(共25张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第1节 第2课时 共价键的键参数
素 养 目 标
通过对键能、键长、键角可以用来描述键的强弱和分子的空间结构的了解,认识微观粒子间的相互作用与物质性质的关系,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
一、三个重要的键参数
1.三个重要键参数的定义
键参数 定义
键长 两个成键原子的 间的距离
不等于成键两原子半径之和
键角 在多原子分子中, 的夹角
键能 在1×105 Pa、298 K条件下,断开1 mol AB(g)分子中的化学键,使其分别生成1 mol 和1 mol气态B原子所吸收的能量,常用EA—B表示
自主梳理
原子核
两个化学键
气态A原子
2.常见分子的键角及空间结构
分子 键角 空间结构
CO2 180° 形
H2O 104.5° 形
NH3 107.3° 形
【微思考1】有同学认为C═C键的键能等于C—C键键能的2倍,这种说法是否正确
直线
角
三角锥
提示 不正确。C═C键中含有1个π键,由于π键原子轨道重叠程度小,不如σ键稳定,所以C═C键的键能小于C—C键键能的2倍。
二、键能、键长和键角的应用
1.键能的应用
(1)表示共价键的强弱。
键能的大小可以定量地表示化学键的 。键能愈大,断开时需要的能量就 ,化学键就愈 。
(2)判断分子的稳定性。
结构相似的分子中,共价键的键能 ,分子愈稳定。
(3)判断物质在化学反应过程中的能量变化。
在化学反应中,旧化学键的断裂 能量,新化学键的形成 能量,因此反应焓变与键能的关系为ΔH= 。
强弱
愈多
牢固
愈大
吸收
放出
反应物的总键能-生成物的总键能
2.键长的应用
(1)键长与键的稳定性有关。一般来说,键长愈短,化学键 ,键
。
(2)键长的比较方法。
①根据原子半径比较:在其他条件相同时,成键原子的半径 ,键长愈短。
②根据共用电子对数比较:相同的两原子形成共价键时,单键键长 双键键长 三键键长。
3.键角的应用
键角常用于描述多原子分子的 。
愈强
愈牢固
愈小
>
>
空间结构
【微思考2】比较HF、HCl、HBr、HI分子的稳定性。
【微思考3】为什么N2通常情况下很稳定
提示 原子半径:FH—Cl键>H—Br键>H—I键。由于一般来说,键长愈短,化学键愈强,键愈牢固;键能愈大,化学键愈牢固,所以稳定性HF>HCl>HBr>HI。
提示 因为N2分子中存在N≡N键,该键键能大,破坏该共价键需要很大的能量。
自我检测
1.正误判断:
(1)双原子分子中化学键键能愈大,分子愈牢固。( )
(2)双原子分子中化学键键长愈长,分子愈牢固。( )
(3)双原子分子中化学键键角愈大,分子愈牢固。( )
√
×
×
2.下列说法正确的是( )
A.在分子中,两个原子间的距离叫键长
B.非极性键的键能大于极性键的键能
C.键能愈大,表示该分子愈容易受热分解
D.H—Cl键的键能为431 kJ·mol-1,H—I键的键能为297 kJ·mol-1,这可说明HCl分子比HI分子稳定
D
解析 形成共价键的两个原子核间的距离为键长,A项不正确;键能的大小取决于成键原子的半径和共用电子数,与键的极性无必然联系,B项不正确;键能愈大,分子愈稳定,受热时愈不易分解,C项不正确、D项正确。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 电子层、能级和原子轨道之间的关系
1.键长、键能对分子的化学性质有什么影响
2.如何判断键能大小
提示 一般地,形成的共价键的键能愈大,键长愈短,共价键愈稳定,含有该键的分子愈稳定,化学性质愈稳定。
提示 一般来说,键长愈短,键能愈大,即成键原子间的核间距愈短,成键原子的原子半径愈小,键能愈大。
3.分子的空间结构与哪些键参数有关
提示 键长和键角。
归纳拓展
1.共价键键参数与分子性质的关系
键能愈大,键长愈短,分子愈稳定。
2.共价键强弱的判断
(1)由原子半径和共用电子数判断:成键原子的原子半径愈小,共用电子数愈多,则共价键愈牢固,含有该共价键的分子愈稳定。
(2)由键能判断:共价键的键能愈大,共价键愈牢固。
(3)由键长判断:共价键的键长愈短,共价键愈牢固。
【微点拨】分子的稳定性与键能和键长有关,而由分子构成的物质的熔、沸点高低与键能和键长无关。
应用体验
视角1 键参数的理解与比较
1.下列说法不正确的是( )
A.键能愈大,表示化学键愈牢固,愈难断裂
B.一般地,成键的两原子核愈近,键长愈短,化学键愈牢固,形成的物质的性质愈稳定
C.破坏化学键时吸收能量,形成化学键时释放能量
D.碘易升华,这与分子中I—I的键能大小有关
D
解析 键能愈大,断裂该键所需的能量愈多,化学键愈牢固,愈难断裂,A项正确;一般情况下,成键的两原子核愈近,键长愈短,断开该键愈难,化学键愈牢固,形成的物质的性质愈稳定,B项正确;破坏化学键时需要吸收能量,形成化学键时释放能量,C项正确;物质的升华属于物理变化,与化学键的键能大小无关,D项错误。
2.下列说法正确的是( )
A.键角决定了分子的结构
B.共价键的键能愈大,共价键愈牢固,含有该键的分子愈稳定
C.CCl4中键长相等,键角不同
D.C═C键的键能是C—C键键能的两倍
B
解析 分子结构是由键角和键长共同决定的,A项错;CCl4分子结构与CH4相似,为正四面体形,CCl4分子中的键角相同,键长相等,C项错;C═C键中有一个σ键和一个π键,键能不等于C—C键键能的两倍,D项错。
3.用“>”或“<”填空。
(1)比较键长大小:
①C—H键 N—H键 H—O键;
②H—F键 H—Cl键。
(2)比较键能大小:
①C—H键 N—H键 H—O键;
②H—F键 H—Cl键。
(3)比较键角大小:
①CO2 NH3;②H2O NH3。
答案 (1)①> > ②< (2)①< < ②> (3)①> ②<
解析 (1)①由于C、N、O原子的半径依次减小,所以C—H键、N—H键、H—O键的键长依次减小;②F原子的半径小于Cl原子,因此H—F键的键长小于H—Cl键。
(2)由于C—H键、N—H键、H—O键的键长依次减小,因此键能依次增大;由于H—F键的键长小于H—Cl键,因此H—F键的键能大于H—Cl键。
(3)CO2为直线形分子,NH3为三角锥形分子,故键角CO2大于NH3。H2O分子中键角小于NH3分子。
视角2 键参数对物质性质的影响
4.碳和硅的有关化学键的键能如下表所示,简要分析和解释下列有关事实:
(1)通常条件下,比较CH4和SiH4的稳定性强弱: 。
(2)硅与碳同族,硅也有一系列氢化物,但硅的氢化物在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是 。
(3)Si更易生成氧化物,原因是 。
答案 (1)CH4比SiH4稳定
(2)C—C键和C—H键较强,所形成的烷烃稳定,而硅烷中Si—Si键和Si—H键较弱,易断裂,导致长链硅烷难以生成
(3)C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定,而Si—H键的键能却小于Si—O键,所以Si倾向于形成稳定性更强的Si—O键
解析 (1)因为C—H键的键能大于Si—H键的键能,所以CH4比SiH4稳定。
(2)C—C键和C—H键的键能比Si—Si键和Si—H键的键能都大,因此烷烃比较稳定,而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较小,易断裂,导致长链硅烷难以生成。
规律技巧 许多物质的化学性质不活泼,都与键能有关,如N2和SiO2。
5.下列分子最难断裂为原子的是( )
A.HCl B.HI
C.H2S D.PH3
A
解析 元素的简单气态氢化物中,元素的电负性愈大,元素原子吸引共用电子对的能力愈强,键能愈大,分子愈稳定,分子愈难分解。Cl元素的电负性最大,所以HCl最难断裂为原子。
6.下列事实不能用键能的大小来解释的是( )
A.N元素的电负性较大,但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
B
解析 由于N2分子中存在N≡N键,键能很大,破坏该共价键需要很多的能量,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,其对应氢化物化学键的键长逐渐变长,键能逐渐变小,所以稳定性逐渐减弱;由于H—F键的键能大于H—O键,所以更容易生成HF。(共35张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第1节 第1课时 共价键的形成、特征及类型
素 养 目 标
1.通过氢分子的形成、氮分子中共价键的特征,了解共价键的形成和特征,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过氮分子中共价键的形成过程,了解共价键的主要类型σ键和π键,会判断共价键的极性。能从内因和外因、量变与质变等方面较全面地分析物质的化学变化,形成变化观念与平衡思想的化学核心素养。
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目 录 索 引
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自主梳理
一、共价键的形成与特征
1.共价键的形成
(1)共价键的形成过程。
两个原子在逐渐接近时,它们的原子轨道会相互重叠,使电子在两个原子核之间出现的概率 ,它们同时受到两个原子核的吸引,从而导致体系能量 ,形成共价键。
增大
降低
(2)共价键的定义、形成原子及表示方法。
定义 原子间通过 形成的化学键
形成 原子 通常,电负性相同或差值小的 之间形成的化学键为共价键
表示 方法 用一条短线表示 所形成的共价键,如H—H键;
用“═”表示原子间共用 所形成的共价键,如C═C键;
用“≡”表示原子间共用 所形成的共价键,如C≡C键
共用电子
非金属元素原子
由一对共用电子
两对电子
三对电子
【微思考1】非金属元素原子之间只能形成共价键吗 只有非金属元素原子之间才能形成共价键吗
提示 不是。有些含离子键的化合物是由非金属元素形成的,如铵盐;少数金属与非金属原子间形成的化学键也可能是共价键,如AlCl3中的化学键是共价键。
2.共价键的特征
(1)饱和性。
每个原子所能形成共价键的总数或以共价键连接的原子数目是一定的,这称为共价键的饱和性。共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的 关系。
(2)方向性。 氢气中s-s σ键不具有方向性
在形成共价键时,原子轨道重叠得越多,电子在核间出现的概率越大,所形成的共价键就越 。因此,共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成,这就是共价键的方向性。分子的 与共价键的方向性密切相关。
数量
牢固
空间结构
二、共价键的类型
1.σ键与π键(按原子轨道重叠方式分类)
σ键 轴对称 原子轨道以“ ”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率 而形成的共价键
π键 镜面对称 原子轨道以“ ”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率 而形成的共价键
头碰头
增大
肩并肩
增大
2.极性键和非极性键(在双原子分子中)
类型 形成元素 共用电子偏移 原子电性
非极 性键 元素 两原子电负性相同,共用电子 两原子都不显电性
极性键 元素 共用电子偏向电负性 的原子 电负性较大的原子显 电性,电负性较小的原子显 电性
同种
不偏移
不同种
较大
负
正
【微思考2】C2H4比C2H6的化学性质活泼的原因是什么
【微思考3】请比较H—F键、H—Cl键、H—Br键、H—I键的极性强弱。
提示 乙烯分子中含有π键,原子轨道重叠程度小,共价键不稳定,容易断裂,而乙烷分子中都是σ键,原子轨道重叠程度大,共价键稳定,不容易断裂。
提示 因为电负性F>Cl>Br>I,故键的极性按H—F键、H—Cl键、H—Br键、H—I键的顺序减弱。
自我检测
1.正误判断:
(1)HF和HCl分子中共价键都是σ键。( )
(2)所有的共价键都有方向性。( )
(3)氢原子和氟原子、氯原子均以σ键相结合时,其成键轨道完全相同。
( )
(4)1 mol丙酮分子中含有σ键的数目约为9×6.02×1023。( )
(5)60 g丙醇中存在的共价键总数为10NA。( )
√
×
×
√
×
2.设NA为阿伏加德罗常数的值。下列有关叙述正确的是( )
A.14 g乙烯和丙烯混合气体中的氢原子数为2NA
B.0.1 mol CH4与0.1 mol Cl2混合充分光照,生成CH3Cl分子数为0.1NA
C.1 mol Fe溶于过量硝酸,电子转移数为2NA
D.标准状况下,22.4 L苯中含有σ键的数目为3NA
A
解析 因乙烯和丙烯最简式相同,均为CH2,14 g乙烯和丙烯混合气体中最简式CH2的物质的量为 =1 mol,氢原子物质的量为1 mol×2=2 mol,所以14 g乙烯和丙烯混合气体中的氢原子数为2NA,故A正确;0.1 mol CH4与0.1 mol Cl2混合充分光照,生成氯代甲烷的混合物,生成CH3Cl分子数小于0.1NA,故B错误;1 mol Fe溶于过量硝酸,铁被氧化为Fe3+,电子转移数为3NA,故C错误;标准状况下,因苯不是气体,22.4 L苯的物质的量无法计算,含有的σ键的数目无法计算,故D错误。
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问题探究
探究 共价键的形成及类型
1.氢分子中的共价键是如何形成的 如何用电子云和原子轨道的概念进一步理解共价键的形成过程
提示 从图中可以看出,当两个氢原子的核间距为0.074 nm时体系能量最低,此时两个H原子之间形成了化学键。H2中的化学键,可以认为是两个H原子各提供一个电子以自旋状态不同的方式相互配对形成氢分子,从而使体系的能量降低。
以H原子形成H2为例,通过电子云和原子轨道理解共价键的形成过程。从电子云的观点考虑,可认为两个H原子的1s轨道在两个原子核之间的重叠,使得电子更多地出现在两个原子核之间,即电子在两核间出现的概率增加,两个H原子结合在一起形成H2分子,导致体系的能量降低。
2.H原子与H原子、H原子与Cl原子、Cl原子与Cl原子分别以σ键结合成H2、HCl、Cl2分子,其成键轨道完全相同吗
提示 不相同。H原子的未成对电子位于1s轨道,Cl原子的未成对电子位于3p轨道,即H原子与H原子成键是1s与1s轨道“头碰头”重叠,H原子与Cl原子成键是H原子的1s与Cl原子的3p轨道“头碰头”重叠,Cl原子与Cl原子成键是以各自的3p轨道“头碰头”重叠。
3.氮气的化学性质很不活泼,通常很难与其他物质发生化学反应。试观察N2分子的形成过程填写下表:
键的类型 σ键 π键
原子轨道重叠方式
原子轨道重叠部位
原子轨道重叠程度
键的强度
化学活泼性
沿键轴方向“头碰头”重叠
沿键轴方向“肩并肩”重叠
在原子核之间,在键轴处
键轴上方和下方
大
小
较大
较小
不活泼
活泼
归纳拓展
1.共价键的分类
分类标准 类型
共用电子对数目 单键、双键、三键
共用电子对的偏移程度 极性键、非极性键
原子轨道重叠方式 σ键、π键
