
B.水结成冰时,H—O的键长变长,密度减小
C.含氢元素的化合物中一定有氢键
D.能与水分子形成氢键的物质易溶于水
答案 D
解析 氢键是一种相对较强的分子间作用力,它主要影响物质的物理性质,如熔沸点、密度、溶解度等,而分子的稳定性由分子内共价键的强弱决定,与氢键无关,A项错误。在冰中,水分子之间以氢键结合,形成比较疏松的晶体,在晶体结构中有许多空隙,造成冰的密度比水的密度小,B项错误。形成氢键必须有电负性很大的非金属元素的原子,如N、O、F,C项错误。
对点训练 2-2按要求填空。
(1)硫的氢化物的沸点低于与其组成相似的氧的氢化物,其原因是 。
(2)Ge与C是同族元素,C原子之间可以形成双键、三键,但Ge原子之间难以形成双键或三键。从原子结构角度分析,原因是 。
(3)氨的沸点 (填“高于”或“低于”)膦(PH3),原因是 ;氨是 (填“极性”或“非极性”)分子,中心原子的轨道杂化类型为 。
(4)①关于下列分子的说法不正确的是 。
A.既有σ键又有π键
B.O—H的极性强于C—H的极性
C.是非极性分子
D.该物质的分子之间不能形成氢键,但它可以与水分子形成氢键
②下列说法正确的是 。
A.HOCH2CH(OH)CH2OH与CH3CHClCH2CH3都是手性分子
B. 和CH4的空间结构相似
C.BF3与 都是平面形分子
D.CO2和H2O都是直线形分子
答案 (1)H2S分子间不能形成氢键,H2O分子间可以形成氢键
(2)Ge原子半径大,原子间形成的σ单键较长,p-p轨道“肩并肩”重叠程度很小或几乎不能重叠,难以形成π键
(3)高于 NH3分子间可形成氢键 极性 sp3
(4)①CD ②BC
解析 (1)硫化氢的沸点低于水的沸点,原因是水分子间可以形成氢键,而硫化氢分子间不能形成氢键。
(2)Ge与C同处于第ⅣA族,但Ge原子比C原子多2个电子层,则Ge原子的半径大于C原子,Ge原子之间形成的σ键较长,p-p轨道“肩并肩”重叠程度较小,故难以形成π键。
(3)氨分子间可以形成氢键,分子间作用力强,所以氨的沸点高于膦(PH3);根据价层电子对互斥模型,氨中心原子N的σ键电子对数为3,孤电子对数为
(5-3×1)=1,则N原子是sp3杂化,氨分子空间结构为三角锥形,正、负电荷中心不重合,氨是极性分子。
(4)①A选项,分子中含有碳碳双键,因此既有σ键又有π键;B选项,O的电负性大于C的,因此O—H的极性强于C—H的极性;C选项,该分子结构不对称,因此属于极性分子;D选项,该分子中含有羟基,分子之间能形成氢键。
②A选项,HOCH2CH(OH)CH2OH分子中没有手性碳原子,不属于手性分子,所以错误;B选项,两种微粒均为正四面体结构,所以正确;C选项,BF3为平面正三角形结构,苯为平面正六边形结构,两者均属于平面形分子,所以正确;CO2分子为直线形结构,H2O分子为V形结构,所以错误。(共39张PPT)
第一课时 共价键
第二章
2021
素养目标
1.认识原子间通过原子轨道重叠形成共价键,从微观结构认识分子的产生原因,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.根据原子轨道的重叠方式,了解共价键可分为σ键和π键等类型;结合原子轨道的伸展方向,了解共价键具有饱和性和方向性。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.s原子轨道电子云轮廓图是球形的,p原子轨道电子云轮廓图是哑铃状的。
2.共价键的本质是成键原子之间通过共用电子对产生静电作用。
【自主梳理】
1.共价键
共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。
2.共价键的类型(按成键原子的原子轨道重叠方式分类)
(1)共价键的类型
分类标准 类型
共用电子对数 单键、双键、三键
共用电子对是否偏移 极性键、非极性键
原子轨道重叠方式 σ键、π键
(2)σ键
(3)π键
形成 由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成
p-p π键
p-p π键的形成
特征 π键的电子云具有镜面对称性,即每个π键的电子云由两块组成,分别位于由两原子核构成平面的两侧,如果以它们之间包含原子核的平面为镜面,它们互为镜像;π键不能旋转,不如σ键牢固,较易断裂
(4)判断σ键、π键的一般规律
共价单键为 σ 键;共价双键中有一个 σ 键、一个 π 键;共价三键由一个σ键和 两 个π键组成。
【微思考】两个原子间可以只形成σ键,也可以只形成π键吗
提示 π键不能独立存在,π键电子云由两块组成,是以σ键所连接的两个原子成镜面对称的。
3.共价键的形成条件
原子 Na Cl H Cl C O
电负性 0.9 3.0 2.1 3.0 2.5 3.5
电负性之差(绝对值) 2.1 0.9 1.0
结论:当成键原子的电负性相差很大时,形成的电子对不会被共用,形成的将是离子键;而共价键是电负性相差不大的原子之间形成的化学键。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)所有共价键都有饱和性( )
(2)N2分子中σ键与π键的个数比是2∶1( )
(3)CO2分子中有一个σ键和一个π键( )
(4)一般来说,σ键比π键强度大,更稳定( )
(5)形成Cl2分子时,p轨道的重叠方式可以为 ( )
(6)σ键和π键都只存在于共价化合物中( )
√
×
×
√
×
×
2.某有机化合物的结构式为 ,则该分子中有 个σ键, 个π键。
答案 7 3
解析 分子中5个共价单键是σ键,双键中有1个σ键和1个π键,三键中有1个σ键,另2个是π键,故分子中σ键总数是7,π键总数是3。
课堂篇 素养提升
探究1
共价键的本质与类型
【问题探究】
水分子的空间结构模型 过氧化氢分子的空间结构模型
(1)水分子中的共价键是哪些原子形成的哪类共价键
提示 水分子中的共价键是由O原子与H原子形成的σ键。
(2)过氧化氢分子中的O、H元素的化合价分别是多少 为什么
提示 过氧化氢分子中O、H元素的化合价分别是-1价、+1价。过氧化氢分子中有两类共价键,O—O间的共价键是非极性键,共用电子对不偏移;O—H是极性键,氧的电负性较H大,共用电子对偏向氧。
(3)共价键可以存在于哪些物质中 举例说明。
提示 共价键可以存在于共价单质中,如H2、O2、N2等;可以存在于共价化合物中,如H2O、H2SO4、CH4等;也可以存在于离子化合物中,如NaOH、NH4Cl、Na2O2等。
【深化拓展】
1.共价键的本质
共价键的本质是原子之间形成共用电子对(或原子轨道的重叠)。
2.共价键存在的范围
(1)共价化合物[原子间以共用电子对(共价键)形成的化合物]中。原子之间通过共价键结合,共价化合物中一定存在共价键。如SO2、CO2、CH4、H2O2、CS2、H2SO4等。
(2)非金属单质分子中。如O2、F2、H2、C60、单质硫、白磷(P4)等(稀有气体为单原子分子,不存在化学键),双原子(或多原子)分子中一定存在共价键(但红磷等分子结构较复杂,常以元素符号代表其单质)。
金刚石、晶体硅中原子间也存在共价键
(3)部分离子化合物(离子化合物中阴、阳离子为原子团时一定存在共价键)中。如Na2SO4的 中存在共价键,NaOH的OH-中存在共价键,NH4Cl的
中存在共价键,Na2O2的 中存在共价键等。
3.共价键的特征
共价键的特征:共价键具有饱和性和方向性。
(1)共价键的饱和性
按照共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可以与几个自旋相反的电子配对成键,这就是共价键的“饱和性”。H原子、Cl原子都只有一个未成对电子,因而只能形成H2、HCl、Cl2分子,不能形成H3、H2Cl、Cl3等分子。
(2)共价键的方向性
原子之间形成共价键时,两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠,而且原子轨道重叠越多,电子在两核间出现的概率越大,形成的共价键越牢固。电子所在的原子轨道都具有一定的形状,原子轨道要取得最大重叠决定了共价键必然具有方向性。
【素能应用】
典例1下列说法正确的是( )
A.若把H2S写成H3S,则违背了共价键的饱和性
B.H3O+的存在说明共价键不应有饱和性
C.所有共价键都有方向性
D.金属元素与非金属元素的原子间只形成离子键
答案 A
解析 硫原子有两个未成对电子,根据共价键的饱和性,形成的氢化物为H2S,A项正确;H2O只能结合1个H+形成H3O+,证明共价键有饱和性,B项错误;H2分子中两个氢原子的1s轨道发生重叠形成H—H σ键,因为s轨道电子云轮廓图呈球形,所以H2分子中的H—H没有方向性,C项错误;AlCl3是铝原子与氯原子通过共价键形成的共价化合物,D项错误。
【微点拨】有关共价键特征问题的思维流程
①共价键的饱和性→决定分子的组成。
②共价键的方向性→决定分子的空间结构。
③成键原子的运动特点→两原子轨道发生重叠后,电子在两核间出现的概率增大。
变式设问 H2S分子中两个共价键的夹角接近90°,原因是什么
提示 S原子的价层电子排布式是3s23p4,有2个未成对电子,并且分布在相互垂直的两个p轨道中,当与两个H原子配对成键时,形成的两个共价键间夹角接近90°,这体现了共价键的方向性,是由p轨道的伸展方向决定的。
规律总结 共价键方向性和饱和性的正确理解
(1)共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的,它决定了分子的组成。
(2)共价键的方向性是由成键原子的轨道的方向性决定的,它决定了分子的空间结构。
(3)所有的共价键都有饱和性,但不是所有的共价键都有方向性,如两个1s轨道“H原子与H原子”重叠形成的s-s σ键没有方向性。
变式训练1下列各组物质中,所有化学键都是共价键的是( )
A.H2S和Na2O2
B.H2O2和CaF2
C.NH3和N2
D.HNO3和NaCl
答案 C
解析 A项,Na2O2中既有离子键又有共价键,不符合题意;B项,CaF2中只有离子键,不符合题意;D项,NaCl属于离子化合物,没有共价键,不符合题意。
探究2
σ键与π键的区别及与单键、双键、三键的关系
【问题探究】
观察下图中乙烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型,回答相关问题。
问题思考:
(1)乙烯和乙炔分子中的碳原子间,既存在σ键,又存在π键,σ键和π键的成键方式有何不同
提示 σ键是原子轨道以“头碰头”方式发生重叠成键;π键是p轨道与p轨道以“肩并肩”方式发生重叠成键。
(2)从乙烷、乙烯和乙炔分子中存在的σ键和π键来看,σ键和π键的存在条件和数目有何规律
提示 σ键可以独立存在,π键不能单独存在。
所有的单键都是σ键;双键中有一个σ键和一个π键;三键中有一个σ键和两个π键。
(3)乙烯和乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼
提示 乙烯分子中的碳碳双键和乙炔分子中的碳碳三键中分别含有1个和2个π键,π键原子轨道重叠程度较小,不稳定,容易断裂。而乙烷分子中没有π键,σ键原子轨道重叠程度大,比较稳定,不易断裂。
【深化拓展】
σ键和π键的比较
共价键类型 σ键 π键
原子轨道重叠方式 沿键轴方向(“头碰头”)重叠 沿键轴方向平行
重叠(“肩并肩”)
原子轨道重叠部位 两原子核之间,在键轴处 键轴上方和下方
原子轨道重叠程度 大 小
键的强度 较大 较小
化学活泼性 不活泼 活泼
【素能应用】
典例2下列说法不正确的是( )
A.σ键一般比π键原子轨道重叠程度大,形成的共价键强
B.两个原子之间形成共价键时,最多有1个σ键
C.气体单质中,一定有σ键,可能有π键
D.一个N2分子中有1个σ键,2个π键
答案 C
解析 气体单质分子中,可能有σ键,如Cl2;可能有π键,如N2;也可能没有化学键,如稀有气体分子。
易错警示 共价键的认识误区
(1)σ键与π键的实质相同,都是由原子间通过共用电子对形成的。
(2)σ键与π键由于原子轨道的重叠程度不同而导致了两者的稳定性不同。
(3)判断共价键的类型时一定要明确原子之间的共价键个数,根据个数再进行判断。
(4)分子中存在π键,则一定存在σ键,但若存在σ键,却不一定存在π键。
变式训练2已知甲醛、CO、石黑烯的结构如下图所示:
(1)1 mol HCHO分子中含有σ键的数目为 (设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(2)已知CS2与CO2的分子结构相似,则CS2分子中的共价键的类型有 。
(3)Ni能与CO形成正四面体形的共价化合物Ni(CO)4,1 mol Ni(CO)4中含有
mol σ键。
(4)石墨烯是一种由单层碳原子构成的平面结构新型材料,下图中1号C与相邻C形成σ键的个数为 。
答案 (1)3NA (2)σ键、π键 (3)8 (4)3
解析 (1)HCHO的结构式为 ,则1 mol HCHO分子中含有3 mol σ键。
(2)CS2与CO2分子结构相似,C与S原子形成双键,每个双键包含1个σ键和1个π键,故CS2分子中含有的共价键类型为σ键和π键。
(3)CO分子的电子式为 ,故1个CO分子中存在1个σ键,而Ni(CO)4中Ni与每个CO分子之间还存在σ键,故1 mol Ni(CO)4中含有8 mol σ键。
(4)由题图可以看出,每个碳原子能与三个相邻碳原子形成单键,故1号碳原子与相邻碳原子能形成3个σ键。
素养脉络
随堂检测
1.原子间形成分子时,决定各原子相互结合的数量关系的是( )
A.共价键的方向性
B.共价键的饱和性
C.形成共价键原子的大小
D.共价键的稳定性
答案 B
2.关于σ键和π键的比较,下列说法不正确的是( )
A.σ键是轴对称的,π键是镜面对称的
B.σ键是“头碰头”式重叠,π键是“肩并肩” 式重叠
C.σ键不能断裂,π键容易断裂
D.氢原子只能形成σ键,氧原子可以形成σ键和π键
答案 C
解析 σ键较稳定,不易断裂,而不是不能断裂。化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成。
3.下列物质的分子中,没有π键的是( )
A.CO2
B.N2
C.CH≡CH
D.HClO
答案 D
4.下图表示氢原子的电子云重叠示意图。以下各种说法错误的是( )
A.图中电子云重叠表示电子在核间出现的概率大
B.是两个氢原子核外的1s原子轨道发生重叠形成共价键
C.氢原子的核外电子呈云雾状,在两核间分布得密一些,将两核吸引
D.氢原子之间形成σ键,s-s σ键没有方向性
答案 C
解析 电子云是对核外电子运动状态的一种形象化描述,并不是指电子呈云雾状,图中小点的疏密只表示电子出现概率的大小,C项错误;s电子云是球形对称的,s-s σ键无方向性,D项正确。
5.有以下物质:①HF ②Cl2 ③H2O ④N2 ⑤C2H4 ⑥C2H6 ⑦H2
⑧H2O2 ⑨HCN(H—C≡N)。
(1)只含有极性键的是 (填序号,下同);
(2)只含有非极性键的是 ;
(3)既有极性键,又有非极性键的是 ;
(4)只有σ键的是 ;
(5)既有σ键又有π键的是 ;
(6)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是 ;
(7)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成π键的是 。
答案 (1)①③⑨ (2)②④⑦ (3)⑤⑥⑧ (4)①②③⑥⑦⑧ (5)④⑤⑨ (6)⑦ (7)④⑤⑨
解析 由同种元素形成的共价键是非极性键,由不同种元素形成的共价键是极性键。在形成的共价键中,单键都是σ键,双键或三键中既有σ键又有π键,π键由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成。(共31张PPT)
第二课时 键参数——键能、键长与键角
第二章
2021
素养目标
1.通过认识共价键的键能、键长和键角,从微观角度模型化解释分子的空间结构。
2.结合共价键的键长、键能和键角等数据,理解分子的性质与键参数的关系,培养证据推理与模型认知的核心素养。
3.掌握用共价键的强弱解释物质稳定性的方法。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.甲烷分子为正四面体结构,键角是109°28'。
2.F、Cl、Br、I原子半径逐渐增大,F2、Cl2、Br2、I2与氢气反应越来
越难,HF、HI、HBr、HI的稳定性逐渐减弱。
【自主梳理】
键参数的概念、影响和特点
类型 概念 影响 特点
键能 气态分子中1 mol化学键 解离成气态原子所吸收的能量 衡量共价键强弱 键能越大,键越稳定
键长 构成共价键的两个原子之间的核间距 衡量共价键强弱 键长越小,键能越大,键越稳定
键角 多原子分子中两个相邻共价键之间的夹角 描述分子空间结构 表明共价键有方向性,决定分子的空间结构
注:键长和键角的数值可通过晶体的X射线衍射实验获得。
【微思考1】如图,白磷和甲烷均为正四面体结构。
它们的键角是否相同,为什么
提示 不同,白磷分子中的键角是指P—P之间的夹角,为60°;而甲烷分子的键角是指C—H之间的夹角,为109°28'。
【微思考2】根据元素周期律可知,NH3的稳定性强于PH3,你能利用键参数进行解释吗
提示 N原子的半径比P原子的半径小,故键长N—H比P—H小,则N—H的键能比P—H的键能大,N—H更难被破坏,NH3更稳定。
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)键角是描述分子空间结构的重要参数( )
(2)键长是成键两原子半径的和( )
(3)C=C的键能等于C—C键能的2倍( )
(4)键长越小,键能一定越大,分子就一定越稳定( )
(5)因为O—H的键能小于H—F的键能,所以O2、F2与H2反应的能力依次减弱( )
√
×
×
×
×
2.共价键①N≡N ②H—F ③H—O ④N—H ⑤P—H中,键能由大到小的顺序正确的是( )
A.①②③④⑤ B.⑤④③②①
C.①⑤④③② D.②③④⑤①
答案 A
3.某些化学键的键能(kJ·mol-1)如下表所示。
(1)1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧,放出热量 kJ。
(2)在一定条件下,1 mol H2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应,放出热量由多到少的顺序是 (填字母)。
a.Cl2>Br2>I2 b.I2>Br2>Cl2 c.Br2>I2>Cl2
预测1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热 (填“多”或“少”)。
化学键 H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I
键能 436 242.7 193.7 152.7 431.8 366 298.7
答案 (1)184.9 (2)a 多
课堂篇 素养提升
探究
键参数对物质性质的影响
【问题探究】
已知部分键能、键长数据如下表所示:
共价键 Cl—Cl Br—Br I—I H—F H—Cl H—Br H—I H—O
242.7 193.7 152.7 568 431.8 366 298.7 462.8
键长/pm 198 228 267 96
共价键 C—C C=C C≡C C—H N—H N=O O—O O=O
347.7 615 812 413.4 390.8 607 142 497.3
键长/pm 154 133 120 109 101
分析比较回答下列问题:
(1)根据元素周期律可知,HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱,请利用键参数加以解释。
提示 键长H—FH—Cl>H—Br>H—I,故HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱。