【微点拨】(1)并不是所有单质中都存在共价键,稀有气体分子和金属单质中不存在共价键。
(2)少部分金属元素与非金属元素原子间形成共价键,例如BeCl2、AlCl3等化合物中原子间均以共价键结合。
(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轨道重叠形成的s-s σ键没有方向性。
2.σ键的类型
根据成键电子原子轨道的不同,σ键可分为s-s σ键、s-p σ键和p-p σ键。
(1)s-s σ键:两个成键原子均提供s轨道形成的共价键。如H2分子中σ键的形成过程:
(2)s-p σ键:两个成键原子分别提供s轨道和p轨道形成的共价键。
(3)p-p σ键:两个成键原子均提供p轨道形成的共价键。
3.σ键的特征
(1)以形成化学键的两原子核的连线为轴进行旋转,共价键电子云图形不变,这种特征称为轴对称。
(2)形成σ键的原子轨道重叠程度较大,故σ键有较强的稳定性。
4.π键的形成与特征
(1)p-p π键的形成:
(2)π键的特征:
①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,这种特征称为镜面对称。
②形成π键时原子轨道重叠程度比形成σ键时小,π键没有σ键牢固。
【微点拨】(1)单键全是σ键,双键含1个σ键、1个π键,三键含1个σ键、2个π键。
(2)s轨道与s轨道(或p轨道)只能形成σ键,不能形成π键;两个p轨道既可形成σ键,又可形成π键,但首先形成σ键。
(3)两个原子间可以只形成σ键,但不可以只形成π键。
(4)在同一个分子中,σ键一般比π键强度大。
应用体验
视角1 共价键的形成和特征
1.下列说法正确的是( )
A.若把H2S分子写成H3S分子,违背了共价键的饱和性
B.H3O+的存在说明共价键不具有饱和性
C.所有共价键都有方向性
D.两个原子轨道发生重叠后,电子仅存在于两核之间
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能结合1个H+形成H3O+,不能说明共价键不具有饱和性,B项错误;H2分子中,H原子通过1s轨道成键,因为s轨道为球形,所以H2分子中的H—H键没有方向性,C项错误;两个原子轨道发生重叠后,电子只是在两原子核之间出现的概率大,D项错误。
2.下列关于共价键的饱和性和方向性的叙述,不正确的是( )
A.共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的
B.共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的
C.共价键的方向性与分子的空间结构密切相关
D.共价键的饱和性与原子轨道的重叠程度有关
D
解析 原子的未成对电子一旦配对成键,就不再与其他原子的未成对电子配对成键,故原子的未成对电子数目决定了该原子形成的共价键具有饱和性,这一饱和性也就决定了该原子成键时最多连接的原子数,A项正确;形成共价键时,为了达到原子轨道的最大重叠程度,成键的方向与原子轨道的伸展方向就存在着必然的联系,这种成键的方向性也就决定了所形成分子的空间结构,故B、C项正确,D项不正确。
3.下列关于共价键的叙述中,不正确的是( )
A.由不同元素原子形成的共价键一定是极性键
B.由同种元素的两个原子形成的双原子分子中的共价键一定是非极性键
C.化合物中不可能含有非极性键
D.当O原子与F原子形成共价键时,共用电子对偏向F原子一方
C
解析 不同元素的原子吸引电子的能力不同,形成极性键,同种元素的原子吸引电子的能力相同,形成非极性共价键,A、B项正确;某些化合物如Na2O2、H2O2中均含有非极性键,C项错误;F原子吸引电子的能力强于O原子,二者成键时共用电子对偏向F原子,D项正确。
视角2 σ键与π键的形成及特征
4.有下列十种物质:
①CH4 ②C2H5OH ③N2 ④HCl ⑤CO2
⑥CH3CH3 ⑦C2H4 ⑧C2H2 ⑨H2O2 ⑩HCHO
请按要求回答下列问题(填编号):
(1)只有σ键的是 ,既有σ键又有π键的是 。
(2)只含有极性键的化合物是 ,既含有极性键,又含有非极性键的化合物是 。
(3)含有双键的是 ,含有三键的是 。
①②④⑥⑨
③⑤⑦⑧⑩
①④⑤⑩
②⑥⑦⑧⑨
⑤⑦⑩
③⑧
根据以下两点判断化学键类型:①单键只能是σ键,双键中有1个σ键和1个π键,三键中有1个σ键和2个π键;②一般而言,同种元素原子之间形成的共价键是非极性键,不同种元素原子之间形成的共价键是极性键。
5.σ键可由两个原子的s轨道、一个原子的s轨道和另一个原子的p轨道以及两个原子的p轨道以“头碰头”方式重叠而成。则下列分子中的σ键是由一个原子的s轨道和另一个原子的p轨道以“头碰头”方式重叠构建而成的是
( )
A.H2 B.HCl C.Cl2 D.F2
B
6.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.H原子只能形成σ键,O原子可以形成σ键和π键
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。
视角3 σ键和π键数目的判断
7.下列说法不正确的是( )
A.σ键比π键重叠程度大,形成的共价键强
B.两个原子之间形成共价键时,最多有一个σ键
C.气体单质中,一定有σ键,可能有π键
D.N2分子中有一个σ键,两个π键
C
解析 从原子轨道重叠程度看,π键轨道重叠程度比σ键重叠程度小,故π键稳定性低于σ键,在某些气体单质分子中只存在σ键(如Cl2、H2),有的存在π键(如N2中存在σ键和π键),稀有气体分子为单原子分子,不存在化学键。
8.下列有关化学键类型的说法错误的是( )
A.丙炔的结构简式为CH3C≡CH,则丙炔分子中含有5个σ键和3个π键
B.乙烯与乙烷的化学性质不同,主要是因为乙烯中的π键不如σ键牢固
C.s轨道与s轨道不能形成π键,p轨道与p轨道能形成π键
D.(CN)2为直线形分子,含有3个σ键和4个π键
A
解析
A σ键 C—H键:4个, C—C键:1个,C≡C键:1个 共6个 错误
π键 C≡C键:2个 共2个 B 乙烷 C—C键:1个σ键 C═C键中π键的强度小于σ键,乙烯更活泼 正确
乙烯 C═C键:1个σ键、1个π键 C s-s 轨道 仅形成σ键 正确
p-p 轨道 既可形成σ键,也可形成π键 D (CN)2 结构式为N≡C—C≡N,分子中含有3个σ键、4个π键 正确(共28张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第2节 第1课时 杂化轨道理论
素 养 目 标
1.通过理解杂化轨道理论的主要内容,掌握三种主要的杂化类型,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过用杂化轨道理论解释或预测某些分子或离子的空间结构,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
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重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
1.杂化轨道 只在形成分子的过程中发生,孤立的原子不可能发生杂化
在外界条件影响下,原子内部能量 的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫作原子轨道的杂化,组合后形成的一组新的原子轨道叫作 ,简称杂化轨道。s轨道和p轨道杂化后,杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的空间取向,而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大,形成的共价键更 。通常,有多少个原子轨道参加杂化,就形成 个杂化轨道。
相近
杂化原子轨道
牢固
多少
2.甲烷分子中碳原子的杂化类型
3.杂化轨道的类型
一定不存在sp4杂化,p能级只有3个轨道
杂化类型 sp sp2 sp3
参与杂化的原子轨道及数目 s
p
2s
2p
相同
sp3
1
1
1
1
2
3
【微思考】1个s轨道和2个p轨道参与杂化,能否形成sp杂化轨道
提示 不能。1个s轨道和2个p轨道参与杂化,形成sp2杂化轨道。
4.苯分子的空间结构
根据杂化轨道理论,形成苯分子时每个碳原子的价电子原子轨道发生
杂化(如s、px、py),由此形成的三个sp2杂化轨道在 。这样,每个碳原子的两个sp2杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成σ键,于是六个碳原子组成一个 的碳环;每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成σ键。与此同时,每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的 ,这六个轨道相互平行且各有 个未成对电子,它们以 的方式相互重叠,从而形成属于六个碳原子的π键。人们把这种在多原子间形成的 的π键称为大π键。所以,在苯分子中,整个分子呈平面正六边形,六个碳碳键完全相同,键角皆为 。
sp2
同一平面内
正六边形
2p轨道(如2pz)
一
“肩并肩”
多电子
120°
自我检测
正误判断:
(1)任意能级的s轨道和p轨道都可以形成杂化轨道。( )
(2)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。( )
(3)杂化轨道用于形成π键。( )
(4)同一类型的杂化轨道能量相同。( )
(5)苯分子中C原子发生sp2杂化。( )
×
√
×
√
√
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究 杂化轨道类型和空间结构
1.碳原子与氢原子结合形成的分子为什么是CH4,而不是CH2或CH3 CH4为什么具有正四面体形的空间结构
提示 在形成CH4分子时,碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生杂化,形成四个能量相等的sp3杂化轨道。四个sp3杂化轨道分别与四个氢原子的1s轨道重叠成键形成CH4分子,所以四个C—H键是等同的。杂化过程可表示如下:
2.NH3、CH4两分子中,N、C两原子都采用sp3杂化,为什么NH3分子空间结构是三角锥形,CH4分子的空间结构是正四面体形
提示 形成的4个sp3杂化轨道中,NH3分子中只有三个轨道中的未成对电子与氢原子的1s电子成键。另1个轨道中有一对未成键的孤电子对,未成键的孤电子对对成键电子对有较强的排斥作用,使三个N—H键之间的键角变小,成为三角锥形。而CH4分子中4个杂化轨道分别与氢原子形成共价键,这些共价键之间的键角都为109°28',因此形成正四面体形分子。
归纳拓展
1.杂化轨道类型
(1)sp杂化——BeCl2分子的形成。
①BeCl2分子的形成。
铍原子杂化后形成的2个sp杂化
轨道分别与氯原子的3p轨道发生
重叠,形成2个σ键,构成直线形的BeCl2分子。
②sp杂化:sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而得,sp杂化轨道间的夹角为180°,呈直线形。
③sp杂化后,未参与杂化的2个np轨道可以用于形成π键,如乙炔分子中的C≡C键的形成。
(2)sp2杂化——BF3分子的形成。
①BF3分子的形成:
②sp2杂化:sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而得,sp2杂化轨道间的夹角为120°,呈平面三角形。
③sp2杂化后,未参与杂化的1个np轨道可以用于形成π键,如乙烯分子中的C═C键的形成。
(3)sp3杂化——CH4分子的形成。
①CH4分子的形成。
②sp3杂化:sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而得,sp3杂化轨道的夹角为109°28',呈正四面体形结构。
【微点拨】(1)形成分子时,通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。
(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生,单个的原子是不可能发生杂化的。
(3)杂化前后原子轨道数目不变。
(4)杂化后轨道伸展方向、形状发生改变。
(5)只有能量相近的轨道才能进行杂化(如ns、np)。
(6)杂化轨道只能形成σ键,不能形成π键。
2.杂化轨道类型与分子空间结构的关系
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时。
杂化类型 sp sp2 sp3
杂化轨道数目 2 3 4
杂化轨道间的夹角 180° 120° 109°28'
空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形
实例 BeCl2、CO2、CS2 BCl3、BF3、BBr3 CF4、SiCl4、SiH4
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时,由于孤电子对的排斥作用,会使分子的空间结构与杂化轨道的空间结构不同,如H2O和NH3,其中O与N的杂化类型都为sp3杂化,孤电子对数分别为2、1,分子空间结构分别为角形、三角锥形。
应用体验
视角1 杂化轨道理论的理解
1.能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为( )
D
解析 碳原子中的2s轨道与2p轨道进行杂化形成4个能量相等的杂化轨道,因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋状态相同。
2.下列说法正确的是( )
A.甲醛分子的结构式为 ,其中碳原子为sp2杂化
B.sp3杂化轨道是由能量相近的1个s轨道和3个p轨道重新组合形成的4个能量不同的sp3杂化轨道
C.凡中心原子采取sp2杂化的分子,其分子空间结构都是平面三角形
D.氨分子中有1对电子未参与杂化
A
解析 由甲醛分子的结构式可知,其中碳原子为sp2杂化,A项正确;sp3杂化轨道是原子内能量相近的1个s轨道和3个p轨道进行重新组合,形成能量相同的4个sp3杂化轨道,B项错误;中心原子采取sp2杂化的分子,如果其中一个杂化轨道已有一对电子,只有另外两个sp2杂化轨道成键,则其分子空间结构不是平面三角形,C项错误;氨分子中,氮原子为sp3杂化,形成4个sp3杂化轨道,其中1个sp3杂化轨道已有2个电子,D项错误。
视角2 杂化轨道类型的判断
3.下列各物质中的中心原子不是采用sp3杂化的是( )
A.NH3 B.H2O
C.CO2 D.CCl4
C
解析 NH3为三角锥形,但中心原子氮原子采用sp3杂化,形成4个等同的杂化轨道,其中一个杂化轨道由孤电子对占据,余下的3个未成对电子各占一个杂化轨道。H2O为角形,但其中的氧原子也是采用sp3杂化形成4个等同的杂化轨道,其中两对孤电子对分别占据两个杂化轨道,剩余的2个未成对电子各占一个杂化轨道。CCl4分子中碳原子也采用sp3杂化,但CO2分子中碳原子为sp杂化,CO2为直线形分子。
【变式设问】