(2)一般来说,键长越短,键能越大。但F—F键长比Cl—Cl键长小,而F—F键能却比Cl—Cl键能小,为什么
提示 氟原子的半径小导致F—F键长小,由于键长小,两个氟原子形成共价键时,原子核之间的距离较小,两原子核之间排斥力较大,导致F—F键能不大,F2的稳定性较差,容易与其他物质发生反应。
(3)N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强,从键能的角度如何理解这一化学事实
提示 从表中的数据可知,N—H、O—H与H—F的键能依次增大,意味着形成这些键时放出的能量依次增大,化学键越来越稳定。所以N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强。
(4)下列有关推断是否正确
①同种元素形成的共价键的稳定性:三键>双键>单键。
②同种元素形成的双键键能一定小于单键键能的2倍。
③键长越小,键能一定越大。
④氢化物的键能越大,其稳定性一定越强。
提示 由碳碳键的数据知①正确;由O—O、O=O的键能知,②错误;C—H的键长大于N—H的键长,但是N—H的键能反而较小,③错误;由C—H、N—H的键能可知,C—H的键能较大,而CH4稳定性比NH3弱,④错误。
【深化拓展】
共价键键参数的应用
(1)键能的应用
①表示共价键的强弱。
键能越大,断开化学键需要吸收的能量越多,化学键越稳定。
②判断分子的稳定性。
结构相似的分子中,共价键的键能越大,分子越稳定。
③判断化学反应中的能量变化。
化学反应的实质
在化学反应中,断裂旧化学键吸收能量,形成新化学键释放能量,因此反应焓变与键能的关系为ΔH=反应物键能总和-生成物键能总和。ΔH<0时,为放热反应;ΔH>0时,为吸热反应。
(2)键长的应用
①键长越小,一般键能越大,共价键越稳定,含该共价键的分子越稳定。
②键长的比较方法。
a.根据成键原子的原子半径比较。同类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越小。
b.根据共用电子对数比较,相同的两个原子间形成共价键时,单键键长>双键键长>三键键长。
(3)键角的应用
①键长和键角决定分子的空间结构。
②常见分子中的键角与分子空间结构。
决定分子的极性
(4)几种常见分子的结构式、键角及空间结构
【素能应用】
典例有关碳和硅的共价键键能如下表所示:
共价键 C—C C—H C—O Si—Si Si—H Si—O
347.7 413.4 351 226 318 452
简要分析和解释下列有关事实。
(1)比较通常条件下,CH4和SiH4的稳定性强弱: 。
(2)硅与碳同族,硅元素也有系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是 。
(3)SiH4的稳定性小于CH4,硅更易生成氧化物,原因是 。
答案 (1)CH4比SiH4稳定
(2)C—C和C—H键能较大,所形成的烷烃较稳定,而硅烷中Si—Si和Si—H的键能较小,易断裂,导致长链硅烷难以生成
(3)C—H的键能大于C—O,C—H比C—O稳定,而Si—H的键能却远小于Si—O,所以Si—H不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O
解析 (1)因为C—H的键能大于Si—H的键能,所以CH4比SiH4稳定。
(2)C—C和C—H的键能比Si—H和Si—Si的键能都大,因此烷烃比较稳定,而硅烷中Si—Si和Si—H的键能较小,易断裂,导致长链硅烷难以生成。
(3)C—H的键能大于C—O,C—H比C—O稳定,而Si—H的键能却远小于Si—O的,所以Si倾向于形成稳定性更强的Si—O。
规律总结 共价键强弱的判断方法
(1)由原子半径和共用电子对数判断:成键原子的原子半径越小,两原子间共用电子对数越多,则一般共价键越牢固,含有该共价键的分子越稳定。
(2)由键能判断:共价键的键能越大,共价键越牢固,破坏共价键消耗的能量越多。
(3)由键长判断:共价键的键长越小,共价键越牢固,破坏共价键消耗的能量越多。
(4)由电负性判断:元素的电负性越大,该元素的原子对共用电子对的吸引力越大,形成的共价键一般越稳定。
变式训练1关于键长、键能和键角,下列说法不正确的是( )
A.键角是描述分子空间结构的重要参数
B.键长的大小与成键原子的半径和成键数目有关
C.键能越大,键长越大,共价化合物越稳定
D.键角的大小与键长、键能的大小无关
答案 C
解析 键角是描述分子空间结构的重要参数,如CO2分子中的2个C=O的键角为180°,故分子为直线形分子,A正确。键长的大小与成键原子的半径有关,如Cl的原子半径小于I的原子半径,Cl—Cl的键长小于I—I的键长;键长还和成键数目有关,成键数目越多,键长越小,B正确。键能越大,键长越小,共价键越强,共价化合物越稳定,故C错误。键角的大小取决于成键原子轨道的夹角,D正确。
变式训练2下列说法正确的是( )
A.分子中键能越大,表示分子拥有的能量越高,共价键越难断裂
B.分子中键长越大,表示成键原子轨道重叠越多,键越牢固
C.形成化学键的过程是一个吸收能量的过程
D.形成化学键的过程是一个放出能量的过程
答案 D
解析 键能越大,表示破坏该键需要的能量越多,并不是分子拥有的能量越高;键长越大,表示成键的两原子的核间距越大,分子越不稳定;化学键的形成是原子由高能量状态向稳定状态(低能量状态)转变的过程,所以是一个放热过程。
素养脉络
随堂检测
1.可以反映共价键强弱的物理量是( )
A.键角 B.键能、键长
C.键能、键长、键角 D.键长、键角
答案 B
2.从键长的角度判断,下列共价键中最稳定的是( )
A.H—F B.N—H
C.C—H D.S—H
答案 A
3.N—H的键能的含义是( )
A.由N和H形成1 mol NH3所放出的能量
B.把1 mol NH3中的共价键全部拆开所吸收的热量
C.拆开约6.02×1023个N—H所吸收的热量
D.形成1个N—H所放出的热量
答案 C
4.下列事实不能用键能的大小来解释的是( )
A.N2的化学性质很稳定
B.稀有气体一般难发生反应
C.HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱
D.F2比O2更容易与H2反应
答案 B
解析 由于N2分子中存在N≡N,键能很大,破坏共价键需要很大的能量,所以N2的化学性质很稳定;稀有气体都为单原子分子,分子内部没有化学键;卤族元素从F到I原子半径逐渐增大,其氢化物分子中的键长逐渐变长,键能逐渐变小,所以稳定性逐渐减弱;由于H—F的键能大于H—O的键能,所以更容易生成HF。(共39张PPT)
第一课时 共价键的极性
第二章
2021
素养目标
1.掌握共价键可分为极性共价键和非极性共价键。
2.区分极性分子和非极性分子,了解分子极性与分子中键的极性及分子空间结构密切相关。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.根据成键元素的原子是否相同即共用电子对是否发生偏移,将共价键分为极性键和非极性键。
2.CO2分子中所含共价键是极性键(填“极性键”或“非极性键”),分子的空间结构是直线形;H2O分子中所含的共价键是极性键(填“极性键”或“非极性键”),分子空间结构是角形(或V形);H2O2分子中所含的共价键有极性键和非极性键。
【自主梳理】
1.键的极性和分子的极性
(1)键的极性
分类 极性共价键 非极性共价键
成键原子 不同元素的原子 同种元素的原子
共用电子对 发生偏移 不发生偏移
成键原子 的电性 电负性较小的原子呈正电性(δ+), 电负性较大的原子呈负电性(δ-) 电中性
(2)键的极性与分子极性的关系
特别提醒 ①稀有气体是非极性分子,不含共价键。②臭氧是极性分子。
【微思考1】含有极性键的分子一定是极性分子吗 含有非极性键的分子一定是非极性分子吗
提示 不一定。含有极性键的分子,若分子结构是空间对称的,则为非极性分子,否则是极性分子。H2O2分子中存在非极性键,但H2O2分子为极性分子。
2.键的极性对化学性质的影响
羧酸是一类含羧基(—COOH)的有机酸,羧基可电离出H+而呈酸性。
三氟乙酸的酸性强于三氯乙酸,这是由于氟的电负性大于氯的电负性,C—F的极性大于C—Cl,导致三氟乙酸羧基中的O—H的极性更大,更易电离出氢离子。
烃基(符号R—)是推电子基团,烃基越长推电子效应越大,使羧基中的羟基的极性越小,羧酸的酸性越弱。
【微思考2】酸性大小比较(填“>”“<”或“=”):
(1)乙酸 丙酸;
(2)三氯乙酸 三溴乙酸;
(3)三氯乙酸 二氯乙酸 氯乙酸。
提示 (1)烃基越长酸性越弱,乙酸>丙酸;
(2)羧酸分子中所连原子电负性越大酸性越强,三氯乙酸>三溴乙酸;
(3)羧酸分子中所连电负性大的原子越多酸性越强,三氯乙酸>二氯乙酸>氯乙酸。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)极性分子中不可能含有非极性键( )
(2)离子化合物中不可能含有非极性键( )
(3)非极性分子中不可能含有极性键( )
(4)极性分子中一定含有极性键( )
(5)H2O、CO2、CH4都是非极性分子( )
×
×
×
√
×
2.下列分子含有的电子数目与HF相同,且只有两个极性共价键的是( )
A.CO2 B.N2O
C.H2O D.CH4
答案 C
3.下列叙述正确的是( )
A.以非极性键结合起来的双原子分子一定是非极性分子
B.以极性键结合起来的分子一定是极性分子
C.非极性分子只能是双原子单质分子
D.非极性分子中一定含有非极性键
答案 A
解析 由非极性键结合起来的双原子分子一定为非极性分子,如氧气、氮气、氯气等,A项正确;以极性键结合起来的分子可能为非极性分子,如甲烷、二氧化碳等,B项错误;非极性分子可能为多原子化合物分子,如甲烷、二氧化碳等,C项错误;非极性分子中可能不含非极性键,如甲烷等,D项错误。
4.试比较下列羧酸的酸性强弱(填“>”“<”或“=”):
HCOOH CH3COOH;
CH3COOH ;
CH3CH2COOH CF3COOH。
答案 > < <
解析 烃基是推电子基团,烃基中碳原子数越多,形成的羧酸的酸性越弱;当烃基中的氢原子被电负性较大的原子(如F、Cl)取代时,羧酸的酸性增强。
课堂篇 素养提升
探究1
键的极性与分子的极性的关系
【问题探究】
已知H2O2分子的空间结构可在二面角中表示,如图所示:
(1)分析H2O2分子中共价键的种类有哪些。
提示 H2O2分子中H—O为极性共价键,O—O为非极性共价键。
(2)H2O2分子中正电中心和负电中心是否重合 H2O2属于极性分子还是非极性分子
提示 不重合。H2O2属于极性分子。
(3)通过比较分子组成及成键情况,判断H—O—H与H—O—O—H中的O—H哪个极性更大,更容易电离出氢离子。
提示 H—O—O—H中的O—H极性更大,更容易电离出氢离子。
【深化拓展】
1.键的极性
形成极性键的两个键合原子的电负性相差越大,键的极性就越强。如键的极性由强到弱顺序为H—F>H—O>N—H>C—H,H—F>H—Cl>H—Br>H—I。
2.分子极性的判断方法
(1)化合价法
只适用于ABn型分子
①|中心原子化合价|=中心原子价层电子数 非极性分子。
其他原子围绕中心原子成键
②|中心原子化合价|≠中心原子价层电子数 极性分子。
(2)根据中心原子价层电子是否全部成键判断。
①中心原子价层电子若全部参与成键,不存在孤电子对,此分子一般为非极性分子。
②分子中的中心原子价层电子若未全部参与成键,存在孤电子对,此分子一般为极性分子。
具体实例如下:
分子 BF3 CO2 PCl5 SO3 H2O NH3 SO2
中心原子化合价绝对值 3 4 5 6 2 3 4
中心原子价层电子数 3 4 5 6 6 5 6
价层电子是否全部成键 是 是 是 是 否 否 否
分子极性 非极性 非极性 非极性 非极性 极性 极性 极性
(3)根据所含共价键的类型及分子的空间结构判断。
分子类型 键的极性 分子空间结构 分子极性 代表物
双原子 分子 A2 非极性键 直线形(对称) 非极性 H2、O2、
Cl2、N2等
AB 极性键 直线形(不对称) 极性 HF、HCl、CO、NO等
三原子 分子 A2B (或AB2) 极性键 直线形(对称) 非极性 CO2、CS2等
(键角180°)
极性键 V形(不对称) 极性 H2O(键角105°)等
分子类型 键的 极性 分子空间 结构 分子极性 代表物
四原子 分子 AB3 极性键 平面三角 形(对称) 非极性 BF3、BCl3等
极性键 三角锥形 (不对称) 极性 NH3(键角107°)等
五原子 分子 AB4 极性键 正四面体 形(对称) 非极性 CH4、CCl4(键角
109°28')等
ABnC4-n(n<4, 且为正整数) 极性键 四面体形 (不对称) 极性 CHCl3、CH2Cl2等
【素能应用】
典例1下列关于粒子结构的描述不正确的是( )
A.H2S和NH3均是价层电子总数为8的极性分子
B.HS-和HCl均是含1个极性键的18电子粒子
C.CH2Cl2和CCl4均是空间结构为四面体形的非极性分子
D.SO2和SO3中心原子的杂化轨道类型均为sp2,空间结构分别为V形、平面三角形
答案 C
解析 H2S分子中氢、硫原子间形成极性键,且空间结构不对称,属于极性分子;NH3分子中含有极性键,空间结构为三角锥形,正负电荷中心不重合,属于极性分子,A项正确。HS-和HCl都只含一个极性键,都具有18个电子,B项正确。CH2Cl2正负电荷的中心不重合,是极性分子,C项错误。SO2中硫原子形成两个σ键,孤电子对数为 ×(6-2×2)=1,价层电子对数为3,为sp2杂化,分子空间结构为V形;SO3分子中,中心原子硫原子价层有6个电子,结合了三个原子,所以不含孤电子对,价层电子对数为σ键个数+孤电子对数
=3+ ×(6-3×2)=3,为sp2杂化,SO3分子为平面三角形结构,D项正确。
规律总结 从以下两方面判断分子的极性:
变式训练1下列物质:①BeCl2 ②Ar ③白磷 ④BF3 ⑤NH3 ⑥H2O2,其中含极性键的非极性分子是( )
A.①④⑥ B.②③⑥
C.①④ D.①③④⑤
答案 C
解析 ①BeCl2空间结构是直线形,Cl—Be—Cl是含极性键的非极性分子;②Ar为稀有气体,分子中不含化学键;③白磷分子式为P4,不含极性键,含有的是非极性键;④BF3是平面三角形结构,是极性键构成的非极性分子;⑤过氧化氢是由极性键和非极性键构成的极性分子。故C项符合题目要求。
探究2
键的极性对物质化学性质的影响——以物质的酸性为例
【问题探究】
(1)三氟乙酸的酸性大于三氯乙酸酸性的原因。
提示 由于氟的电负性大于氯的电负性,F—C的极性大于Cl—C的极性,使F3C—的极性大于Cl3C—的极性,导致三氟乙酸的羧基中的羟基的极性更大,更易电离出氢离子。
(2)三氯乙酸的酸性大于二氯乙酸酸性的原因。
提示 由于Cl3C—比Cl2CH—多一个氯原子,使Cl3C—的极性大于Cl2CH—的极性,导致三氯乙酸的羧基中的羟基的极性更大,更易电离出氢离子。
(3)甲酸的酸性大于乙酸酸性的原因。
提示 烃基(R—)是推电子基团,烃基越长推电子效应越大,使羧基中的羟基的极性越小,羧酸的酸性越弱。
(4)硫酸、磷酸的结构简式分别为 、 ,它们的酸性强弱是怎样的
提示 非羟基氧原子的吸电子效应使O—H极性增强,更容易电离出H+,非羟基氧原子越多,分子的酸性越强,故硫酸的酸性强于磷酸。
【深化拓展】
判断物质酸性强弱的方法
(1)根据元素周期律判断
①同一主族元素的非金属氢化物的酸性从上到下逐渐增强,如HF②同一周期元素的非金属氢化物的酸性从左向右逐渐增强,如H2S③同一主族元素最高价氧化物对应水化物的酸性从上到下逐渐减弱,如HClO4>HBrO4>HIO4;HNO3>H3PO4;H2CO3>H2SiO3。
④同一周期元素最高价氧化物对应水化物的酸性从左向右逐渐增强,如H3PO4(2)根据元素化合价判断
同一元素的含氧酸,中心原子的化合价越高,酸性越强。如H2SO4>H2SO3。
(3)根据非羟基氧原子数判断
(4)根据电离常数来判断
如K(H3PO4)>K(HClO),酸性H3PO4>HClO;或依据pKa(pKa=-lg Ka)大小判断:pKa越小,酸性越强。
(5)根据化学反应判断
如H2SO4+Na2SO3 === Na2SO4+H2O+SO2↑,
酸性:H2SO4>H2SO3。
H2O+CO2+Ca(ClO)2 === CaCO3↓+2HClO,
酸性:H2CO3>HClO。
(6)羧酸酸性强弱的判断
①与羧基相连的烃基含碳原子数越多,羧酸酸性越弱。
如酸性HCOOH>CH3COOH>C2H5COOH。
因为烃基是推电子基团,烃基含碳原子越多,推电子效应越大,使O—H极性越弱,越难电离出H+。
②与羧基相连的碳原子上连接有电负性大的原子时,羧酸的酸性增强。
如酸性CF3COOH>CCl3COOH>CHCl2COOH>CH2ClCOOH>CH3COOH。
因为电负性大的原子的吸电子作用,使O—H的极性增强,更易电离出H+。
【素能应用】
典例2下列物质的酸性强弱比较正确的是( )
A.CH3CH2CH2COOH>HCOOH
B.CH3CH2COOH>CH3CH2CH2COOH
C.HClO3D.CH2FCOOH答案 B
解析 CH3CH2CH2—的推电子作用使CH3CH2CH2COOH酸性弱于HCOOH,A项错误;含碳原子数越多的烃基推电子作用越强,使O—H极性越弱,导致相应羧酸的酸性减弱,所以B项正确;同一元素不同价态的含氧酸中化合价越高,酸性越强,C项错误;由于电负性F>Cl>H,故D项错误。
变式训练2下列各组酸中,酸性依次增强的是( )
A.H2CO3、H2SiO3、H3PO4
B.HNO3、H3PO4、H2SO4
C.HI、HCl、H2S
D.HClO、HClO3、HClO4
答案 D
解析 A项中由于非金属性:C>Si,故酸性:H2CO3>H2SiO3;B项中由于非金属性:N>P,故酸性:HNO3>H3PO4;C项中HCl是强酸,H2S是弱酸;D项可根据通式(HO)mClOn判断出非羟基氧原子数n值依次为0、2、3,从而得出酸性HClO素养脉络
随堂检测
1.在下列物质中,分子中电荷空间分布对称的是( )
①CO2 ②CCl4 ③NH3 ④H2O ⑤HBr
A.①②④ B.②④⑤
C.③⑤ D.①②
答案 D
解析 在由三个以上原子形成的化合物分子中,空间结构对称的分子,其电荷的空间分布对称,如直线形的CO2、正四面体形的CCl4。
2.下列物质中,由极性键形成的非极性分子是( )
A.CO2 B.Br2
C.CaCl2 D.SO2
答案 A
解析 不同种元素形成的化合物中才可能含有极性键;在由三个以上原子形成的化合物分子中,空间结构对称的分子才是非极性分子,如直线形的CO2。
3.用一带静电的玻璃棒靠近A、B两种纯液体流,现象如图所示。试分析A、B两种液体分子的极性正确的是( )
A.A是极性分子,B是非极性分子
B.A是非极性分子,B是极性分子
C.A、B都是极性分子
D.A、B都是非极性分子
答案 B
4.下列化学键中,键的极性最强的是( )
A.H—F B.H—O
C.H—N D.H—C
答案 A
解析 同周期主族元素随着核电荷数的增加,电负性逐渐增大,F、O、N、C这四种元素中C的电负性最小,F的电负性最大,所以H—F的极性最强。
5.在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2分子中:
(1)以非极性键结合的非极性分子是 。
(2)以极性键相结合,具有直线形结构的非极性分子是 。
(3)以极性键相结合,具有正四面体结构的非极性分子是 。
(4)以极性键相结合,具有三角锥形结构的极性分子是 。
(5)以极性键相结合,具有V形结构的极性分子是 。
(6)以极性键相结合,且分子极性最强的是 。
答案 (1)N2 (2)CS2 (3)CH4 (4)NH3 (5)H2O (6)HF(共45张PPT)
第二课时 分子间的作用力 分子的手性
第二章
2021
素养目标