形成下列分子时,一个原子用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是
( )
①PF3 ②CCl4 ③NH3 ④H2O
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
A
解析 PF3分子中,磷原子的最外层电子排布为3s23p3,中心磷原子采用sp3杂化,形成4个杂化轨道,一个杂化轨道被一对孤电子对占据,另外3个杂化轨道分别与氟原子的2p轨道形成3个σ键;CCl4为正四面体形结构,碳原子采用sp3杂化,4个杂化轨道分别与4个氯原子的3p轨道形成4个σ键;由于氢原子核外p轨道没有电子,因此NH3和H2O不符合题意。
规律方法 杂化类型的判断方法
(1)由分子结构判断杂化类型。
①直线形——sp杂化;
②平面形——sp2杂化;
③四面体形——sp3杂化。
(2)由电子对数判断杂化类型(包括孤电子对和成键电子对)
①2对——sp杂化;
②3对——sp2杂化;
③4对——sp3杂化。
(3)由碳原子的饱和程度判断。
①饱和碳原子——sp3杂化;
②双键上的碳原子——sp2杂化;
③三键上的碳原子——sp杂化。
视角3 杂化轨道类型与空间结构的关系
4.PCl3分子的空间结构是( )
A.平面三角形,键角小于120°
B.平面三角形,键角为120°
C.三角锥形,键角小于109°28'
D.三角锥形,键角为109°28'
C
解析 PCl3分子中磷原子采取sp3杂化,磷原子含有1对孤电子对,PCl3的空间结构为三角锥形,键角小于109°28'。
5.指出下列分子中中心原子可能采用的杂化轨道类型,并预测分子的空间结构。
(1)BCl3 (2)CS2 (3)CF4 (4)CH3Cl (5)BeCl2 (6)NH3
答案 (1)中心原子B采用sp2杂化,分子是平面三角形
(2)中心原子C采用sp杂化,分子是直线形
(3)中心原子C采用sp3杂化,分子是正四面体形
(4)中心原子C采用sp3杂化,分子是四面体形
(5)中心原子Be采用sp杂化,分子是直线形
(6)中心原子N采用sp3杂化,分子是三角锥形
6.(1)BF3分子的空间结构为 ,NF3分子的空间结构为 。
(2)碳原子有4个价电子,在形成化合物时价电子均参与成键,但杂化方式不一定相同。在乙烷、乙烯、乙炔和苯四种分子中,碳原子采取sp杂化的分子是 (写结构简式,下同),采取sp2杂化的分子是
,采取sp3杂化的分子是 。试写出一种有机化合物分子的结构简式,要求同时含有三种不同杂化方式的碳原子:
。
平面三角形
三角锥形
CH≡CH
CH2═CH2
CH3CH3
HC≡C—CH═CH—CH3(共34张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第3节 第1课时 离子键
素 养 目 标
1.通过掌握离子键的形成条件,并理解离子键的实质和特征,形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过掌握离子键的表示方法,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
1.离子键的形成
(1)定义。
阴、阳离子之间通过 形成的化学键。
(2)形成过程。
静电作用
(3)离子化合物的形成。
阴、阳离子之间除了 力外,还存在电子与电子、原子核与原子核之间同性电荷所产生的 力。因此,在形成离子键时,阴、阳离子依靠异性电荷之间的 相互接近到一定程度时,电子与电子之间、原子核与原子核之间产生的 将阻碍阴、阳离子进一步靠近;当静电作用中同时存在的 达到平衡时,体系的能量最低,形成稳定的离子化合物。
成键原子所属元素的电负性差值 ,原子之间越容易得失电子而形成离子键。
吸引
排斥
静电引力
斥力
引力和斥力
越大
2.离子键的特征
(1)离子键没有方向性。
由于离子键的实质是 ,而且离子的电荷分布通常被看成是球形对称的,因此一种离子可以对不同 的带异性电荷的离子产生吸引作用。所以,相对于共价键而言,离子键没有方向性。
静电作用
方向
(2)离子键没有饱和性
在离子化合物中,每个离子周围最邻近的带异性电荷的离子数目的多少,取决于阴、阳离子的 。只要空间条件允许,阳离子将吸引尽可能多的阴离子排列在其周围,阴离子也将吸引尽可能多的阳离子排列在其周围。从这个意义上说,离子键是没有饱和性的。
由于离子键没有 和 ,因此以离子键相结合的化合物倾向于形成晶体,使每个离子周围排列尽可能多的带异性电荷的离子,这种情况下体系 。
相对大小
方向性
饱和性
能量更低
【微思考】离子键是通过阴、阳离子间的静电吸引形成的吗
提示 不是。离子键是阴、阳离子之间通过静电作用形成的,这种静电作用是指阴、阳离子之间的静电吸引力和电子与电子之间、原子核与原子核之间同性电荷所产生的排斥力处于平衡时的总效应。
自我检测
1.正误判断:
(1)离子化合物中的阳离子一定是金属离子。( )
(2)阴、阳离子通过静电引力而形成的化学键叫作离子键。( )
(3)离子化合物如能溶于水,其水溶液一定可以导电。( )
(4)大多数的盐、碱和低价金属氧化物中含有离子键。( )
×
×
√
√
2.下列物质中,既含有共价键,又含有离子键的是( )
A.KClO3 B.SiO2
C.MgO D.H2SO4
A
解析 KClO3中钾离子和氯酸根离子之间存在离子键,氯原子和氧原子之间存在共价键,选项A正确;SiO2分子中硅原子和氧原子之间存在共价键,选项B错误;氧化镁中镁离子和氧离子之间存在离子键,选项C错误;硫酸分子中氢原子、氧原子和硫原子之间存在共价键,选项D错误。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 离子键的实质
金属元素与非金属元素化合时一定形成离子键吗
提示 不一定。金属元素与非金属元素也有可能形成共价键,如Al、Cl两种元素以共价键形成AlCl3。
归纳拓展
离子键
(1)定义:阴、阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键。
(2)成键的粒子:阴、阳离子。
(3)成键的性质:静电作用。
①这种静电作用不是静电引力,而是阴、阳离子之间的吸引力和存在于电子与电子、原子核与原子核之间同性电荷所产生的排斥力处于平衡时的总效应。
②阴、阳离子所带电荷越多,静电作用越强;阴、阳离子核间距越大,静电作用越弱。
(4)成键条件:
(5)离子键的本质(成键原因):
①原子相互得、失电子形成稳定的阴、阳离子。
②离子间吸引和电子与电子之间、原子核与原子核之间的排斥作用处于平衡状态。
③形成离子键后体系的总能量降低。
(6)离子键的存在:离子化合物中一定存在离子键。常见的离子化合物有:强碱,如NaOH、KOH、Ba(OH)2等;绝大多数盐;活泼金属氧化物,如Na2O、MgO、CaO等。
(7)用电子式表示离子化合物的形成过程。如:
用电子式表示离子化合物的形成过程,易出现下列错误:①离子漏标电荷数;②离子所带的电荷数与元素的化合价表示法分辨不清;③阴离子漏加中括
应用体验
视角 离子键的理解
1.下列叙述不正确的是( )
A.元素周期表第1周期的元素之间不可能形成离子键
B.元素周期表中ⅠA族内的元素之间不可能形成离子键
C.离子化合物中一定含有阴离子和阳离子
D.离子化合物中不一定含有金属元素
B
解析 元素周期表第1周期的元素是氢(非金属)和氦(稀有气体元素,化学性质稳定),它们之间不可能形成离子键。元素周期表中ⅠA族内有非金属元素氢和活泼的碱金属元素,氢元素和活泼的碱金属元素之间可以形成离子键,如离子化合物NaH。离子化合物中一定含有阴离子和阳离子,不一定含有金属元素。
【变式设问】
某元素基态原子的最外层电子排布式为ns1,当它跟卤素结合时形成的化学键( )
A.一定是共价键
B.一定是离子键
C.可能是共价键,也可能是离子键
D.一定是极性共价键
C
解析 基态原子的最外层电子排布式为ns1的元素有H、Li、Na、K、Rb、Cs等,卤素有F、Cl、Br、I等,故两种元素结合时形成的化学键可能是共价键(如HF),也可能是离子键(如NaF)。
2.在以离子键为主的化学键中常含有共价键的成分。下列各对原子形成化学键时共价键成分最少的是( )
A.Li、F B.Na、F
C.Na、Cl D.Mg、O
B
解析 离子键可看成是一种强极性的共价键。而对共价键的极性比较,主要是看成键的两个原子吸引电子能力的差别,差别越大,则成键电子的偏移程度越大,键的极性越强,其实质是比较两元素电负性的差值大小。题给四个选项中,Na与F的电负性差值最大,所以其共价键成分最少。
3.下列物质中,含有离子键和极性共价键的是( )
A.Na2O B.CaCl2
C.NaOH D.Na2O2
C
解析 Na2O、CaCl2中只含离子键;NaOH中含离子键和O—H极性共价键;Na2O2中含离子键和O—O非极性共价键。
问题探究
探究2 离子键的特征与物质的类别
1.含有离子键的化合物一定属于离子化合物吗 离子化合物中还含有其他化学键吗
提示 含有离子键的化合物一定属于离子化合物,离子化合物中可能含有共价键等其他化学键。
2.图1是氯化钠的晶体结构模型,图2是氯化铯的晶体结构模型。
与共价键相比,离子键为什么没有方向性和饱和性
提示 (1)离子键没有方向性的原因:离子键的实质是静电作用,离子的电荷分布通常被看成是球形对称的,因此一种离子对带异性电荷离子的吸引作用与其所处的方向无关,即相对于共价键而言,离子键是没有方向性的。
(2)离子键没有饱和性的原因:在离子化合物中,每个离子周围最邻近的带异性电荷离子数目的多少,取决于阴、阳离子的相对大小。只要空间条件允许,阳离子将吸引尽可能多的阴离子排列在其周围,阴离子也将吸引尽可能多的阳离子排列在其周围,以达到降低体系能量的目的,所以离子键是没有饱和性的。
归纳拓展
1.常见物质中化学键的判断
(1)离子化合物中一定有离子键,可能还有共价键。简单离子组成的离子化合物中只有离子键;复杂离子(原子团)组成的离子化合物中既有离子键又有共价键,既可能是极性共价键,又可能是非极性共价键。例如:
①只含有离子键:MgO、NaCl、MgCl2等;
②含有极性共价键和离子键:NaOH、NH4Cl、Na2SO4等;
③含有非极性共价键和离子键:Na2O2、CaC2等。
(2)共价化合物中只有共价键,一定没有离子键。这是因为共价化合物在分子状态时没有带电荷的阴、阳离子,如HCl、CO2、CH4等。
(3)在非金属单质中只有共价键,但稀有气体分子中不存在共价键。
(4)非金属元素之间也可以形成离子键,如NH4Cl;共价化合物不一定都由非金属元素组成,如AlCl3属于共价化合物。
2.离子化合物和共价化合物的判断
(1)根据形成化合物的元素来判断。一般来说,活泼的金属元素和活泼的非金属元素间形成的是离子化合物,不同种非金属元素间形成的是共价化合物。
(2)根据化合物的类型来判断。大多数碱性氧化物、强碱和绝大多数盐都属于离子化合物;非金属氢化物、非金属氧化物、含氧酸都属于共价化合物。
(3)根据化合物的性质来判断。熔、沸点较低的化合物一般是共价化合物;溶于水后不能发生电离的化合物是共价化合物;熔融状态下能导电的化合物是离子化合物。
【微点拨】(1)离子半径越小,离子所带电荷越多,离子键越强。
(2)离子键越强,相应离子化合物的熔、沸点越高。
(3)离子化合物在熔融状态和溶于水时所含离子键均能断裂。
应用体验
视角 离子键的性质
1.下列关于离子键的说法错误的是( )
A.离子键没有方向性和饱和性
B.非金属元素组成的物质也可以含离子键
C.形成离子键时离子间的静电作用包括静电引力和静电斥力
D.因为离子键无饱和性,故一种离子周围可以吸引任意多个带异性电荷的离子
D
解析 活泼金属和活泼非金属元素原子间易形成离子键,但由非金属元素组成的物质也可能含离子键,如铵盐,B项正确;离子键无饱和性,体现在一种离子周围可以尽可能多地吸引带异性电荷的离子,但也不是任意的,因为这个数目还要受两种离子的半径比(即空间条件是否允许)的影响,D项错误。
2.下列说法不正确的是( )
A.含有离子的物质中都含有离子键
B.离子键是阴、阳离子之间的静电作用
C.离子键只存在于化合物中
D.离子化合物中一定含有离子键
A
解析 电解质溶液(如NaCl溶液)中含有离子,但不含离子键,选项A错误;离子键的本质是阴、阳离子之间的静电作用,包括静电吸引和静电排斥,选项B正确;离子键的形成至少需要两种粒子,单质中不可能有离子键,选项C正确;含有离子键的化合物叫离子化合物,选项D正确。
3.氮化钠(Na3N)是科学家制备的一种重要的化合物,它与水作用可产生NH3。请回答下列问题:
(1)Na3N的电子式为 ,该化合物由 键形成。
(2)Na3N与盐酸反应生成两种盐,这两种盐的化学式及其中所含化学键类型(填“离子键”或“共价键”)分别为:
①化学式 ,化学键类型 ;
②化学式 ,化学键类型 。
(3)Na3N与水的反应属于 (填基本反应类型)。
(4)比较Na3N中两种粒子的半径:r(Na+) (填“>”“=”或“<”)r(N3-)。
答案 (1)离子
(2)①NaCl 离子键 ②NH4Cl 离子键、共价键
(3)复分解反应 (4)<
解析 (1)根据Na3N的电子式可知,Na3N是由Na+和N3-以离子键结合而成的。
(2)Na3N与盐酸反应生成NaCl和NH4Cl。其中,NaCl中含离子键;NH4Cl中含离子键、共价键。
(3)Na3N与水反应生成NaOH和NH3,该反应属于复分解反应。
(4)Na+和N3-的核外电子层结构相同,但Na+的核电荷数大于N3-,
故r(Na+)第2章 微粒间相互作用与物质性质
第2节 第2课时 价电子对互斥理论
素 养 目 标
1.通过理解价电子对互斥理论,能根据有关理论、原理判断简单分子或离子的空间结构,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
2.通过了解等电子原理,能够根据物质的微观结构预测物质在特定条件下可能具有的性质和可能发生的变化,形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
一、价电子对互斥理论
不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子的空间结构
1.价电子对互斥理论的基本观点
分子中的中心原子的价电子对—— (bp)和 (lp)由于相互排斥作用,处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此 。两个原子间的成键电子不论是单键还是多重键,都看作 空间取向;一对孤电子对可看作 空间取向。因此,我们可以先分析分子中的中心原子的价电子对存在几个空间取向,再让这几个空间取向尽量彼此远离,就可以推测出分子的空间结构。
成键电子对
孤电子对
远离
一个
一个
2.价电子对互斥理论与分子的空间结构
(1)中心原子价电子全部参与成键的分子空间结构:
ABn 价电子 对数 成键电 子对数 孤电子 对数 空间结构 举例
n=2 2 2 0 CO2、BeCl2
n=3 3 3 0 CH2O、BF3
n=4 4 4 0 CH4、CCl4
直线形
三角形
正四面体形
(2)中心原子上有孤电子对的分子空间结构:
中心原子上的孤电子对占据中心原子周围的空间,与成键电子对互相排斥,使分子的空间结构发生变化。
多重键只计其中的σ键电子对,不计π键电子对
ABn 价电子 对数 成键电 子对数 孤电子 对数 空间结构 举例
n=2 3 2 1 形 SnBr2、SnCl2
n=3 或n=2 4 3 1 形 NH3、PCl3
2 2 形 H2O、H2S
角
三角锥
角
3.电子对之间的排斥与分子空间结构
当价电子对包含孤电子对且成键电子对中也有多重键时,由于它们之间的斥力不同,会对分子的空间结构产生影响。通常,多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序可定性地表示为:
三键—三键>三键—双键>双键—双键>双键—单键>单键—单键
lp—lp lp—bp>bp—bp
【微思考】俗称光气的二氯甲醛分子(COCl2)为三角形,但C—Cl键与C═O键之间的夹角为124.1°,C—Cl键与C—Cl键之间的夹角为111.8°,解释其原因。
提示 COCl2为平面三角形分子,但由于C═O键与C—Cl键之间电子对的作用强于C—Cl键与C—Cl键之间电子对的作用,所以使C═O键与C—Cl键之间的夹角增大(>120°),使C—Cl键与C—Cl键之间的夹角减小(<120°)。
二、等电子原理
1.等电子原理的内容
化学通式相同且 相等的分子或离子具有相同的
和相同的化学键类型等结构特征,这是等电子原理的基本观点。
价电子总数
空间结构
2.应用举例
利用等电子原理可以推断简单分子或离子的结构。
(1)CO、CN-与 互为等电子体,则CO的结构式为 ,CN-的结构式为 。
(2)CS2与CO2互为等电子体,则CS2的结构式为 ,碳原子的杂化类型为 ,分子空间结构为 。
N2
C≡O
[C≡N]-
S═C═S
sp
直线形
三角形
三角锥形
正四面体形
自我检测
1.正误判断:
(1)价电子对就是σ键电子对。( )
(2)孤电子对数是指没有成键的价电子对数,其与中心原子价电子总数、与中心原子结合的原子最多能接受的电子数及与中心原子结合的原子数有关。( )
(3)分子的空间结构是价电子对互斥的结果。( )
(4)孤电子对数等于π键数。( )
(5)价电子对数等于杂化轨道数。( )
×
√
√
×
√
2.下列分子或离子的中心原子含有孤电子对的是( )
A
解析 H2O分子中的中心原子氧原子上有2对孤电子对。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 价电子对互斥理论与分子空间结构
1.CH4分子中的键角为109°28',NH3分子中的键角为107.3°,H2O分子中的键角为104.5°。从价电子对互斥理论分析导致这三种分子键角差异的原因是什么
提示 三种物质的中心原子都是sp3杂化,杂化轨道都是正四面体结构,其中CH4的中心原子没有孤电子对,四个杂化轨道都有成键电子对,键角为109°28'。NH3和H2O的中心原子N、O分别有一个、两个杂化轨道填入孤电子对,孤电子对的排斥力比成键电子对大,因此键角被压缩;孤电子对越多,斥力越大,键角越小,故NH3的键角为107.3°、H2O的键角为104.5°。
2.根据以下事实总结,分析判断一个化合物的中心原子杂化类型的一般方法。
提示 (1)通过分子的空间结构判断。如果是直线形,则是sp杂化;如果是三角形,则是sp2杂化;如果是角形,则是sp2杂化(有一个孤电子对)或sp3杂化(有两个孤电子对);如果是四面体形或三角锥形,则是sp3杂化。
(2)对于以碳原子为中心的分子或离子,通过分析中心原子有没有形成双键或三键进行判断。如果有一个三键,则其中有两个是π键,用去了两个p轨道,所以中心原子采取sp杂化;如果有一个双键,则其中有一个π键,用去了一个p轨道,所以中心原子采取sp2杂化;如果全部是单键,则中心原子采取sp3杂化。
归纳拓展
1.ABm型分子中心原子价电子对数的计算方法(A为中心原子)
方法一:中心原子价电子对数=成键电子对数+孤电子对数。对于ABm型分子,中心原子的成键电子对数为m。
例如,H2O中的中心原子为氧原子,其价电子数为6,与氧原子结合的每个氢原子未成对电子数为1,因此氧原子上的孤电子对数= =2,则中心原子氧原子的价电子对数=2+2=4。
在利用此方法计算中心原子的价电子对数时应注意如下规定:作为其他原子,一个卤素原子和一个氢原子均提供一个电子,氧族元素的原子不提供电子。
2.分子或离子空间结构的确定
(1)如果价电子对全是成键电子对,则价电子对的空间结构即为分子或离子的空间结构。
(2)如果在价电子对中有孤电子对,由于电子对之间的排斥作用:孤电子对—孤电子对>孤电子对—成键电子对>成键电子对—成键电子对,则分子或离子的空间结构与价电子对的空间结构不同。具体情况如下表所示:
分子或 离子类型 价电子 对数 价电子对 空间结构 孤电子 对数 分子或离子
的空间结构
AB2 2 直线形 0 直线形
AB3 3 三角形 0 三角形
3 1 角形
AB4 4 四面体形 0 正四面体形
4 1 三角锥形
4 2 角形
【微点拨】分子的空间结构指的是成键电子对空间结构,不包括孤电子对;分子的空间结构和价电子对的空间结构是否一致,取决于中心原子上有无孤电子对,没有孤电子对时,二者一致,有孤电子对时,二者不一致。
应用体验
视角1 价电子对数与孤电子对数的计算
1.(1)计算下列分子中标“·”原子的价电子对数:
(2)计算下列分子中标“·”原子的孤电子对数:
4
2
3
4
2
0
0
1
视角2 分子或离子空间结构的确定
2.判断下列离子的空间结构。
三角形
三角锥形
正四面体形
正四面体形
解析 根据中心原子形成的成键电子对数和孤电子对数判断杂化类型,结合价电子对互斥理论判断分子或离子的空间结构。
规律方法 价电子对数目、价电子对的空间结构及粒子的空间结构之间的关系
价电子对数目 价电子对的空间结构 成键电 子对数 孤电子 对数 粒子的 空间结构 实例
2 直线形 2 0 直线形 BeCl2 CO2
3 三角形 3 0 三角形 BF3 BCl3
2 1 角形 SnBr2 PbCl2
4 四面 体形 4 0 正四面体形 CH4 CCl4
3 1 三角锥形 NH3 NF3
2 2 角形 H2O
3.下列描述正确的是( )
A.CS2分子的空间结构为角形
D
4.用价电子对互斥理论预测H2S和BF3分子的空间结构,两个结论都正确的是( )
A.直线形;三角锥形
B.角形;三角锥形
C.直线形;平面三角形
D.角形;平面三角形
D
视角3 键角的判断与比较
5.已知在CH4中C—H键之间的键角为109°28',NH3中N—H键之间的键角为107.3°,H2O中O—H键之间的键角为104.5°。则下列说法正确的是
( )
A.孤电子对与成键电子对之间的斥力大于成键电子对与成键电子对之间的斥力
B.孤电子对与成键电子对之间的斥力小于成键电子对与成键电子对之间的斥力
C.孤电子对与成键电子对之间的斥力等于成键电子对与成键电子对之间的斥力
D.题干中的数据不能说明孤电子对与成键电子对之间的斥力和成键电子对与成键电子对之间斥力的大小关系
A
解析 电子对之间斥力大小规律:孤电子对与孤电子对>孤电子对与成键电子对>成键电子对与成键电子对。A项正确。
6.[2023广西南宁高二检测]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,空间结构可能是角形
B
解析 键角为180°的分子,空间结构是直线形,例如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104.5°,空间结构为角形,D正确。
方法技巧 键角大小比较方法
(1)先计算价电子对数,根据VSEPR模型比较键角;
(2)若VSEPR模型相同,比较孤电子对数,孤电子对数越多,键角越小;
(3)若VSEPR模型和孤电子对数均相同,则通过比较元素电负性,确定成键电子对间排斥力大小,排斥力越大,键角越大;
(4)若在同一个分子内,则可根据多重键对键角的影响判断。
问题探究
探究2 等电子原理
1.等电子体有哪些应用
2.为什么SiF4、CF4、CCl4三者的空间结构相同
提示 (1)判断一些简单分子或离子的空间结构;
(2)利用等电子体在性质上的相似性制造新材料;
(3)利用等电子原理针对某性质找相应的等电子体。
提示 SiF4、CF4、CCl4三种物质单个分子的原子数目相同,价电子总数相同,故它们为等电子体,因此其空间结构也相同。
归纳拓展
1.等电子体的判断方法
化学通式相同,价电子总数相等的分子或离子互为等电子体。
2.常见的等电子体
应用体验
视角 等电子原理
1.根据等电子原理,由短周期元素组成的粒子,只要其原子数相同,各原子最外层电子数之和相同,也可互称等电子体,它们也具有相似的结构特征。
(1)仅由第2周期元素组成的共价分子中,互为等电子体的是 和
; 和 。
(2)在短周期元素组成的物质中,与N互为等电子体的分子有 。
答案 (1)N2 CO CO2 N2O
(2)SO2、O3
解析 (1)仅由第2周期元素组成的共价分子中,N2与CO的价电子总数均为10,CO2与N2O价电子总数均为16。
(2)依题意,只要原子数相同,且各原子价电子数之和也相同,即可互称等电子体。 为三原子粒子,各原子价电子数之和为5+6×2+1=18,SO2、O3也为三原子粒子,各原子价电子数之和为6×3=18,因此SO2、O3与 互为等电子体。
规律方法 利用替换法写等电子体
(1)同主族替换法。
同主族元素最外层电子数相等,故可将粒子中一个或几个原子换成同主族元素的其他原子,如O3与SO2、CO2与CS2分别互为等电子体。
(2)左右移位法。
①将粒子中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n=1,2等)的原子,如N2与CO、 和CNO-互为等电子体。
②将粒子中的m个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素的原子,且粒子的总电子数减小(或增大)m×n,如 互为等电子体。
(3)叠加法。
互为等电子体的微粒分别再增加一个相同的原子或同主族元素的原子,如CO和N2互为等电子体,则N2O与CO2也互为等电子体。
2.等电子体的结构相似,物理性质相似。下列各组粒子中,空间结构相似的是( )
A.SO2与O3 B.CO2与NO2
C.CS2与NO2 D.PCl3与BF3
A
解析 SO2与O3互为等电子体,空间结构相似,A正确;CO2与NO2、CS2与NO2、PCl3与BF3价电子总数都不同,都不是等电子体。
3.下列各组微粒属于等电子体的是( )
A.12CO2和14CO
B.H2O和NH3
C.NO+和CN-
D.NO和CO
C
解析 根据等电子原理判断,NO+与CN-属于等电子体。
4.[2023湖南天壹名校联盟联考]N2的结构可以表示为 ,CO的结构可
以表示为 ,其中椭圆框表示π键,下列说法不正确的是( )
A.N2分子与CO分子中都含有三键
B.N2分子与CO分子中π键并不完全相同
C.N2分子与CO分子互为等电子体
D.N2分子与CO分子的化学性质相同
D
解析 N2和CO都含有两个π键和一个σ键,N2分子与CO分子中都含有三键,故A正确;氮气中π键由每个N原子各提供一个电子形成,而CO分子中其中一个π键由O原子提供1对电子形成,另一个π键由O原子、N原子各提供1个电子形成,N2分子与CO分子中的π键并不完全相同,故B正确;N2分子与CO分子中原子总数相同、价电子总数也相同,二者互为等电子体,故C正确;N2分子与CO分子的化学性质不相同,故D错误。
5.根据等电子原理,下列各组分子或离子的空间结构不相似的是( )
A.SO2和O3 B. 和CH4
C.H3O+和NH3 D.CO2和H2O
D
解析 D项中,CO2分子和H2O分子原子总数相等,价电子总数前者为16,后者为8,二者不属于等电子体,则空间结构不相似。(共48张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第4节 分子间作用力
素 养 目 标
1.通过理解分子间作用力(含氢键)对物质熔、沸点等性质的影响,能从微观层次理解物质的某些性质与分子间作用力有关,发展宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过了解氢键对物质性质的影响,能列举含有氢键的物质,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
一、分子间作用力
1.分子之间存在着多种 ,人们将这些作用统称为分子间作用力。分子间作用力比化学键弱得多,其中最常见的一种是 。
2.范德华力
(1)定义:分子间普遍存在的一种 ,它使许多物质能以一定的凝聚态(固态和液态)存在。
(2)特点:范德华力的作用能通常比化学键的键能小得多,范德华力的作用能一般只有 kJ·mol-1,而化学键的键能一般为 kJ·mol-1。
(3)实质。
范德华力的实质也是电性作用,它没有 和 。
相互作用
范德华力
相互作用力
2~20
100~600
饱和性
方向性
3.范德华力与物质的性质
范德华力主要影响物质的 、 等物理性质。范德华力越强,物质的 、 越高。
例如,卤素单质F2、Cl2、Br2、I2的熔点和沸点依次 ,是因为它们的范德华力逐渐 。在常温、常压下,氟单质和氯单质为气体,溴单质为液体,碘单质为固体。
熔点
沸点
熔点
沸点
升高
增强
【微思考1】范德华力与化学键的作用微粒有什么不同
【微思考2】液态苯、汽油等发生汽化时,为何需要加热
提示 化学键的成键微粒包括原子、离子、电子,而范德华力存在于分子之间。
提示 液态苯、汽油等发生汽化需要吸收能量克服其分子间的相互作用。
二、氢键与物质性质
1.氢键
(1)氢键的形成。
在水分子中,氢原子以共价键与氧原子结合。氧元素的电负性 ,在与氢原子形成共价键时氧原子强烈吸引共用电子,使之 自己,从而使自身带有部分 电荷,同时使氢原子带有部分 电荷。当一个水分子中的这种氢原子和另一个水分子中的氧原子接近时,带有部分正电荷的氢原子允许带有部分负电荷的氧原子充分接近它,并产生 形成氢键。氢键也是一种常见的 。
很大
偏向
负
正
静电作用
分子间作用力
(2)氢键的表示形式。
①通常用 表示氢键,其中X—H表示氢原子和X原子以
相结合。
②X—H…Y中H和Y原子核间的距离比范德华半径之和小,但比共价键键长(共价半径之和)大得多。氢键的作用能是指X—H…Y分解为 和
所需要的能量。
X—H…Y
共价键
X—H
Y
2.氢键形成的条件
(1)氢原子位于X原子和Y原子之间。
(2)X、Y原子所属元素具有较大的 和较小的 。X、Y原子一般是 原子、 原子和 原子。
电负性
原子半径
氮
氧
氟
3.氢键对物质性质的影响 氢键不属于化学键
(1)氢键的作用能一般不超过 ,比化学键的键能
,比范德华力的作用能 。氢键的形成赋予物质一些特殊的性质,主要表现为物质的 和 升高。另外,氢键对物质的电离、溶解等过程也产生影响。
(2)氢键影响熔、沸点的原因:分子间存在着氢键时,破坏分子间的氢键,会消耗更多的能量,所以存在氢键的物质一般具有较高的 和
。
(3)氢键的分类。
尽管人们将氢键归结为一种分子间作用力,但是氢键既可以存在于
,也可以存在于 的原子团之间,如邻羟基苯甲醛分子内的羟基与醛基之间就存在氢键。
40 kJ· mol-1
小得多
大一些
熔点
沸点
熔点
沸点
分子之间
分子内部
【微思考3】为什么氢键在自然界中能广泛存在
提示 只要具备形成氢键的条件,物质将倾向于尽可能多地形成氢键,以最大限度地降低体系的能量。氢键的形成和破坏所对应的能量变化比较小;氢键的形成不像共价键的形成对方向的要求那么高,在物质内部分子不断运动变化的情况下氢键仍能不断地断裂和形成。因此,氢键广泛存在于自然界中。
自我检测