1.熟悉两种常见的分子间作用力:范德华力和氢键;了解分子内氢键和分子间氢键在自然界中的广泛存在及重要作用,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.结合实例初步认识分子的手性以及手性分子在生命科学和药物合成中的应用,培养科学态度与社会责任的核心素养。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.HF、HCl、HBr、HI中,HF沸点较高是因为HF分子间存在氢键;而HCl、HBr、HI的沸点逐渐升高的原因是分子间作用力依次增大。
2.分子式为C4H10的丁烷有两种,其结构简式分别是CH3CH2CH2CH3和 ,二者互为同分异构体,其熔、沸点不同(填“相同”或“不同”)。
【自主梳理】
1.分子间的作用力
(1)范德华力及其
对物质性质的影响
(2)氢键及其对物质性质的影响
①氢键。
②氢键对物质性质的影响:氢键主要影响物质的熔、沸点,分子间氢键使物质熔、沸点升高,分子内氢键使物质熔、沸点降低。
【微思考1】“氢键是一种特殊的共价键,即电负性很大的原子和氢原子形成的共价键”的说法对吗 为什么
提示 该说法不对。氢键不属于化学键,它属于一种较强的分子间作用力,其强度:共价键>氢键>范德华力。
(3)溶解性
①“相似相溶”
非极性溶质一般能溶于非极性溶剂,极性溶质一般能溶于极性溶剂。
②影响物质溶解性的因素
【微思考2】(1)在水中的溶解性:CH4 (填“>”“<”或“=”。下同)NH3;
(2)在苯中的溶解性:CH4 NH3;
(3)在水中的溶解性:HOCH2CH2OH CH3OH。
提示 (1)<。CH4是非极性分子,NH3、H2O是极性分子,在水中的溶解性CH4(2)>。苯是非极性分子,在苯中的溶解性CH4>NH3;
(3)>。与水分子形成氢键个数越多,溶解性越大,则溶解度HOCH2CH2OH>CH3OH。
2.手性
(1)手性异构体:具有完全相同的组成和原子排列的一对分子,如同左手和右手一样互为镜像,却在三维空间里不能重叠,互称手性异构体(或对映异构体)。
(2)手性分子:有手性异构体的分子。
手性分子在生命科学和药物生产方面有广泛的应用。对于手性药物,一个异构体可能是有效的,而另一个异构体可能是无效甚至是有害的。
(3)连接4个不同原子或原子团的碳原子叫手性碳原子。
【微思考3】判断一种分子是否为手性分子的关键是什么
提示 分析该分子是否有连接四个互不相同的原子或基团的原子。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)氢键的形成都会使物质的熔、沸点升高( )
(2)氢键是一种特殊的化学键,它广泛存在于自然界中的物质中( )
(3)HF的沸点较高,是因为H—F的键能很大( )
(4)CH4难溶于水,NH3易溶于水( )
(5)HOCH2CH2OH比CH3OH在水中的溶解度小( )
(6)分子 具有手性( )
×
×
×
√
×
√
2.下列有关范德华力的叙述正确的是( )
A.范德华力的实质也是一种电性作用,所以范德华力是一种特殊的化学键
B.范德华力与化学键的区别是作用力的强弱不同
C.任何分子间在任意情况下都会产生范德华力
D.范德华力非常微弱,故破坏范德华力不需要消耗能量
答案 B
解析 范德华力的实质是一种电性作用,但范德华力是分子间较弱的作用力,不是化学键,A错误;化学键是微粒间的强烈的相互作用,范德华力是分子间较弱的作用力,B正确;若分子间的距离足够远,则分子间没有范德华力,C错误;虽然范德华力非常微弱,但破坏它时也要消耗能量,D错误。
3.(1)CrO2Cl2常温下为深红色液体,能与CCl4、CS2等互溶,据此判断CrO2Cl2可能是 (填“极性”或“非极性”)分子。
(2)在①苯 ②CH3OH ③HCHO ④CS2 ⑤CCl4五种有机溶剂中,碳原子采取sp2杂化的分子有 (填序号),CS2分子的空间结构是 。CO2与CS2相比, 的沸点较高。
答案 (1)非极性 (2)①③ 直线形 CS2
解析 (1)CCl4、CS2是非极性溶剂,根据“相似相溶”,CrO2Cl2可能是非极性分子。
(2)苯、CH3OH、HCHO、CS2、CCl4分子中碳原子的杂化方式分别是sp2、sp3、sp2、sp、sp3。CS2、CO2分子的空间结构都是直线形,根据组成和结构相似的物质,相对分子质量越大范德华力越大可知,CS2的沸点高于CO2。
课堂篇 素养提升
探究1
分子间作用力对物质性质的影响
【问题探究】
1.PtCl2(NH3)2可以形成两种固体,一种为淡黄色,在水中的溶解度较小;另一种为黄绿色,在水中的溶解度较大。
(1)PtCl2(NH3)2是平面四边形结构还是四面体结构
提示 根据PtCl2(NH3)2可以形成两种固体,即其有两种不同结构的同分异构体,故其结构应为平面四边形结构,若为四面体结构则无同分异构体。
(2)淡黄色的PtCl2(NH3)2是极性分子还是非极性分子 其分子的空间结构是怎样的
提示 淡黄色的PtCl2(NH3)2在水中溶解度较小,根据“相似相溶”应为非极性
分子,其分子的空间结构为 。
(3)黄绿色的PtCl2(NH3)2是极性分子还是非极性分子 其分子的空间结构是怎样的
提示 黄绿色的PtCl2(NH3)2在水中溶解度较大,应为极性分子,其分子的空间结构为 。
(1)工业上用水蒸气蒸馏法将A和B进行分离,首先被蒸出的成分是哪一种 为什么
提示 首先被蒸出的物质为A。因为A易形成分子内氢键,B易形成分子间氢键,B的沸点比A的高。
(2)在第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的氢化物中,NH3、H2O、HF三者的相对分子质量分别小于同主族其他元素的氢化物,为什么其沸点却比其他元素的氢化物高
提示 因为NH3、H2O、HF分子间分别能形成氢键,同主族其他元素的氢化物分子间不能形成氢键,所以NH3、H2O、HF的沸点高于同主族其他元素的氢化物。
【深化拓展】
范德华力、氢键、化学键的比较
类型 范德华力 氢键 共价键
定义 物质分子之间普遍存在的一种作用力 已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很大的原子之间的作用力 原子间通过共用电子对所形成的相互作用
作用微粒 分子 H与N、O、F 原子
特征 无方向性和饱和性 有方向性和饱和性 有方向性和饱和性
强度 共价键>氢键>范德华力
类型 范德华力 氢键 共价键
影响 强度的 因素 ①随分子极性的增大而增大 ②分子组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大 对于X—H…Y,X、Y的电负性越大, Y原子的半径越小,作用越强 成键原子半径和共用电子对数目。键长越小,键能越大,共价键越稳定
类型 范德华力 氢键 共价键
对物质 性质的 影响 ①影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质 ②组成和结构相似的物质,随相对分子质量的增大,物质的熔、沸点升高,如CF4H2S ②分子内氢键降低物质的熔、沸点 共价键键能越大,分子稳定性越强
易错警示 (1)存在氢键的分子间也存在范德华力,但存在范德华力的分子间不一定存在氢键。
(2)氢键与范德华力主要影响物质的物理性质,如熔点、沸点等。化学键主要影响物质的化学性质。
(3)氢键的键长一般指X—H…Y的长度,键能指X—H…Y中的氢键断裂所需要的能量。
(4)氢键的键能比范德华力大一些,比化学键的键能小得多。
【素能应用】
典例1下列说法错误的是( )
A.卤化氢中,以HF沸点最高,是由于HF分子间可以形成氢键
B.邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低
C.H2O的沸点比HF的沸点高,是由于水分子间形成的氢键键能大
D.氨气极易溶于水与氨气分子和水分子之间可以形成氢键有关
答案 C
解析 因HF分子间可以形成氢键,所以沸点:HF>HI>HBr>HCl,A正确;邻羟基苯甲醛可以形成分子内氢键,而对羟基苯甲醛的氢键只存在于分子间,所以对羟基苯甲醛的熔、沸点高,B正确;根据F原子半径小于O原子半径,可知(HF)n中氢键键长比水中氢键键长小、键能大,但由于一个HF分子只能与两个相邻的HF分子形成氢键,而一个H2O分子可与四个相邻的H2O分子形成氢键,故H2O的沸点比HF的沸点高,C错误;氨气在水中的溶解性与NH3分子和H2O分子之间形成氢键有关,D正确。
变式设问 (1)分析HF水溶液中存在哪些氢键 试表示出来。
提示 F—H…F O—H…F F—H…O O—H…O
(2)HF的沸点较高,与H—F的键能较大有关吗
提示 共价键键能决定化学性质,分子间作用力决定物理性质,HF分子间氢键使得沸点较高。
规律总结 氢键对物质性质的影响
(1)对物质熔、沸点的影响。
①某些氢化物分子间可以形成氢键,如H2O、NH3、HF等,氢键会使这些氢化物沸点较高,如沸点H2O>H2Te>H2Se>H2S。
②分子内氢键对物质性质的影响与分子间氢键对物质性质产生的影响是不同的。邻羟基苯甲醛可以形成分子内氢键,对羟基苯甲醛可以形成分子间氢键,因此对羟基苯甲醛的熔、沸点分别比邻羟基苯甲醛的熔、沸点高。
(2)对物质密度的影响:氢键的存在,会使某些物质的密度出现反常,如液态水变为冰,密度会变小。
(3)对物质溶解度的影响:若溶剂和溶质分子之间可以形成氢键,则溶解性好;若溶质分子不能与溶剂分子形成氢键,则在溶剂中的溶解度就相对较小。如NH3极易溶于水,甲醇、乙醇、乙酸等能与水以任意比混溶,就是因为它们与水形成了分子间氢键。
(4)氢键对物质结构的影响:氢键的存在使一些物质具有一些特殊结构,如冰晶体的孔穴结构使其体积膨胀。
变式训练1-1下列物质的变化中,破坏的主要是范德华力的是( )
A.碘单质的升华
B.NaCl溶于水
C.将冰加热变为液态
D.NH4Cl受热分解
答案 A
解析 碘升华只是状态发生了变化,破坏的是范德华力,没有破坏化学键;NaCl溶于水,会破坏离子键;冰由固态变为液态,破坏的主要是氢键;NH4Cl受热分解,破坏的是化学键(包括共价键和离子键)。