1.正误判断:
(1)范德华力是决定由分子构成物质的熔点、沸点高低的唯一因素。( )
(2)范德华力能够影响物质的化学性质和物理性质。( )
(3)范德华力仅是影响物质部分物理性质的一种因素。( )
(4)每个水分子内含有两个氢键。( )
(5)HF的稳定性很强,是因为其分子间能形成氢键。( )
×
×
√
×
×
2.关于氢键,下列说法正确的是( )
A.H2O是一种非常稳定的化合物,这是由于H2O分子间形成氢键
B.分子间形成的氢键使物质的熔点和沸点升高
C.氨在水中溶解度很大,与氨和水分子之间形成的氢键无关
D.氢键比范德华力强,所以它属于化学键
B
解析 H2O是一种非常稳定的化合物,与H、O原子间形成的共价键有关,而与氢键无关,A项错误;氢键能影响物质的熔、沸点,分子间形成的氢键使物质的熔点和沸点升高,B项正确;氨在水中溶解度很大,主要是因为氨与水分子之间形成分子间氢键,C项错误;氢键比范德华力强,是一种介于化学键与范德华力之间的分子间作用力,不属于化学键,D项错误。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 范德华力对物质性质的影响
下图中列出了部分卤族元素单质的熔、沸点。
1.卤族元素单质熔、沸点发生这样变化的原因是什么
2.碘单质中存在几种作用力 当碘单质发生三态变化时破坏的是什么作用
提示 组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,分子间作用力越大,克服分子间作用力使物质熔化和汽化就需要更多的能量,熔、沸点就越高。
提示 碘单质中碘分子内有I—I共价键,碘分子之间有范德华力。
当碘单质发生三态变化时,由于碘分子间的范德华力比I—I共价键弱得多,因此克服范德华力所需的能量不足以破坏I—I共价键,仅仅是碘分子之间的作用力改变了,I—I共价键依然不变。
归纳拓展
1.影响范德华力的因素
主要包括相对分子质量的大小、分子的空间结构以及分子中电荷分布是否均匀等。对于组成和结构相似的分子,其范德华力一般随着相对分子质量和极性的增大而增大。
2.范德华力对物质性质的影响
一般说来,分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高。具体如下:
(1)组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,分子间作用力越大,物质的熔、沸点通常越高。如熔、沸点:F2(2)分子组成相同的物质(即互为同分异构体),分子对称性越好,分子间作用力越小,物质的沸点通常越低。如沸点:新戊烷<异戊烷<正戊烷;对二甲苯<间二甲苯<邻二甲苯。
(3)相对分子质量相近的物质,分子的极性越小,分子间作用力越小,物质的熔、沸点通常越低。如熔、沸点:N2【微点拨】(1)在由分子构成的物质中,分子与分子之间存在着分子间作用力,而在分子内部的成键原子之间存在共价键。
(2)离子化合物中不存在分子间作用力。
(3)金刚石、单质硅、二氧化硅等由原子通过共价键相结合构成的物质中,铝、铜、铁等金属单质中,均不存在分子间作用力。
(4)稀有气体是由分子构成的物质,但其分子是单原子分子,所以其原子(实为分子)间的作用力是分子间作用力。
应用体验
视角1 范德华力的判断
1.下列关于范德华力的叙述正确的是( )
A.范德华力的实质是一种电性作用,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
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,故破坏分子间的范德华力不需要消耗能量
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项错误;化学键是微粒间强烈的相互作用,范德华力是分子间较弱的作用力,B项正确;只有分子充分接近时才有范德华力,C项错误;虽然范德华力非常微弱,但破坏它时也需要消耗能量,D项错误。
2.下列物质的变化,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.将水加热变为气态 D.NH4Cl受热分解
A
解析 碘的升华,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;水由液态变为气态,破坏的是氢键和范德华力;NH4Cl受热分解,破坏的是化学键(包括共价键和离子键)。
3.在“石蜡→液体石蜡→石蜡蒸气→裂化气”的变化过程中,被破坏的作用力依次是( )
A.范德华力、范德华力、范德华力
B.共价键、共价键、共价键
C.范德华力、共价键、共价键
D.范德华力、范德华力、共价键
D
解析 石蜡→液体石蜡→石蜡蒸气属于物质的三态变化,属于物理变化,破坏了范德华力,石蜡蒸气→裂化气发生了化学变化,破坏了共价键;所以在“石蜡→液体石蜡→石蜡蒸气→裂化气”的变化过程中,被破坏的作用力依次是范德华力、范德华力、共价键,故答案为D。
视角2 范德华力对物质性质的影响
4.在下列几组气体中,试分析判断每组中哪种气体更易液化。
①Cl2、N2 ②SiH4、CH4 ③SO2、CO2 ④邻二甲苯、对二甲苯 ⑤甲烷、乙烷 ⑥正丁烷、异丁烷
答案 ①Cl2 ②SiH4 ③SO2 ④邻二甲苯 ⑤乙烷 ⑥正丁烷
解析 ①②⑤三组气体中的分子均为组成和结构相似的分子,只要从相对分子质量的大小就可以判断更易液化的气体分别是各组气体中相对分子质量较大的分子,即①Cl2、②SiH4、⑤乙烷。③组中SO2的相对分子质量大于CO2的相对分子质量,并且SO2是极性分子,所以SO2分子间的范德华力大于CO2分子间的范德华力,故SO2易液化。④组中的邻二甲苯、对二甲苯的相对分子质量相等,邻二甲苯分子的对称性较差,所以邻二甲苯分子间的范德华力大于对二甲苯分子间的范德华力,故邻二甲苯易液化。⑥组中正丁烷、异丁烷是同分异构体,异丁烷分子含有支链,使分子间接触面积减小,分子间作用力减小,所以正丁烷分子更易液化。
方法技巧 一般来说,组成和结构相似的物质,范德华力的大小可从相对分子质量的大小进行比较,随着相对分子质量的增大,范德华力增大。在分子体积大小相近、相对分子质量相等或相近的情况下,范德华力往往随着分子极性的增强而增强。在相对分子质量相等或相近的情况下,分子之间的接触面积越大,范德华力越强。
5.下列叙述与范德华力无关的是( )
A.气体物质加压或降温时能凝结或凝固
B.通常状况下氯化氢为气体
C.氟、氯、溴、碘单质的熔、沸点依次升高
D.氯化钠的熔点较高
D
解析 范德华力主要影响物质的熔点、沸点等物理性质。A项,气体物质加压时,范德华力增大,降温时,气体分子的平均动能减小,分子靠自身的动能不足以克服范德华力,从而聚集在一起形成液体甚至固体;B项,HCl分子之间的作用力是很弱的范德华力,因此通常状况下氯化氢为气体;C项,一般来说,组成和结构相似的物质,随着相对分子质量的增大,范德华力逐渐增强,物质的熔、沸点逐渐升高;D项,NaCl中Na+和Cl-之间以较强的离子键结合,所以NaCl的熔点较高,与范德华力无关。
问题探究
探究2 氢键对物质性质的影响
下图是部分氧族元素的氢化物的熔点和沸点。
1.为什么H2O的熔、沸点出现了反常
2.从氨合成塔的气体中分离出NH3,采用什么分离方法
提示 由于H2O分子间容易形成氢键,使它的熔、沸点反常得高。
提示 加压使NH3液化,因为NH3分子间易形成氢键,沸点高,易液化。
3.甲醇的沸点明显高于甲醛,乙酸的沸点明显高于乙醛,其主要原因是什么
提示 甲醇分子间、乙酸分子间能形成氢键,而甲醛分子间、乙醛分子间都不能形成氢键。
归纳拓展
1.氢键
(1)形成条件。
①要有一个与电负性很大的元素X形成强极性键的氢原子,如H2O中的氢原子。
②要有一个电负性很大,含有孤电子对并带有部分负电荷的Y原子,如H2O中的氧原子。
③X和Y的原子半径要小,这样空间位阻较小。
一般来说能形成氢键的元素为N、O、F与H。
(2)氢键的存在。
①含H—O、N—H、H—F键的物质。
②有机化合物中的醇类和羧酸等物质。
(3)氢键的类型。
氢键既可以存在于分子之间,也可以存在于分子内部的原子团之间。如邻羟基苯甲醛分子内的羟基与醛基之间存在氢键,对羟基苯甲醛存在分子间氢键(如图)。
(4)氢键对物质性质的影响。
①对熔点、沸点的影响。
a.分子间氢键的形成使物质的熔点、沸点升高,因为要使液体汽化,必须破坏大部分分子间的氢键,这需要较多的能量;要使晶体熔化,也要破坏一部分分子间的氢键。所以,存在分子间氢键的化合物的熔点、沸点要比没有氢键的同类化合物高。
b.分子内氢键的形成使物质的熔点、沸点降低,如邻羟基苯甲醛的熔点、沸点比对羟基苯甲醛的熔点、沸点低。
②对溶解度的影响。
在极性溶剂里,如果溶质分子与溶剂分子间可以形成氢键,则溶质的溶解性增大。例如,乙醇和水能以任意比例互溶。
③对水的密度的影响。
绝大多数物质固态时的密度大于液态时的密度,但是在0 ℃附近的水的密度却是液态的大于固态的。水的这一反常现象也可用氢键解释。
2.范德华力、氢键及共价键的比较
类型 范德华力 氢键 共价键
特征 无方向性,无饱和性 有方向性,有饱和性 有方向性,有饱和性
强度 共价键>氢键>范德华力 影响强度的因素 ①随着分子极性增大而增大 ②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,氢键越强 成键原子半径越小,键长越短,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、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F2H2S,在水中的溶解性NH3>PH3 ②分子内氢键的存在,使物质的熔、沸点降低,如熔、沸点: > ①影响分子的稳定性
②共价键键能越大,分子稳定性越强
应用体验
视角1 氢键的判断
1.下列物质中不存在氢键的是( )
A.冰醋酸中醋酸分子之间
B.液态氟化氢中氟化氢分子之间
C.NH3·H2O中的NH3与H2O分子之间
D.可燃冰(CH4·8H2O)中甲烷分子与水分子之间
D
解析 只有非金属性很强的元素(如N、O、F)与氢元素形成强极性的共价键之后,氢原子才可能与另一分子中非金属性很强的原子形成氢键。碳元素的非金属性不强,CH4与H2O分子间不存在氢键。
2.下列说法不正确的是( )
A.分子间作用力是分子间相互作用的总称
B.分子间氢键的形成对物质的溶解度及熔、沸点有影响
C.范德华力和氢键可同时存在于分子之间
D.氢键无方向性和饱和性
D
解析 分子间存在多种相互作用,这些作用统称为分子间作用力,A正确;分子间氢键的形成除使物质的熔、沸点升高外,对物质的溶解度也有影响,B正确;范德华力和氢键均属于分子间作用力,两者有可能同时存在于分子之间,C正确;氢键有方向性和饱和性,D错误。
3.下列物质的性质或数据与氢键无关的是( )
A.氨气极易溶于水
C.乙醚微溶于水,而乙醇可与水以任意比混溶
D.HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多
D
解析 NH3分子与H2O分子之间可以形成氢键,增大了NH3在水中的溶解度;邻羟基苯甲酸形成分子内氢键,而对羟基苯甲酸形成分子间氢键,分子间氢键增大了分子间作用力,使对羟基苯甲酸的熔、沸点比邻羟基苯甲酸的高;乙醇分子结构中含有羟基,可以与水分子形成分子间氢键,从而增大了乙醇在水中的溶解度,使其能与水以任意比混溶,而乙醚分子结构中无羟基,不能与水分子形成氢键,在水中的溶解度比乙醇小得多;HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多的原因是H—F键的键能比H—Cl键的大,与氢键无关。
视角2 氢键对物质性质的影响
4.水分子间由于氢键的作用而彼此结合形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的四面体(H2O)5,由无限个这样的变形四面体通过氢键相互连成一个庞大的分子晶体——冰,未变形的(H2O)5的结构如下图所示。试回答下列问题:
(1)下列叙述中正确的是 (填字母)。
A.1 mol冰中有4 mol氢键
B.平均每个水分子有2个氢键
C.冰中的氢键没有方向性
(2)在液态水中,水以多种微粒的形式存在,试画出如下微粒的结构式:
答案 (1)B
解析 (1)每个水分子形成4个氢键,但每个氢键为2个水分子所共有,所以每个水分子只有2个氢键,即1 mol冰中有2 mol氢键。氢键和共价键一样具有方向性和饱和性。
方法点拨 解氢键类题目应注意的事项
解此类题目,关键是抓住氢键的特点。氢键具有方向性和饱和性。方向性指氢键X—H…Y中的三个原子总是尽可能沿直线分布。饱和性指每个X—H只能与一个Y原子形成氢键。
【变式设问】
为什么冰的密度比水小
答案 冰的密度比水小,与水分子间的氢键有关,冰中氢键较多,导致冰体积较大,密度较小。
5.(1)氨气溶于水时,大部分NH3与H2O以氢键(用“…”表示)结合形成NH3·H2O分子。根据氨水的性质可推知NH3·H2O的结构式为( )
(2)氟元素在元素周期表的各元素中电负性最大,用氢键表示式写出氟元素的氢化物溶液中存在的所有氢键 。
(3)下列物质变化,只与范德华力有关的是 (填字母)。
A.干冰熔化
B.乙酸汽化
C.乙醇与丙酮混溶
D. 溶于水
E.碘溶于四氯化碳
F.石英熔融
答案 (1)B (2)F—H…F、F—H…O、O—H…F、O—H…O (3)AE
解析 (1)从氢键的成键原理上讲,A、B两项都成立,C、D两项都错误;但是H—O键的极性比H—N键的大,H—O键上氢原子的正电性更大,更容易与氮原子形成氢键,所以氢键主要存在于H2O分子中的H与NH3分子中的N之
(2)HF在水溶液中形成的氢键可从HF和HF、H2O和H2O、HF和H2O(HF提供氢)、H2O和HF(H2O提供氢)四个方面来考虑。由此可以得出HF水溶液中所存在的氢键。
(3)A项,干冰熔化需要破坏范德华力;B项,乙酸分子之间存在范德华力与氢键,所以汽化时破坏范德华力和氢键;C项,乙醇与丙酮混溶时,破坏乙醇分子之间的范德华力与氢键,还破坏丙酮分子之间的范德华力;D项,该有机化合物分子之间不能形成氢键,只存在范德华力,但水分子之间存在范德华力和氢键,故该溶解过程破坏范德华力与氢键;E项,碘、四氯化碳分子之间只存在范德华力,相溶时只破坏范德华力;F项,石英熔化时只破坏共价键。
6.下列现象不能用氢键知识解释的是( )
A.葡萄糖易溶于水
B.在4 ℃时水的密度最大
C.硫酸是一种强酸
D.水通常情况下为液态
C
解析 葡萄糖易溶于水是因为葡萄糖分子和水分子间可以形成氢键,A正确;水通常情况下为液态,在4 ℃时水的密度最大,是因为水分子之间会形成氢键,降温时,水分子间形成的氢键数目增多,水分子之间空隙变大,使密度减小,B正确;硫酸是一种强酸,在水中能全部电离,与氢键无关,C不正确;水分子间形成氢键,使水的熔、沸点较高,所以水通常情况下为液态,D正确。(共31张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第3节 第2课时 配位键、金属键
素 养 目 标
1.通过掌握金属键的含义,能用金属键理论解释金属的某些性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过了解配合物的成键情况,能够通过实验探究配合物的制备,并了解配合物的应用,培养科学探究与创新意识的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
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自主梳理
一、配位键
形成条件:①成键原子一方有孤电子对;②另一方有空轨道
1.配位键的形成
(2)上述②中共价键的形成与①相比较的不同点:②中形成共价键时,氮原子一方提供 ,H+具有能够接受 的 。
(3)配位键的定义及表示方法。
①定义:成键原子一方提供 ,另一方具有能够接受 的
。
②表示方法:配位键常用A→B表示,其中A是提供 的原子,B是具有能够接受 的 的原子。
(4)配位化合物的定义及组成。
①定义:一般来说,组成中含有 的物质称为配位化合物,简称
。
②组成:提供空轨道的称为 ,提供孤电子对的称为 。
孤电子对
孤电子对
空轨道
孤电子对
孤电子对
空轨道
孤电子对
孤电子对
空轨道
配位键
配合物
中心原子或中心离子
配体
2.配合物的制备与应用
(1)配合物实例。
①CuCl2固体溶于水显示蓝色,是由于Cu2+与H2O生成了水合铜离子Cu[(H2O)4]2+;
②向硝酸银溶液中滴加浓氨水至过量,可以制得二氨合银离子 ;
③NH3分子与Cu2+配位可以制得 。
(2)配合物的应用。
配合物在生命体中大量存在,对于生命活动具有重要意义。另外,配合物在尖端技术、医药科学、催化反应和材料化学等领域也有着广泛的应用。在科学研究和生产实践中,人们经常利用金属离子和与其配位的物质的性质不同,进行 、 或 操作来达到分离提纯、分析检测等目的。
[Ag(NH3)2]+
[Cu(NH3)4]2+
溶解
沉淀
萃取
【微思考】用SCN-检验Fe3+的原理是什么
提示 SCN-能以不同的比例通过配位键与Fe3+结合生成[Fe(SCN)n]3-n(n=1~6)而呈现血红色。
二、金属键
1.金属键及其实质
定义 金属中 和“ ”之间的强的相互作用
成键 微粒 和“ ”
实质 金属键本质是一种电性作用
特征 (1)金属键无 和
(2)金属键中的电子在整个 里运动,属于整块固态金属
金属阳离子
自由电子
金属阳离子
自由电子
饱和性
方向性
三维空间
2.金属键与金属性质
(1)金属不透明,具有金属光泽。
当可见光照射到固态金属表面上时,固态金属中的“ ”能够吸收所有频率的光并迅速释放,使得金属不透明并具有金属光泽。
(2)金属具有良好的导电性。
金属内部自由电子的运动不具有方向性,在外加电场的作用下,金属晶体中的“自由电子”发生 而形成电流。
(3)金属具有良好的导热性。
当金属中存在温度差时,不停运动着的“自由电子”通过自身与
,将能量由高温处传向低温处,使金属表现出导热性。
自由电子
定向移动
金属阳离子之间的碰撞
自我检测
1.正误判断:
(1)配位键是一种电性作用。( )
(2)形成配位键的电子对由成键原子双方提供。( )
(3)外界条件的变化不会影响配合物的存在形式。( )
√
×
×
2.下列关于化学键的叙述中,正确的是( )
A.金属键的本质是一种电性作用
B.因为离子键无方向性,故阴、阳离子的排列是没有规律的、随意的
C.配合物[Cu(NH3)4]Cl2的配位数是6
D.金属键是金属阳离子和“自由电子”之间存在的强的静电吸引作用
A
解析 金属键的本质是一种电性作用,A项正确;为了使物质的能量最低,体系最稳定,阴、阳离子的排列也是有规律的,不是随意的,B项错误;C项中该配合物的配位数是4,而不是6,C项错误;金属键是金属阳离子和“自由电子”之间强的相互作用,既有金属阳离子和“自由电子”之间的静电吸引作用,也存在金属阳离子之间和“自由电子”之间的静电排斥作用,D项错误。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 配位键与配合物
1.将氯化铜固体溶于水并稀释时,你会看到怎样的现象 为什么
提示 氯化铜溶于水并稀释时,颜色会出现棕黄、变绿、再变蓝的过程。
当大量氯化铜溶于少量水时,由于水分子少,氯离子多,铜离子主要以[CuCl4]2-的形式存在,[CuCl4]2-为黄色;同样,在稀氯化铜溶液中,由于氯离子少,水分子多,铜离子主要以水合铜离子[Cu(H2O)4]2+的形式存在, [Cu(H2O)4]2+为蓝色。所以很浓的氯化铜溶液为黄绿色,浓氯化铜溶液为绿色,稀氯化铜溶液呈蓝色。所以,氯化铜固体溶于水并加水稀释会出现黄、绿、蓝的变化过程。
3.向0.1 mol·L-1的AgNO3溶液中逐滴加入浓氨水,你会看到怎样的现象 你会得到什么样的结论
2.Fe3+在溶液中显示黄色的原因是什么
提示 Fe3+水解并与OH-配位,生成了[Fe(OH)(H2O)5]2+,从而使溶液显示黄色。
提示 开始产生白色沉淀,继续滴加氨水,白色沉淀消失。分析可知开始滴加氨水时生成白色沉淀AgOH,继续滴加氨水,又生成可溶性的[Ag(NH3)2]OH。
4.向含有等浓度的Cu2+溶液中,分别逐滴加入氨水和NaOH溶液直至过量,你会看到怎样的现象 你获得了什么结论
提示 滴加氨水时,先看到生成蓝色沉淀,继续加氨水,沉淀溶解,最后变为蓝色透明溶液。反应的离子方程式:
①Cu2++2NH3·H2O══Cu(OH)2↓+2 ;
②Cu(OH)2+4NH3·H2O══[Cu(NH3)4]2++2OH-+4H2O。
滴加氢氧化钠溶液时,会看到少量的时候生成蓝色沉淀,过量的时候可以看到先生成蓝色沉淀后又溶解,溶解后溶液呈现蓝色,但是与氨水反应最终所得溶液的蓝色更深。
反应的离子方程式:①Cu2++2OH-══Cu(OH)2↓
②Cu(OH)2+2OH-══[Cu(OH)4]2-。
结论:配合物的配体不同,配合物的颜色深浅不同。
5.配合物[Cu(NH3)4]SO4中含有的化学键类型有哪些
提示 配合物[Cu(NH3)4]SO4中含有的化学键有离子键、极性共价键、配位键。
归纳拓展
1.配位键的实质
配位键和共价键只是在形成过程中有所不同,配位键的共用电子对由成键原子一方提供,共价键的共用电子对由成键原子双方共同提供。
2.配合物的组成
配合物[Cu(NH3)4]SO4的组成如下图所示:
(1)中心原子或离子:提供空轨道,常见的是过渡金属的原子或离子,如Fe、Ni、Fe3+、Ag+、Cu2+、Zn2+等。
(2)配体:含有孤电子对的分子或阴离子。
①分子:如H2O、NH3、CO等;
②阴离子:如X-(Cl-、Br-、I-)、OH-、SCN-、CN-、RCOO-、 等。
配体中直接同中心离子(或原子)配合的原子,叫配位原子。配位原子必须是含有孤电子对的原子,如NH3中的N原子,H2O分子中的O原子,配位原子常为ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的原子。
(3)配位数:直接与中心原子或离子配位的原子或离子的数目。
如[Fe(CN)6]4-中Fe2+的配位数为6。
(4)配离子的电荷数:等于中心原子或离子和配体总电荷数的代数和,如[Co(NH3)5Cl]n+中的n=2。
(5)配位键的表示方法:
应用体验
视角1 配位键的形成
1.以下微粒含配位键的是( )
⑧[Ag(NH3)2]OH
A.①④⑤⑥⑦⑧ B.①②⑦⑧
C.①③④⑤⑥ D.全部
A
解析 ① 中有一个H+与一个N原子间形成配位键;②CH4中4个H原子与C原子间形成共价单键,不存在配位键;③OH-中O与H间形成共价键,不存在配位键;④ 中有1个H+与N原子间形成配位键;⑤Fe(CO)5中配位体CO与中心原子Fe之间形成配位键;⑥Fe(SCN)3中配位体SCN-与Fe3+间形成配位键;⑦H3O+中有1个H+与O原子间形成配位键;⑧[Ag(NH3)2]OH中配位体NH3与Ag+间形成配位键。综合以上分析,①④⑤⑥⑦⑧中都存在配位键。
思维建模 解答有关配位键的理解和判断问题的思维流程如下:
【变式设问】
(2)[Ag(NH3)2]OH是强碱还是弱碱
答案 强碱
2.下列不能形成配位键的组合是( )
A.Ag+ NH3 B.H2O H+
C.Co3+ CO D.Ag+ H+
D
解析 在A、B、C三项中,Ag+、H+、Co3+都能提供空轨道,NH3、H2O、CO都能提供孤电子对,所以能形成配位键;D项中Ag+和H+都只能提供空轨道,无提供孤电子对的微粒,所以不能形成配位键。
视角2 配合物的性质
3.向下列配合物的水溶液中加入AgNO3溶液,不能生成AgCl沉淀的是( )
A.[Co(NH3)4Cl2]Cl B.Co(NH3)3Cl3
C.[Co(NH3)6]Cl3 D.[Co(NH3)5Cl]Cl2
B
解析 配合物的内界与外界由离子键结合,只要外界存在Cl-,加入AgNO3溶液即有AgCl沉淀产生。对于B项配合物Co(NH3)3Cl3,Co3+、NH3、Cl-全处于内界,不能电离出Cl-,所以不能生成AgCl沉淀。
规律方法 许多配合物内界以配位键结合很牢固,难以在溶液中电离,而内界与外界之间以离子键结合,在水溶液中能够完全电离。
4.某配合物的化学式为[CrCl2(H2O)4]Cl·2H2O,下列说法正确的是( )
A.配体是Cl-,配位原子数是2
B.配离子是[CrCl2(H2O)4]+,中心离子是Cr3+
C.1 mol该化合物溶于水可电离出3 mol Cl-
D.加入足量AgNO3溶液,Cl元素可被完全沉淀
B
解析 提供孤电子对的作为配体,则内界[CrCl2(H2O)4]+中配体是H2O和Cl-,配位原子数是6,故A错误;提供空轨道的作为中心离子,则内界[CrCl2(H2O)4]+中中心离子是Cr3+,故B正确;配合物溶于水发生电离生成内界离子和外界离子,则1 mol该化合物溶于水可电离出1 mol Cl-,故C错误;加入足量AgNO3溶液,只有外界离子才能被沉淀,则Cl元素不可被完全沉淀,故D错误。
5.(1)在[Ni(NH3)6]2+中Ni2+与NH3之间形成的化学键称为 ,提供孤电子对的成键原子是 (填元素符号)。
(2)CaF2难溶于水,但可溶于含Al3+的溶液中,原因是 (用离子方程式表示,已知[AlF6]3-在溶液中可稳定存在)。
答案 (1)配位键 N
(2)3CaF2+Al3+══3Ca2++[AlF6]3-
解析 (1)Ni2+与NH3之间形成配位键时,Ni2+提供空轨道,N提供孤电子对。
(2)CaF2存在沉淀溶解平衡:CaF2(s) Ca2+(aq)+2F-(aq),溶液中的F-与Al3+形成配离子[AlF6]3-,使沉淀溶解平衡正向移动,导致CaF2溶解。
问题探究
探究2 金属键
金属原子核外所有的电子都是自由电子吗 自由电子专属于某一个金属阳离子吗
提示 金属中的自由电子是指金属易失去的价电子,而不是金属原子核外所有的电子。
自由电子不专属于某一个金属阳离子,而是属于整块固态金属。
归纳拓展
1.金属键的强弱比较
金属键的强弱主要取决于金属元素的原子半径和价电子数,原子半径越大,价电子数越少,金属键越弱。原子半径越小,价电子数越多,金属键越强。
2.金属键对金属性质的影响
(1)金属键越强,金属熔、沸点越高。
(2)金属键越强,金属硬度越大。
(3)金属键越强,金属越难失电子,一般金属性越弱。如Na的金属键强于K,则Na比K难失电子,金属性Na比K弱。
(4)金属键越强,金属原子的电离能越大。
3.含金属键的物质
金属单质及其合金。
应用体验
视角 金属键的理解
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
B
解析 金属键没有方向性和饱和性,A错误;金属键是金属阳离子和“自由电子”间的相互作用,B正确;金属导电是因为在外加电场作用下电子发生定向移动,C错误;“自由电子”能够吸收所有频率的光并很快放出,使得金属不透明并具有金属光泽,D错误。(共34张PPT)
第2章 微粒间相互作用与物质性质
第2节 第3课时 分子的空间结构与分子性质
素 养 目 标
1.通过知道手性分子的定义,会判断不对称碳原子,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
2.通过理解共价键的极性、分子的空间结构与分子极性的关系,学会判断简单分子极性的方法,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
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目 录 索 引
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自主梳理
一、分子中的原子排布与对称性
1.对称分子
CH3CH3(乙烷)、H2O、NH3三种分子的空间结构如图所示:
(1)若将三种分子分别绕C1轴、C2轴、C3轴旋转一定角度后可与原分子重合,C1、C2、C3分别为相应分子的 。
(2)甲烷分子中碳原子和其中两个氢原子所构成的平面为甲烷分子的
。
(3)依据 的旋转或借助 的反映能够 的分子称为对称分子,分子所具有的这种性质称为对称性。
(4)分子的许多性质如 、 等都与分子的对称性有关。
对称轴
对称面
对称轴
对称面
复原
极性
旋光性
【微思考1】什么是对称轴
【微思考2】什么是对称面
提示 以甲烷分子为例,以通过碳原子和氢原子的连线为轴旋转120°或240°时,分子完全恢复原状,我们称这条连线为对称轴。
提示 以甲烷分子为例,通过碳原子和其中两个氢原子所构成的平面,分子被分割成相同的两部分,我们称这个平面为对称面。
2.手性分子
手性 一些分子本身和它们在镜中的像,就如同人的左手和右手,相似但不能重叠,因而称这类分子表现出手性
手性 分子 具有 的分子。一个手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体。从对称性的角度看,手性分子是一类对称性比较低的分子,如它们不具有对称面
不对称 碳原子 通过单键连接其他原子,所连接的四个原子或基团均不相同
手性
【微思考3】如何判断一个分子为手性分子
提示 由于大多数的手性分子都含有不对称碳原子,因此有机化学中常用有无不对称碳原子推测分子是否为手性分子,进而判断分子有无旋光性,这是一个简单实用但并不全面的判断标准。
二、分子中的电荷分布与极性
1.极性分子与非极性分子
分子内存在正、负两极的分子,通常称为 分子,分子内不存在正、负两极的分子,称为 分子。
2.对于一个分子来说,可以设想它的全部正电荷集中于一点,这一点叫作
重心;同样,可以设想它的全部负电荷集中于一点,这一点叫作 重心。正、负电荷重心所带电荷相同但电性相反。在极性分子中,正、负电荷重心 ,因此分子内存在正、负两极,在非极性分子中,正、负电荷重心 ,因此分子内不存在正、负两极。
极性
非极性
正电荷
负电荷
不重合
重合
【微思考4】NH3、CH4、H2O、CO2四种分子中正、负电荷重心重合的是哪些 正、负电荷重心不重合的是哪些
提示 NH3、CH4、H2O、CO2四种分子中正负电荷重心重合的是CH4和CO2,正负电荷重心不重合的是NH3、H2O。
3.双原子分子的极性
对双原子分子来说,键的极性与分子的极性是一致的:化学键 极性,分子就 极性;反之,化学键 极性,分子也 极性。
4.多原子分子的极性
多原子分子的极性除了与键的 有关外,还与分子的 有关:
有
有
无
无
极性
空间结构
非极性
非极性
极性
5.“相似相溶”原理
是经验规律。有例外,如CO、NO等为极性分子但难溶于水
分子的极性会影响分子的性质。在相对分子质量相同的情况下,极性分子比非极性分子有 的沸点。极性分子易溶于 溶剂,如氨、乙醇等极性分子 溶于水;非极性分子易溶于 溶剂,这就是我们常说的“ ”原理中的一种类型。如油脂、石油的成分难溶于水,而溶于 或 的溶剂。