变式训练1-2关于氢键的下列说法正确的是( )
A.每个水分子内含有两个氢键
B.在水蒸气、水和冰中都含有氢键
C.分子间形成氢键能使物质的熔点和沸点升高
D.HF的稳定性很强,是因为其分子间能形成氢键
答案 C
解析 氢键不属于化学键,它主要影响物质的物理性质。水分子内只有共价键而无氢键,A项不正确;水蒸气分子间距离太大,不能形成氢键,B项不正确;HF稳定性很强与氢键无关,是因为H—F键能大。
探究2
手性分子与手性碳原子的判断
【问题探究】
下图是互为手性异构体的两种乳酸分子
(1)两种乳酸分子在结构上的相同点和差异点是什么
提示 两种乳酸分子的组成和原子排列完全相同。但是在空间不能“重叠”,而是互为镜像。
(2) 分子中有几个手性碳原子
提示 1个。
(3)有机化合物 具有手性,其与H2发生加
成反应后,其产物还有手性吗
提示 原有机化合物中与—OH相连的碳原子为手性碳原子;与H2加成后,与该碳原子相连的CH2=CH—变为CH3—CH2—,此时该碳原子连有两个乙基,则不再具有手性。
【深化拓展】
判断手性分子或手性异构体的关键
(1)判断手性异构体的关键是分子要有完全相同的组成和原子排列,互为镜像,在三维空间里不能重叠。注意使用左手与右手来模拟理解。
(2)判断分子是否为手性分子就要判断分子中是否含有手性碳原子。
如果1个碳原子所连接的4个原子或原子团各不相同,那么该碳原子称为手
性碳原子,用*C来表示,如 ,R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或原子团。
【素能应用】
典例2下列化合物分子中具有手性的是( )
A.CCl2F2 B.CH3CH2OH
【微点拨】判断手性分子,一般是先找到手性碳原子,故分析目标分子中是否存在手性碳原子是解这类题的关键。若是连在同一个碳原子上的4个原子或原子团是互不相同的,则该碳原子就是手性碳原子。
答案 D
解析 分子中某原子连有4个不同的原子或基团时,该化合物的分子具有手性,连有4个不同原子或基团的碳原子叫手性碳原子。
分子中②号C连有—CH3、—H、—COOH、
—OH 4种不同的原子或原子团,故D项正确。
变式训练2下列物质的分子中不具有手性碳原子的是( )
B.氨基乙酸:H2N—CH2—COOH
C.丙醛糖:CH2OH—CH(OH)—CHO
D.α-氨基丙酸:CH3—CH(NH2)—COOH
答案 B
解析 有机分子中连接4个不同原子或原子团的碳原子称为手性碳原子。A、C、D选项的分子中,处于中间位置的碳原子均连有一个氢原子和三个不同的其他原子团,该碳原子是手性碳原子,不符合题意;B项分子中间的碳原子上连有两个氢原子,不是手性碳原子。
素养脉络
随堂检测
1.物质在不同溶剂中的溶解性,一般遵循“相似相溶”规律。下列装置中,不宜用作HCl尾气吸收的是( )
答案 C
解析 A、D项装置可防止倒吸;B项因HCl不溶于CCl4,也可防止倒吸;利用C项装置吸收HCl会发生倒吸,容易引发实验事故。
2.下列关于氢键的说法正确的是( )
A.由于氢键的作用,使NH3、H2O、HF的沸点高于同主族其他元素气态氢化物的沸点
B.氢键只能存在于分子间,不能存在于分子内
C.根据氢键键能的大小可知,沸点高低顺序为HF>H2O>NH3
D.相同量的水在气态、液态和固态时均有氢键,且氢键的数目依次增多
答案 A
解析 NH3、H2O、HF分别与其同族简单氢化物比较,沸点相对较高,其原因是NH3、H2O、HF分子之间可以形成氢键,A项正确;氢键可以存在于分子间,也可以存在于分子内,B项错误;沸点高低还与分子间可以形成的氢键数目有关,根据通常情况下三种物质的存在状态,可知三种物质中水的沸点最高,C项错误;气态物质分子间距离大,分子之间不能形成氢键,D项错误。
3.下列说法中正确的是( )
A.分子间作用力越大,分子越稳定
B.分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高
C.相对分子质量越大,其分子间作用力越大
D.分子间只存在范德华力
答案 B
解析 分子间作用力主要影响物质的物理性质,化学键主要影响物质的化学性质,分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高,B正确、A不正确;分子的组成和结构相似时,相对分子质量越大,其分子间作用力越大,C不正确;分子间不只有范德华力,D不正确。
4.丙氨酸[CH3CH(NH2)COOH]分子为手性分子,它存在对映异构,如图所示。
下列关于丙氨酸[CH3CH(NH2)COOH]的两种对映异构(Ⅰ和Ⅱ)的说法正确的是( )
A.Ⅰ和Ⅱ结构和性质不完全相同
B.Ⅰ和Ⅱ呈镜面对称,分子具有不同的极性
C.Ⅰ和Ⅱ都属于非极性分子
D.Ⅰ和Ⅱ中化学键的种类与数目不完全相同
答案 A
解析 互为手性异构的两种分子的结构和性质不完全相同,但化学键及分子的极性都是相同的。
5.(1)乙醇与乙醛的相对分子质量相差不大,但乙醇的沸点(78.5 ℃)却比乙醛的沸点(20.8 ℃)高出许多,其原因是 。
答案 (1)乙醇分子间存在氢键,而乙醛分子间不存在氢键
(2)前者形成分子间氢键,而后者形成分子内氢键,分子间氢键使分子间的作用力增大,所以前者的沸点比后者高
解析 (1)氢键的作用力大于范德华力,则分子间形成氢键的沸点较高,C2H5OH分子间存在氢键,而CH3CHO分子间不能形成氢键,所以乙醇的沸点比乙醛的高;(共50张PPT)
第一课时 分子结构的测定和多样性
价层电子对互斥模型
第二章
2021
素养目标
1.认识物质的空间结构可以借助某些实验手段,通过这些手段所获得的信息为建立物质结构模型或解释相关理论提供支撑。
2.结合实例了解共价分子具有特定的空间结构,并可运用相关理论和模型进行解释和预测,培养证据推理与模型认知的核心素养。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.CO2分子中的键角为180°,是一种直线形分子;H2O是一种V形(或称角形)分子。NH3的空间结构是三角锥形,CH4分子中C—H之间的键角是109°28',分子空间结构是正四面体形。
2.与分子空间结构有关的共价键的键参数是键长、键角。
【自主梳理】
1.分子结构的测定
许多现代仪器和方法可测定分子结构,如红外光谱、晶体X射线衍射等。红外光谱可以测定分子中含有哪些化学键或官能团。
2.多样的分子空间结构
(1)三原子分子的空间结构——直线形和V形。
(2)四原子分子的空间结构——平面三角形和三角锥形。
(3)五原子分子的空间结构——正四面体形或四面体形。
3.价层电子对互斥模型
(1)理论要点
分子的空间结构是中心原子周围的“价层电子对”相互排斥的结果。分子中的价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对。
(2)中心原子价层电子对数的计算
①σ键的电子对可由化学式确定。
②a表示中心原子的价电子数。
x表示与中心原子结合的原子数。
b表示与中心原子结合的原子最多能接受的电子数,氢为 1 ,
其他原子=8-该原子的价电子数。
(3)VSEPR模型的两种类型
①中心原子上的价电子都用于形成共价键的分子。
ABn n=2 n=3 n=4
价层电子对数 2 3 4
空间结构
空间结构名称 直线形 平面三角形 正四面体形
键角 180° 120° 109°28'
实例 CO2 BF3 CH4
②中心原子上有孤电子对的分子:对于中心原子上有孤电子对(未用于形成共价键的电子对)的分子,中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间,并互相排斥使分子呈现不同的空间结构。
【微思考】根据价层电子对互斥模型得到的VSEPR模型,就是分子的实际空间结构吗
提示 不完全是。VSEPR模型是按分子中价层电子对数进行判断的,但是有些分子中的部分价层电子对未形成化学键(孤电子对),而分子的空间结构是忽略孤电子对后的形状。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)四原子分子一定都是平面三角形或三角锥形( )
(2)正四面体形的键角均为109°28'( )
(3)分子的VSEPR模型和相应分子的空间结构是相同的( )
(4)由价层电子对互斥模型可知SnBr2分子中的键角小于180°( )
(5)根据价层电子对互斥模型可以判断H3O+与NH3的分子(或离子)的空间结构一致( )
×
×
×
√
√
2.下列分子的空间结构模型正确的是( )
答案 D
解析 CO2的空间结构为直线形,A不正确;H2O的空间结构为V形,B不正确;NH3的空间结构为三角锥形,C不正确;CH4的空间结构为正四面体形,D正确。
3.下列微粒的价层电子对数正确的是(加“·”的原子为中心原子)( )
答案 A
解析
课堂篇 素养提升
探究1
分子的空间结构特点与键角之间的关系
【问题探究】
在宏观世界中,花朵、蝴蝶、冰晶等诸多物质展现出规则与和谐的美。科学巨匠爱因斯坦曾感叹:“在宇宙的秩序与和谐面前,人类不能不在内心里发出由衷的赞叹,激起无限的好奇。”实际上,宏观的秩序与和谐源于微观的规则与对称。
根据信息分析下列分子可能的空间结构。
(1)H2S中两个H—S的键角接近90°,BeCl2中两个Be—Cl的键角是180°,推测H2S和BeCl2的分子的空间结构分别是怎样的。
提示 H2S的空间结构是V形,BeCl2的空间结构是直线形。
(2)科学家研制出可望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3( ),已知该
分子中N—N—N的键角都是108.1°;P4中共有六条P—P,每两条P—P间的夹角均为60°,试推测N(NO2)3中四个氮原子及P4中的四个磷原子围成的空间结构。
提示 由于N—N—N键角都是108.1°,所以四个氮原子围成三角锥形,P4为正四面体形。
(3)根据分子组成为AB3(或A3B)、AB4,能确定它们的空间结构吗