更高
极性
易
非极性
相似相溶
非极性
极性较小
自我检测
1.正误判断:
(1)CH4分子是面对称。( )
(2)NH3和H2O分子是面对称。( )
(3)由极性键构成的分子都是极性分子。( )
(4)双原子单质分子都是非极性分子。( )
√
×
×
√
2.下列叙述正确的是( )
A.含有非极性键的分子一定是非极性分子
B.非极性分子中一定含有非极性键
C.由极性键形成的双原子分子一定是极性分子
D.分子的极性只与键的极性有关
C
解析 含有非极性键的分子不一定是非极性分子,如H2O2;非极性分子中不一定含有非极性键,如CH4、CO2均是只含有极性键的非极性分子;分子的极性除与键的极性有关外,还与分子的空间结构有关。
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问题探究
探究1 分子的手性
观察比较下图所示两种分子的结构:
分析这两种分子在结构上是怎样的关系
提示 它们的相同点是分子组成相同,分子式都是CHFClBr;不同点是在空间上完全不同,它们构成实物与其镜像的关系。
归纳拓展
手性分子
(1)手性同分异构体(又称对映异构体)的两个分子互为镜像关系。
(2)一般情况下,含不对称碳原子的分子称手性分子。
(3)构成生命体的有机化合物绝大多数为手性分子。
应用体验
视角 手性分子的判断
1.如下图中两分子的关系是( )
A.互为同分异构体 B.是同一种物质
C.是手性分子 D.互为同系物
B
解析 本题很容易看成为镜面对称结构而选择手性分子,但根据手性分子的判断方法,根本找不到不对称碳原子,所以不是手性分子;分子组成相同,空间结构相同,是同一种物质。
规律方法 分子是否表现手性的判断
分子表现手性,是因为其含有不对称碳原子。如果一个碳原子所连接的四个原子或基团各不相同,那么该碳原子称为不对称碳原子,用*C来表示。例
如 ,其中R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基团。所以,判
断一种有机化合物分子是否具有手性,就看其含有的碳原子是否连有四个不同的原子或基团。
2.下列化合物中含有不对称碳原子的是( )
D
3.下列分子属于手性分子的是( )
B
解析 B项分子中的一个碳原子连—CH3、—Cl、—OH、—CH2CH3四种不同的原子和原子团,该碳原子属于不对称碳原子,该分子属于手性分子。
问题探究
探究2 分子的极性
1.在一酸式滴定管中加入四氯化碳,打开活塞,将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近四氯化碳液流,在另一酸式滴定管中加入蒸馏水,打开活塞,并将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近水液流。
(1)你会观察到什么现象
(2)你会得到什么结论 原因是什么
提示 (1)四氯化碳液流方向不变,水流方向发生改变。
(2)四氯化碳液流与橡胶棒无电性作用,水流与橡胶棒之间有电性作用。因为四氯化碳是非极性分子,分子中无正极和负极之分;水分子是极性分子,水分子中存在带正电荷的正极和带负电荷的负极。
2.极性分子中一定含有极性键,一定不含非极性键吗
3.非极性分子中一定含有非极性键吗
提示 极性分子中一定含有极性键,可能含有非极性键。
提示 不一定。分子结构对称时,可能含有极性键,而不含有非极性键。
归纳拓展
1.分子极性的判断方法
2.常见的极性分子和非极性分子
应用体验
视角 分子的极性判断
1.在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2、BF3分子中:
(1)以非极性键结合的非极性分子是 ;
(2)以极性键结合的具有直线形结构的非极性分子是 ;
(3)以极性键结合的具有正四面体形结构的非极性分子是 ;
(4)以极性键结合的具有三角锥形结构的极性分子是 ;
(5)以极性键结合的具有sp3杂化轨道结构的分子是 ;
(6)以极性键结合的具有sp2杂化轨道结构的分子是 。
答案 (1)N2
(2)CS2
(3)CH4
(4)NH3
(5)NH3、H2O、CH4
(6)BF3
解析 HF是含有极性键的双原子分子,为极性分子;H2O中氧原子采取sp3杂化,氧原子与氢原子形成极性键,为极性分子;NH3中氮原子采取sp3杂化,与氢原子形成极性键,为三角锥形的极性分子;CS2与CO2相似,是由极性键形成的直线形非极性分子;CH4中碳原子采取sp3杂化,与氢原子形成极性键,为正四面体形的非极性分子;N2是由非极性键结合的非极性分子;BF3中硼原子采取sp2杂化,与F形成极性键,为非极性分子。
规律方法 判断ABn型分子极性的经验规律
(1)若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数,则为非极性分子,若不等则为极性分子。
(2)若中心原子有孤电子对,则为极性分子;若无孤电子对,则为非极性分子。如CS2、BF3、SO3、CH4为非极性分子;H2S、SO2、NH3为极性分子。
2.下列各组分子属于含有非极性键的非极性分子的是( )
A.CO2、H2S B.C2H4、CH4
C.Cl2、C2H2 D.NH3、HCl
C
3.(1)写出H2O、NH3、CH4、CS2的电子式。
(2)通过上述分子的电子式分析分子的极性与中心原子的成键情况有何规律
(3)指出下列各组分子的极性和空间结构:
①OF2 ;
BeF2 。
②PF3 ;
BF3 。
③CF4 ;
SiF4 。
(2)中心原子最外层电子全部参与成键且结合同一种原子时,形成的分子为非极性分子,中心原子含有孤电子对时,形成的分子为极性分子。
(3)①极性分子、角形 非极性分子、直线形
②极性分子、三角锥形 非极性分子、三角形
③非极性分子、正四面体形 非极性分子、正四面体形
解析 (3)①OF2为角形结构,两个氟原子不是对称地分布在中心原子O的周围,整个分子的正、负电荷重心不重合,是极性分子。而BeF2是直线形结构,两个氟原子对称地分布在中心原子Be的周围,整个分子的正、负电荷重心重合,是非极性分子。②PF3为三角锥形结构,是极性分子。BF3为三角形结构,是非极性分子。③CF4为正四面体形结构,是非极性分子。SiF4为正四面体形结构,是非极性分子。(共53张PPT)
章 末 整 合
章末·知识网络
考点·专项突破
目 录 索 引
章末·知识网络
考点·专项突破
考点一 共价键的“四大要点”解读
例1 M、N、X、Y四种短周期主族元素在元素周期表中的相对位置如下图所示,已知它们的原子序数总和为46。
(1)M与Y形成的化合物中含 (填“极性”
或“非极性”,下同)键,属于 分子。
(2)N元素形成的单质分子中的化学键类型及数目是 (填“σ键”或“π键”及其数目)。
(3)由N、Y的氢化物相互作用所生成的物质的电子式为 。其中的化学键有 。
(4)写出M单质与X元素最高价氧化物对应的水化物反应的化学方程式:
。
M N
X Y
答案 (1)极性 非极性
(2)一个σ键、两个π键
解析 设M的质子数是x,则N的质子数是x+1,X的质子数是x+10,Y的质子数是x+11,4x+22=46,x=6,四种元素分别是C、N、S、Cl。M与Y形成化合物CCl4,分子中化学键是极性键,属于非极性分子。N2分子中有一个σ键、两个π键。碳与浓硫酸在加热条件下反应生成CO2、SO2和H2O。
总结提升 1.共价键的类型
(1)根据共用电子对是否偏移,共价键分为极性键和非极性键。
(2)根据共用电子对数,共价键分为单键、双键和三键。
(3)根据原子轨道的重叠方式不同,可分为σ键(头碰头重叠)和π键(肩并肩重叠)。
2.共价键的特征
(1)共价键的饱和性。
①按照共价键的共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋状态相反的电子配对成键,这就是共价键的“饱和性”。氢原子、氯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共价键的饱和性决定了共价化合物的分子组成。
(2)共价键的方向性。
①共价键形成时,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,电子在两核间出现概率越大,形成的共价键越牢固。电子所在的原子轨道都有一定的形状,所以要取得最大重叠,共价键必然有方向性。
②共价键的方向性决定了分子的空间结构。
3.共价键存在范围
(1)非金属单质分子(稀有气体除外)。如:O2、F2、H2、C60等。
(2)非金属元素形成的化合物。如:H2SO4、CO2、H2O2、有机化合物分子等。
(3)某些金属与非金属形成的化合物。如:BeCl2、AlCl3等。
(4)部分离子化合物。如:Na2O2、NaOH、Na2SO4、NH4Cl等。
【针对训练1-1】
设NA表示阿伏加德罗常数的值,则下列说法正确的是( )
A.1 mol NH3分子中含有3NA个σ键和4NA个sp3杂化轨道
B.1 mol CO2分子中含有2NA个σ键和2NA个sp2杂化轨道
C.1 mol C2H2分子中含有2NA个σ键、2NA个π键
D.1 mol C2H4分子中含有4NA个σ键、2NA个π键
A
解析 CO2分子中碳原子发生sp杂化,选项B不正确;碳碳三键是由1个σ键和2个π键构成的,乙炔分子中含有1个碳碳三键和2个C—H键,所以选项C不正确;碳碳双键是由1个σ键和1个π键构成的,乙烯分子中含有1个碳碳双键和4个C—H键,因此选项D不正确。
【针对训练1-2】
从实验测得不同物质中氧氧之间形成化学键的键长和键能的数据:
其中x、y的键能数据尚未测定,但可根据规律性推导键能的大小顺序为w>z>y>x;该规律性是( )
A.成键的电子数愈多,键能愈大 B.键长愈短,键能愈大
C.成键所用的电子数愈少,键能愈小 D.成键时电子对愈偏移,键能愈大
B
考点二 化学键的比较
例2 下列现象与化学键有关的是( )
A.F2、Cl2、Br2、I2的熔点依次升高
B.H2O的沸点远高于H2S的沸点
C.H2O在高温下难分解
D.干冰升华
C
解析 A项,卤素单质分子间存在范德华力,且随相对分子质量的增大,范德华力也增大,单质的熔点也就越高;B项,由于H2O分子间存在氢键,所以H2O的沸点要比H2S的高;C项,由于H—O键的键能很大,在较高温度时也难断裂,所以水分子很稳定,与共价键有关;D项,CO2分子间通过范德华力结合在一起,在升华时需要克服范德华力,而CO2分子内的化学键并没有断裂。
规律方法 化学键的比较
类型 离子键 非极性键 极性键 配位键 金属键
本质 阴、阳离子间通过静电作用形成 相邻原子间通过共用电子对(电子云重叠)与原子核间的静电作用形成 金属阳离子与自由电子间作用
成键条件 (元素种类) 成键原子的得、失电子能力差别很大(一般是金属元素与非金属元素之间) 成键原子得、失电子能力相同(一般是同种非金属元素之间) 成键原子得、失电子能力差别较小(大多存在于不同种非金属元素之间,少数存在于金属与非金属元素之间、同种非金属元素之间) 成键原子一方有孤电子对(配体),另一方有可接受孤电子对的空轨道(中心原子或离子) 同种金属或不同金属(合金)
类型 离子键 非极性键 极性键 配位键 金属键
特征 无方向性、饱和性 一般有方向性、饱和性 无方向性、饱和性
存在 离子化合物 单质(如H2),共价化合物(如H2O2),离子化合物 (如Na2O2) 共价化合物(如HCl),离子化合物 (如NaOH),配位化合物{如 [Cu(NH3)4]SO4} 配位化合物如{[Ag(NH3)2]Cl} 金属单质、合金
影响强 弱的 因素 一般阴、阳离子电荷愈多,半径愈小,离子键愈强 — 成键原子电负性差值愈大,键的极性愈强;键能愈大,键长愈短,共价键愈牢固 — 金属阳离子半径愈小,自由电子愈多,金属键愈强
【针对训练2】
下列有关化学键的叙述,正确的是( )
A.离子化合物中一定含有离子键
B.单质分子中均不存在化学键
C.含有极性键的分子一定是极性分子
D.含有共价键的化合物一定是共价化合物
A
解析 离子化合物中一定含有离子键,A项正确;稀有气体分子中不存在化学键,其他非金属单质分子中存在化学键,B项错误;含有极性键且分子结构不对称的分子是极性分子,结构对称的是非极性分子,如CO2分子含有极性键,但属于非极性分子,C项错误;含有共价键的化合物可能是共价化合物(如HCl),也可能是离子化合物(如NH4Cl),共价化合物是只含有共价键的化合物,D项错误。
考点三 杂化轨道类型的判断方法
例3 (1)[2022河北卷,17节选] 的空间结构为 ,其中心离子杂化方式为 。
(2)[2022全国甲卷,35节选]CF2═CF2和ETFE[乙烯(CH2═CH2)与四氟乙烯
(CF2═CF2)的共聚物]分子中C的杂化轨道类型分别为 和
;聚四氟乙烯的化学稳定性高于聚乙烯,从化学键的角度解释原因: 。
(3)[2022湖南卷,18节选]科学家近期合成了一种固氮酶模型配合物,该物质可以在温和条件下直接活化H2,将N3-转化为 ,反应过程如图所示:
①产物中N原子的杂化轨道类型为 ;
②与 互为等电子体的一种分子为 (填化学式)。
(4)[2021全国乙卷,35节选][Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2+中配体分子NH3、H2O以及分子PH3的空间结构和相应的键角如图所示。
PH3中P的杂化类型是 。H2O的键角小于NH3的,分析原因:
。
答案 (1)三角锥形 sp3
(2)sp2 sp3 C—F键键能比C—H键键能大而不易断裂
(3)①sp3杂化 ②H2O(或H2S、H2Se,合理即可)
(4)sp3 NH3中N原子含有1对孤电子对,H2O中O原子含有2对孤电子对,H2O中的孤电子对对成键电子对的排斥作用较大
解析 (1) 中Sn2+的孤电子对数为 ×(4+1-3×1)=1,成键电子对数为3,所以价层电子对数为4,空间结构为三角锥形,中心离子杂化方式为sp3杂化。
(2)CF2═CF2中的碳原子形成一个双键和两个单键,故其杂化轨道类型为sp2;CH2═CH2与CF2═CF2的共聚物为 CH2CH2CF2CF2 ,分子中的碳原子形成四个单键,故其杂化轨道类型为sp3。C—F键键能比C—H键键能大而不易断裂,所以聚四氟乙烯比聚乙烯的化学稳定性高。
(3)①该产物中N与周围原子形成四个共价键,杂化方式为sp3;② 中含有3个原子,价电子总数为8,与其互为等电子体的分子有H2O、H2S、H2Se等。
(4)PH3中P原子的价层电子对数是4,采取sp3杂化;由于NH3中N原子含有1对孤电子对,而H2O中O原子含有2对孤电子对,孤电子对越多对成键电子对的斥力越大,因此H2O的键角小于NH3的键角。
规律方法 中心原子杂化轨道类型的判断
(1)根据分子或离子的空间结构判断。
(2)根据价电子对互斥理论判断。
根据价电子对互斥理论能够比较容易而准确地判断ABm型共价分子或离子的空间结构和中心原子杂化轨道类型,其关系如下表。
中心原子价电子对数 杂化轨道空间结构 中心原子杂化轨道类型
2 直线形 sp
3 三角形 sp2
4 正四面体形 sp3
运用该理论的关键是准确计算中心原子的价电子对数,其计算方法如下:
中心原子价电子对数=σ键电子对数+孤电子对数=σ键电子对数+
(3)应用等电子原理判断。