提示 AB3(或A3B)型分子可能是平面三角形分子,也可能是三角锥形分子;AB4型分子一定是正四面体形分子。
(4)CH3Cl分子是正四面体形结构吗
提示 C—H与C—Cl的键长不一样,所以CH3Cl是四面体形,但不是正四面体形。
【深化拓展】
常见的分子空间结构
原子个数 空间结构 举例 键角
2 直线形 HCl —
3 直线形 CO2 180°
V形 H2O 105°
4 平面三角形 CH2O 约120°
三角锥形 NH3 107°
正四面体形 P4 60°
5 正四面体形 CH4 109°28'
【素能应用】
典例1下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是( )
A.键角为180°的分子,空间结构是直线形
B.键角为120°的分子,空间结构是平面三角形
C.键角为60°的分子,空间结构可能是正四面体形
D.键角为90°~109°28'之间的分子,空间结构可能是V形
答案 B
解析 键角为180°的分子,空间结构是直线形,如CO2分子是直线形分子,A正确;苯分子的键角为120°,但其空间结构是平面正六边形,B错误;白磷分子的键角为60°,空间结构为正四面体形,C正确;水分子的键角为105°,空间结构为V形,D正确。
变式设问 P4是正四面体构型,CH4也是正四面体构型,二者结构相同吗
提示 不相同,P4分子中4个原子位于正四面体的四个顶点,CH4中C原子位于正四面体的体心,H原子位于正四面体的顶点。
规律总结 分子或离子的空间结构与键角的关系
分子类型 键角 空间结构 实例
AB2 180° 直线形 CO2、BeCl2、CS2
<180° V形 H2O、H2S
AB3 120° 平面三角形 BF3、BCl3
<120° 三角锥形 NH3、H3O+、PH3
AB4 109°28' 正四面体形 CH4、 、CCl4
变式训练1下列各组分子中所有原子都可能处于同一平面的是( )
A.CH4、CS2、BF3 B.CO2、H2O、NH3
C.C2H4、C2H2、C6H6 D.CCl4、BeCl2、PH3
答案 C
解析 题中的CH4和CCl4为正四面体形分子,NH3和PH3为三角锥形分子,这几种分子的所有原子不可能都在同一平面上。CS2、CO2、C2H2和BeCl2为直线形分子,C2H4为平面形分子,C6H6为平面正六边形分子,这些分子都是平面形结构。
探究2
利用价层电子对互斥模型判断粒子空间结构的思路方法
【问题探究】
ABm型分子或离子的价层电子对数
利用上式计算A原子价层电子对数时需注意:
(1)氧族元素的原子作为中心原子A时提供6个价电子,作为与中心原子结合的原子B时不提供价电子。
(2)卤素原子作为中心原子A时提供7个价电子,作为与中心原子结合的原子B时提供1个价电子。
问题思考:
(1)根据上述信息分析BCl3的价层电子对数、价层电子对空间结构及分子空间结构。
提示 BCl3的价层电子对数= =3,价层电子对空间结构为平面三角形,分子空间结构为平面三角形。
(2)NF3的价层电子对数、价层电子对空间结构、分子空间结构分别是怎样的
提示 NF3的价层电子对数= =4,价层电子对空间结构为四面体形,分子空间结构为三角锥形。
【深化拓展】
1.价层电子对互斥模型的理论要点
(1)价层电子对在空间上彼此相距最远时,排斥力最小,体系的能量最低。
(2)孤电子对的排斥力较大,孤电子对数越多,排斥力越强,键角越小。
2.价层电子对数目和价层电子对空间结构的关系
价层电 子对数 VSEPR 模型名称 孤电子 对数 成键电 子对数 分子或离子
空间结构名称
2 直线形 0 2 直线形
3 平面三角形 0 3 平面三角形
3 平面三角形 1 2 V形
4 四面体形 0 4 正四面体形
4 四面体形 1 3 三角锥形
4 四面体形 2 2 V形
特别提醒 价层电子对互斥模型说明的是价层电子对的空间结构,而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构,不包括孤电子对。
(1)当中心原子无孤电子对时,两者一致。
(2)当中心原子有孤电子对时,两者不一致。
【素能应用】
典例2用价层电子对互斥模型(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间结构,有时也能用来推测键角大小。下列判断正确的是( )
A.H2O、CS2都是直线形的分子
B.BF3键角为120°,SnBr2键角大于120°
C.CH2O、BF3都是平面三角形的分子
D.PCl3、PCl5都是三角锥形的分子
答案 C
变式设问 (1)CH2O的空间结构是平面正三角形吗
提示 不是,应是等腰三角形。
(2)CH4、NH3、H2O的价层电子对数分别是多少 键角大小顺序如何 为什么
提示 价层电子对数都为4,但孤电子对数分别为0、1、2,孤电子对数越多,对成键电子对的排斥力越大,故键角依次减小。
规律总结 确定分子或离子空间结构的步骤
变式训练2用价层电子对互斥模型推测下列分子的空间结构:
(1)H2Se ;(2)BBr3 ;(3)CHCl3 ;(4)SiF4 。
答案 (1)V形
(2)平面三角形
(3)四面体形
(4)正四面体形
解析 根据原子的价层电子排布,可以判断出各分子中心原子含有的孤电子对数。
分子式 H2Se BBr3 CHCl3 SiF4
中心原子含有的孤电子对数 2 0 0 0
中心原子的σ键电子对数 2 3 4 4
中心原子的价层电子对数 4 3 4 4
H2Se略去2对孤电子对,分子空间结构为V形,BBr3为平面三角形,CHCl3分子中由于氢原子和氯原子不同,空间结构是一般的四面体形,SiF4为正四面体形。
素养脉络
随堂检测
1.下列能够获得有机化合物所含官能团信息的方法是( )
A.红外光谱 B.质谱法
C.色谱法 D.核磁共振氢谱
答案 A
解析 红外光谱可测定有机化合物的化学键以及官能团。
2.下列有关NH3分子空间结构的分析正确的是( )
A.中心原子孤电子对数为0,分子为平面三角形,键角为120°
B.中心原子孤电子对数为0,分子为三角锥形,键角为107°
C.中心原子孤电子对数为1,分子为三角锥形,键角为107°
D.中心原子孤电子对数为1,分子为平面三角形,键角为109°28'
答案 C
3.用VSEPR模型预测,下列分子中键角是120°的是( )
A.C2H2
B.CH4
C.BF3
D.CO2
答案 C
4.下列分子空间结构为正四面体形的是( )
①P4 ②NH3 ③CCl4 ④CH4 ⑤H2S ⑥CO2
A.①③④⑤ B.①③④⑤⑥
C.①③④ D.④⑤
答案 C
5.运用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间结构。
(1)BeCl2 ;
(2)SCl2 ;
(3) ;
(4)PF3 。
答案 (1)直线形 (2)V形 (3)三角锥形 (4)三角锥形
解析
分子或离子 价层电子对数 成键电子对数 孤电子对数 空间结构
BeCl2 2 2 0 直线形
SCl2 4 2 2 V形
4 3 1 三角锥形
PF3 4 3 1 三角锥形
6.(2021湖南卷,18节选)气态SiX4(X为卤素原子)分子的空间结构是 。
答案 正四面体(共35张PPT)
第二课时 杂化轨道理论
第二章
2021
素养目标
1.通过认识分子结构以及杂化轨道理论,分析杂化类型与分子空间结构的关系,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.结合实例了解共价分子具有特定的空间结构,并可运用杂化轨道理论进行解释,培养证据推理与模型认知的核心素养。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.共价单键都是σ键,共价双键中含有 一 个σ键、 一 个π键,共价三键中含有 一个σ键、 两 个π键。
2.填写下表:
化学式 价层电 子对数 σ键电 子对数 中心原子上的 孤电子对数 VSEPR 模型名称 分子空
间结构
CO2 2 2 0 直线形 直线形
SO2 3 2 1 平面 三角形 V形
CH4 4 4 0 四面 体形 正四面体形
NH3 3 1 三角锥形
H2O 2 2 V形
【自主梳理】
1.原子轨道杂化与杂化轨道
2.杂化轨道类型与分子的空间结构之间的关系
一定不存在sp4杂化,p能级只有3个轨道
杂化轨道类型 sp sp2 sp3
参与杂化的原 子轨道及数目 1个s轨道和1个p轨道 1个s轨道和2个p轨道 1个s轨道和3个p轨道
杂化轨道的数目 2 3 4
杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28'
空间结构名称 直线形 平面三角形 正四面体形
实例 CO2、C2H2 BF3、CH2O CH4、CCl4
【微思考】举例说明,中心原子采取sp3杂化的分子的空间结构是否都是正四面体形。
提示 不是。CH4、NH3、H2O分子中的中心原子都是sp3杂化,CH4是正四面体形,NH3是三角锥形,H2O是V形(或角形)。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)价层电子对之间的夹角越小,排斥力越小( )
(2)NH3分子的VSEPR模型与分子空间结构不一致( )
(3)五原子分子的空间结构都是正四面体形( )
(4)杂化轨道与参与杂化的原子轨道的数目相同,但能量不同( )
(5)凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子,其空间结构都是正四面体形( )
(6)凡AB3型的共价化合物,其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键( )
×
√
×
√
×
×
2.硒是一种非金属,可以用作光敏材料、电解锰行业催化剂。
(1)Se是元素周期表中第34号元素,其基态原子的核外电子排布式为 。
(2)根据价层电子对互斥模型,可以推知SeO3分子的空间结构为 ,其中Se原子采用的轨道杂化形式为 。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p4
(或[Ar]3d104s24p4)
(2)平面三角形 sp2
解析 (1)Se位于第四周期第ⅥA族,所以其基态原子价层电子排布式为4s24p4,然后再写电子排布式。
(2)SeO3分子中Se原子的价层电子对数= ×(6+0)=3,成键电子对数为3,孤电子对数为0,所以Se原子采取sp2杂化,该分子为平面三角形。
课堂篇 素养提升
探究
利用杂化轨道理论解释分子的空间结构
【问题探究】
在形成多原子分子时,中心原子价电子层上的某些能
量相近的原子轨道发生混杂,重新组合成一组新的轨道的过程,叫做轨道的杂化(双原子分子中,不存在杂化过程)。例如sp杂化、sp2杂化的过程如下:
问题思考:
(1)观察上述杂化过程,分析原子轨道杂化后,杂化轨道的数量和能量有什么变化。
提示 杂化轨道与参与杂化的原子轨道数目相同,但能量不同。s轨道与p轨道的能量不同,杂化后,形成的一组杂化轨道的能量相同。
(2)2s轨道与3p轨道能否形成sp2杂化轨道
提示 不能。只有能量相近的原子轨道才能形成杂化轨道。2s轨道与3p轨道不在同一能层,能量相差较大。
(3)用杂化轨道理论解释NH3、H2O的空间结构。
提示 N原子的价层电子排布式为2s22p3,在形成NH3分子的过程中,N原子的1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道,其中3个杂化轨道中各有1个未成对电子,分别与H原子的1s轨道形成共价键,另1个杂化轨道中是成对电子,未与H原子形成共价键,4个sp3杂化轨道在空间构成正四面体形;在NH3分子中,由于N原子上的孤电子对的排斥作用,使3个N—H的键角变小,成为三角锥形的空间结构。
O原子的价层电子排布式为2s22p4,在形成H2O分子的过程中,O原子的1个2s轨道和3个2p轨道经杂化后形成4个sp3杂化轨道,其中2个杂化轨道中各有1个未成对电子,分别与H原子的1s轨道形成共价键,另2个杂化轨道中是成对电子,未与H原子形成共价键;4个sp3杂化轨道在空间构成正四面体形,但由于2对孤电子对的排斥作用,使2个O—H的键角变得更小,使H2O分子成为V形的空间结构。
(4)CH4、NH3、H2O分子的中心原子的杂化类型都是sp3,键角为什么依次减小 从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法
提示 CH4、NH3、H2O分子的中心原子都采取sp3杂化,中心原子上的孤电子对数依次为0、1、2。由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小,孤电子对数越多排斥作用越大,键角越小。比较键角时,先看中心原子杂化类型,杂化类型不同时,键角一般按sp、sp2、sp3顺序依次减小;杂化类型相同时,中心原子孤电子对数越多,键角越小。
【深化拓展】
1.杂化轨道理论要点
中学阶段只涉及同能层的s、p能级
(1)只有能量相近的原子轨道才能杂化。
(2)杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等,杂化轨道能量相同。
(3)杂化后改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子形成的共价键更牢固。
使原子轨道重叠程度更大
(4)杂化轨道为使相互间的排斥力最小,故在空间取最大夹角分布,不同的杂化轨道伸展方向不同。
(5)杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。
(6)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
2.判断分子或离子的中心原子的杂化类型
(1)根据杂化轨道的空间分布判断
①若杂化轨道在空间的分布为正四面体形,则分子或离子的中心原子发生sp3杂化;
②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形,则分子或离子的中心原子发生sp2杂化;
③若杂化轨道在空间的分布呈直线形,则分子或离子的中心原子发生sp杂化。
(2)根据杂化轨道之间的夹角判断
①若杂化轨道之间的夹角为109°28',则分子或离子的中心原子发生sp3杂化;
②若杂化轨道之间的夹角为120°,则分子或离子的中心原子发生sp2杂化;
③若杂化轨道之间的夹角为180°,则分子或离子的中心原子发生sp杂化。
(3)根据中心原子上的价层电子对数判断
若中心原子上的价层电子对数为4,则是sp3杂化;若中心原子上的价层电子对数为3,则是sp2杂化;若中心原子上的价层电子对数为2,则是sp杂化。
【素能应用】
典例指出下列分子中中心原子的杂化轨道类型、分子的结构式及空间结构。
(1)CS2分子中的C为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 ;
(2)CH2O中的C为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 ;
(3)CCl4分子中的C为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 ;
(4)H2S分子中的S为 杂化,分子的结构式为 ,空间结构为 。
解析 根据价层电子对互斥模型与中心原子的杂化轨道类型之间的关系进行分析判断。
变式训练1根据价层电子对互斥模型及原子杂化轨道理论判断NF3分子的空间结构和中心原子的杂化方式为( )
A.直线形 sp杂化 B.平面三角形 sp2杂化
C.三角锥形 sp2杂化 D.三角锥形 sp3杂化
答案 D
解析 分子中中心原子的杂化方式要根据中心原子的孤电子对数以及与中心原子相连的原子个数判断。在NF3分子中N原子的孤电子对数为1,与其相连的原子数为3,根据原子杂化轨道理论可推知中心原子的杂化方式为sp3杂化,NF3分子的空间结构为三角锥形。
变式训练2以下说法正确的是( )
A.含有四个原子的分子的空间结构不可能为正四面体形
B.分子式为AB2的分子的空间结构一定为V形
C.在 中硫原子的杂化方式为sp2,是正四面体形结构
D. 中心碳原子的孤电子对数为0,故其结构为平面三角形
答案 D
解析 P4分子的空间结构是正四面体形,A错;BeCl2中铍原子成键电子对数是2,杂化方式是sp杂化,分子是直线形,B错;在 中硫原子的孤电子对数是0,与其相连的原子数为4,根据杂化轨道理论可推知硫原子为sp3杂化,
的空间结构是正四面体形,C错; 中碳原子的成键电子对数为3,孤电子对数为 (4+2-3×2)=0,该离子是平面三角形结构,D正确。
素养脉络
随堂检测
1.下列关于杂化轨道的说法错误的是( )
A.利用原子轨道杂化理论可以解释部分分子的空间结构
B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化
C.杂化轨道能量集中,有利于牢固成键
D.杂化轨道中一定有一个电子
答案 D
解析 利用杂化轨道理论可以解释部分分子的空间结构,参与杂化的原子轨道,其能量不能相差太大,如1s与2s、2p能量相差太大,不能形成杂化轨道,即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化,故A、B项正确;杂化轨道成键时电子云重叠程度更大,会形成牢固的化学键,故C项正确。
2.下列有关sp2杂化轨道的说法错误的是( )
A.由同一能层上的s轨道与p轨道杂化而成
B.共有3个能量相同的杂化轨道
C.每个sp2杂化轨道中s能级成分占三分之一
D.sp2杂化轨道最多可形成2个σ键
答案 D
解析 同一能层上s轨道与p轨道的能量差异不是很大,相互杂化的轨道的能量差异也不能过大,A项正确;同种类型的杂化轨道能量相同,B项正确;sp2杂化轨道是由一个s轨道与2个p轨道杂化而成的,C项正确;sp2杂化轨道最多可形成3个σ键,D项错误。
3.sp3杂化形成的AB4型分子的空间结构是( )
A.平面四方形 B.正四面体形
C.三角锥形 D.平面三角形
答案 B
4.能正确表示CH4中碳原子的成键轨道中电子的轨道表示式为( )
答案 D
解析 碳原子中的2s轨道与2p轨道杂化后形成4个等性杂化轨道,因此碳原子最外层上的4个电子分占4个sp3杂化轨道并且自旋方向相同。
5.关于乙烯分子中化学键的描述正确的是( )
A.C原子sp2杂化轨道形成σ键,未杂化的2p轨道形成π键
B.乙烯分子中有4个σ键、2个π键
C.C—H之间是两原子的sp2杂化轨道形成σ键,C—C之间是未杂化的2p轨道形成π键
D.C—C之间是sp2杂化轨道形成σ键,C—H之间是未杂化的2p轨道形成π键
答案 A
解析 在乙烯分子中,每个碳原子的2s轨道与2个2p轨道杂化形成3个sp2杂化轨道,其中2个sp2杂化轨道分别与2个氢原子的1s轨道形成C—H σ键,另外1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道形成C—C σ键;2个碳原子中未参与杂化的2p轨道形成1个π键。
6.如下图所示是甲醛分子的模型。根据该图和所学化学键知识回答下列问题:
(1)甲醛分子中碳原子的杂化方式是 ,做出该判断的主要理由是 。
(2)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断,其中正确的是 (填序号)。
①单键 ②双键 ③σ键 ④π键 ⑤σ键和π键
(3)甲醛分子中C—H与C—H间的夹角 (填“=”“>”或“<”)120°,出现该现象的主要原因是 。
答案 (1)sp2杂化 甲醛分子的空间结构为平面三角形
(2)②⑤ (3)< 碳氧双键中存在π键,它对C—H的排斥作用较强
解析 (1)由题图可知,甲醛分子为平面三角形,所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。
(2)醛类分子中都含有羧基( ),所以甲醛分子中的碳氧键是双键。一般来说,双键含有一个σ键和一个π键。