等电子体具有相同的结构特征,一般来说,等电子体的中心原子的杂化类型相同。对于结构模糊或复杂的分子、离子,可将其转化成熟悉的等电子体,然后进行判断。常见的等电子体往往是同族不同元素或同周期相近元素构成的微粒。
(4)根据共价键类型判断。
从杂化轨道理论可知,原子之间成键时,未杂化轨道形成π键,杂化轨道形成σ键。对于能够明确结构式的分子、离子,可直接用下式判断其中心原子的杂化轨道类型:杂化轨道数n=中心原子的σ键数+中心原子的孤电子对数(双键、三键中只有一个σ键,其余均为π键)。
①SiF4分子中硅原子杂化轨道类型的分析:基态硅原子有四个价电子,与四个氟原子恰好形成四个σ键,无未成键电子,n=4,则SiF4分子中硅原子采用sp3杂化。
②基态碳原子有四个价电子,在HCHO分子中,碳原子与两个氢原子形成两个σ键,与氧原子形成C═O键,C═O键中有一个σ键、一个π键,碳原子无未成键电子,n=3,则HCHO分子中碳原子采用sp2杂化。
③三聚氰胺(结构简式如图所示)中有两种环境的氮原子,环外
氮原子分别形成三个σ键,用去基态氮原子五个价电子中的三
个,余下一对孤电子对,n=4,则环外氮原子采用sp3杂化;环内氮
原子分别形成两个σ键、一个π键,用去基态氮原子五个价电子
中的三个,余下一对孤电子对,n=3,则环内氮原子采用sp2杂化。
(5)应用取代法判断。
以中学常见的、熟悉的基础物质分子为原型,用其他原子或原子团取代原型分子中的部分原子或原子团,得到的新分子的中心原子与原型分子对应的中心原子的杂化轨道类型相同。如:
①CH3CH═CH2可看成乙烯基取代了甲烷分子中的一个氢原子,则甲基碳原子采用sp3杂化,也可看成甲基取代了乙烯分子中的一个氢原子,故两个不饱和碳原子均采用sp2杂化。
②(CH3)3N可看成三个甲基取代了NH3分子中的三个氢原子,所以其分子中氮原子采用sp3杂化。
③H2O2可看成羟基取代了H2O分子中的一个氢原子,故H2O2中氧原子应采用sp3杂化。
④B(OH)3可看成三个羟基取代了BF3中的氟原子,可知B(OH)3中硼原子采用sp2杂化。
【针对训练3-1】
甲醛分子的结构式如图所示,用两个Cl取代甲醛分子中的H可得到二氯甲醛,下列描述正确的是( )
A.甲醛分子中有四个σ键
B.二氯甲醛分子中的碳原子采取sp3杂化
C.甲醛分子中的H—C—H键角与二氯甲醛分子中的Cl—C—Cl键角相等
D.二氯甲醛分子的空间结构为三角形,分子中存在一个π键
D
解析 甲醛分子中有三个σ键,A不正确;二氯甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化,B不正确;根据价电子对互斥理论可知,二氯甲醛分子中的氯原子有三对孤电子对,孤电子对对成键电子对有更强的排斥作用,所以,甲醛分子中的H—C—H键角与二氯甲醛分子中的Cl—C—Cl键角不相等,C不正确;二氯甲醛分子的空间结构为三角形,碳与氧形成的双键中有一个是π键,D正确。
【针对训练3-2】
乙烯分子中含有四个C—H键和一个C═C键,6个原子在同一平面上。下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是( )
①每个碳原子的2s轨道与2p轨道杂化形成两个sp杂化轨道
②每个碳原子的2s轨道与两个2p轨道杂化,形成三个sp2杂化轨道
③每个碳原子的2s轨道与三个2p轨道杂化形成四个sp3杂化轨道
④每个碳原子的三个价电子占据三个杂化轨道,一个价电子占据一个2p轨道
A.①③ B.②④
C.①④ D.②③
B
解析 乙烯分子中每个碳原子与另一个碳原子和两个氢原子成键,必须形成三个σ键,六个原子在同一平面上,则键角为120°,为sp2杂化,形成三个sp2杂化轨道,一个价电子占据一个2p轨道,两个碳原子成键时形成一个π键。
【针对训练3-3】
指出下列原子的杂化轨道类型及分子或离子的空间结构。
(1)BCl3中的B采用 杂化,空间结构为 。
(2) 中的N采用 杂化,空间结构为 。
答案 (1)sp2 三角形
(2)sp2 角形
解析 (1)BCl3:B采用sp2杂化,三个杂化轨道分别与三个Cl形成σ键,没有孤电子对,分子空间结构为三角形。
(2) :N采用sp2杂化,其中两个杂化轨道分别与两个O形成σ键,另一个杂化轨道有一对孤电子对,离子空间结构为角形。
考点四 分子或离子的空间结构及判断方法
例4 价电子对互斥理论可用于预测简单分子或离子的空间结构。请回答下列问题:
(1)利用价电子对互斥理论推断下列分子或离子的空间结构:
SeO3 ;SCl2 ;
HCHO ;HCN 。
(2)利用价电子对互斥理论推断键角的大小:
①甲醛中H—C—H的键角 (填“>”“<”或“=”,下同)120°;
②SnBr2分子中Br—Sn—Br的键角 120°;
③PCl3分子中,Cl—P—Cl的键角 109°28'。
(3)有两种活性反应中间体微粒,它们的微粒中均含有1个碳原子和3个氢原子。请依据下面给出的这两种微粒的球棍模型,写出相应的微粒符号:
A: 。B: 。
(4)按要求写出第2周期非金属元素形成的中性分子的化学式:
平面三角形分子 ,三角锥形分子 ,四面体形分子 。
答案 (1)三角形 角形 直线形 三角形 三角形 直线形
(2)①< ②< ③<
(3)
(4)BF3 NF3 CF4
形;HCHO分子中有一个C═O键,看作1对成键电子对,两个C—H单键为两对成键电子对,碳原子的价电子对数为3,且无孤电子对,所以HCHO分子的空间结构为三角形;HCN分子的结构式为H—C≡N,含有一个C≡N键,看作一对成键电子对,一个C—H单键为一对成键电子对,故碳原子的价电子对数为2,且无孤电子对,所以HCN分子的空间结构为直线形。
(2)甲醛为平面形分子,由于C═O键与C—H键之间的排斥作用大于两个C—H键之间的排斥作用,所以甲醛分子中C—H键与C—H键的夹角小于120°。SnBr2分子中,锡原子的价电子对数目是2+ ×(4-2×1)=3,成键电子对数为2,孤电子对数为1,故SnBr2空间结构为角形,键角<120°。PCl3分子中,P的价电子对数为3+ ×(5-3×1)=4,含有一对孤电子对,由于孤电子对与P—Cl键的排斥作用大于P—Cl键之间的排斥作用,所以Cl—P键与Cl—P键之间的键角小于109°28'。
(3)AB3型微粒,中心原子无孤电子对的呈三角形,有孤电子对的呈三角锥形,所以A、B分别是 。
(4)第2周期的五种非金属元素B、C、N、O、F构成的中性分子中,平面三角形分子为BF3,三角锥形分子为NF3,四面体形分子为CF4。
规律方法 分子或离子空间结构的判断方法
(1)用价电子对互斥理论判断。
价电子对互斥理论说明的是价电子对的空间结构,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,分子的空间结构与价电子对互斥理论一致。
②当中心原子有孤电子对时,分子的空间结构与价电子对互斥理论不一致。
(2)用杂化轨道理论判断。
杂化 类型 杂化轨 道数目 杂化轨道 间夹角 分子空 间结构 实例
sp 2 180° 直线形 BeCl2、CH≡CH
sp2 3 120° 三角形 BF3、BCl3
sp3 4 109°28' 四面体形 CH4、CCl4、CH3Cl
(3)根据键角及分子的极性判断。
分子类型 分子的空间结构 键角 键的极性 分子极性 实例
A2 直线形(对称) — 非极性键 非极性 H2、O2、N2等
AB 直线形(不对称) — 极性键 极性 HX、CO、NO等
ABA 直线形(对称) 180° 极性键 非极性 CO2、CS2等
角形(不对称) — 极性键 极性 H2O、H2S等
AB3 三角形(对称) 120° 极性键 非极性 BF3、SO3等
三角锥形(不对称) — 极性键 极性 NH3、PCl3等
AB4 正四面体形(对称) 109°28' 极性键 非极性 CH4、CCl4等
(4)根据等电子原理判断。
通常情况下,等电子体的空间结构相同,如SO2与O3均为角形,CH4与 均为正四面体形。常见的等电子体及其空间结构如表所示:
【针对训练4-1】
价电子对互斥模型指的是价电子对的空间结构。根据杂化轨道理论和价电子对互斥理论,判断下列分子或者离子的中心原子杂化方式、价电子对互斥模型及空间结构均正确的是( )
选项 分子或离子 中心原子杂化方式 价电子对 互斥模型 分子或离子
的空间结构
A SO2 sp 直线形 直线形
B HCHO sp2 三角形 三角锥形
C NF3 sp2 四面体形 三角形
D sp3 正四面体形 正四面体形
D
解析 SO2中心原子杂化方式为sp2杂化,价电子对互斥模型呈三角形,分子的空间结构为角形,A项错误;HCHO中心原子杂化方式为sp2杂化,价电子对互斥模型呈三角形,分子的空间结构为三角形,B项错误;NF3中心原子杂化方式为sp3杂化,价电子对互斥模型呈四面体形,分子的空间结构为三角锥形,C项错误。
【针对训练4-2】
下列离子用价电子对互斥理论预测的空间结构与其实际的空间结构一致的是( )
B
考点五 判断分子极性的方法
例5 下列各组分子中,都是由极性键构成的极性分子的一组是( )
A.CH3Cl和Cl2 B.NH3和H2O
C.H2S与CS2 D.CO2与HI
B
解析 A中Cl2是由非极性键构成的非极性分子;C中CS2是由极性键构成的非极性分子;D中CO2是由极性键构成的非极性分子。
规律方法 判断分子极性的方法
判断一个分子是否有极性,不能仅由键的极性判断,应结合分子的空间结构综合判断。分子的极性可以从以下几方面来判断。
(1)看化学键类型。
只由非极性键构成或不含共价键的分子一定是非极性分子;只含有极性键的分子可能是极性分子也可能是非极性分子;含有非极性键的分子也可能是极性分子;极性分子一定含有极性键,也可能含有非极性键。
(2)看键角。
以极性键结合的多原子分子中,有些属于极性分子,有些属于非极性分子,这取决于分子中各化学键的空间排列,而键角是决定分子空间结构的因素之一。三原子分子CO2、CS2及四原子分子C2H2,虽然都含有极性键,但分子中键角均为180°,因此电荷分布完全对称,所以是非极性分子。而同样是三原子分子的H2O、H2S、HCN等分子,由于电荷分布不对称,都是极性分子。
(3)看分子的对称性。
如CH4分子的正四面体形和BF3分子的正三角形都是完全对称的空间结构,虽然分子中的化学键有极性,但分子空间结构从整体看是对称的,键的极性相互抵消,分子没有极性。而CHCl3、NH3等分子因分子空间结构不对称而成为极性分子。
(4)看化合价。
分子内中心原子的化合价绝对值(或可理解为共价单键数目,一个双键看成两个单键)等于其主族序数(即最外层电子数)时,分子为非极性分子,如BF3、CH4、CO2、PCl5、SiCl4、SO3、BeCl2等均为非极性分子,其他的如NO2、CO、SO2、NH3、NF3等为极性分子。
(5)看孤电子对。
分子内中心原子的最外层无孤电子对(非共用电子对)时,分子为非极性分子,如CO2、CS2、BeCl2、CCl4、BCl3、PCl5等均为非极性分子。另外,上述分子中除了BeCl2、BCl3、PCl5分子外,其余的分子中所有成键原子的最外层均达到8个电子的稳定结构。
而BeCl2分子中的Be原子最外层只有4个电子,BCl3分子中的B原子最外层只有6个电子,PCl5分子中P原子的最外层电子肯定超过8个,但它们都能稳定存在,说明原子通过得、失电子或共用电子对而达到稳定结构时不一定都要满足最外层2个电子或8个电子的饱和结构。
【针对训练5-1】
下列关于粒子结构的描述不正确的是( )
A.H2S和NH3是中心原子价电子总数为8的极性分子
B.HS-和HCl均是含有一个极性键的18电子粒子
C.CH2Cl2和CCl4均是四面体形的非极性分子
D.1 mol 中含中子、质子、电子各10NA(NA代表阿伏加德罗常数的值)
C
解析 H2S、NH3的价电子总数都为8,H2S为角形分子,NH3为三角锥形分子,故二者都为极性分子,A项正确;不同元素间所形成的共价键为极性键,显然HS-、HCl均含有18电子,B项正确;CH2Cl2和CCl4均是四面体形,但因CH2Cl2正负电荷的重心不能重合,为极性分子,故C项不正确;1个 分子中含中子、质子、电子各10个,D项正确。
【针对训练5-2】
关于CS2、SO2、NH3三种物质的说法正确的是( )
A.CS2在水中的溶解度很小,是由于其属于极性分子
B.SO2和NH3均易溶于水,原因之一是它们都是极性分子
C.CS2为非极性分子,所以在三种物质中熔、沸点最低
D.NH3在水中溶解度很大只是由于NH3分子为极性分子
B
解析 根据“相似相溶”原理,水是极性分子,CS2是非极性分子,SO2和NH3都是极性分子,故A错误、B正确;由于CS2常温下是液体,SO2和NH3常温下是气体,故C错误;NH3在水中溶解度很大,除了NH3分子为极性分子外,还因为NH3分子和H2O分子之间可形成氢键,故D错误。(共24张PPT)
微专题2 分子(或离子)空间结构与杂化轨道理论
专题阐释
1.分子(或离子)空间结构的判断
判断分子(或离子)的空间结构时,要能够正确计算价电子对数:一是运用计算式推导出孤电子对数;二是看σ键电子对数。如下表:
价电 子对数 杂化 类型 σ键电 子对数 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 平面三角形 平面三角形 BF3
2 1 角形 SnBr2
4 sp3 4 0 四面 体形 正四面体形 CH4
3 1 三角锥形 NH3
2 2 角形 H2O
例1 (1)利用VSEPR理论推断分子或离子的空间结构。
(2)四硫氰基二氨络铬酸铵的结构如图所示。
①阳离子的空间结构为 ;NH3的空间结构为 。
②SCN-中碳原子的杂化方式为 。
(3)BF3和NF3都是四原子分子,BF3的中心原子是 (填元素符号,下同),NF3的中心原子是 ;BF3分子的空间结构是平面三角形而NF3分子的空间结构是三角锥形,其原因是 。
答案 (1)正四面体形 直线形 平面三角形
(2)①正四面体形 三角锥形 ②sp
(3)B N BF3分子中B原子的3个价电子都与F原子形成共价键,无孤电子对,呈平面三角形,而NF3分子中N原子的3个价电子与F原子形成共价键,还有1对未成键的孤电子对,占据了N原子周围的空间,参与相互排斥,形成三角锥形结构
解析 (1) 属于AB4型,成键电子对数是4,孤电子对数为0,呈正四面体形;
CS2属于AB2型,成键电子对数是2,孤电子对数为0,呈直线形;
BCl3属于AB3型,成键电子对数是3,孤电子对数为0,呈平面三角形。
(3)BF3分子的中心原子为B原子,其中B原子的3个价电子都与F原子形成共价键,无孤电子对,呈平面三角形;而NF3分子的中心原子N原子的3个价电子与F原子形成共价键,还有1对未成键的孤电子对,占据了N原子周围的空间,参与相互排斥,形成三角锥形结构。
2.键角的判断与比较
含有共价键的物质中相邻两键之间的夹角称为键角。键角是决定物质分子空间结构的主要因素之一。在高中阶段学习中,影响键角大小的因素主要有三:一是中心原子的杂化轨道类型;二是中心原子的孤电子对数;三是中心原子的电负性大小。
(1)一般情况下,应该先从中心原子的杂化轨道类型入手。中心原子杂化轨道类型不同的粒子,键角大小为sp杂化>sp2杂化>sp3杂化,如键角:CH≡CH>CH2═CH2>CH4。
(2)中心原子杂化方式相同的粒子,由于斥力:孤电子对与孤电子对之间>孤电子对与成键电子对之间>成键电子对与成键电子对之间,孤电子对数越多,对成键电子对的斥力越大,键角越小。如键角:CH4>NH3>H2O。
(3)中心原子杂化方式相同且孤电子对数目也相同,利用中心原子的电负性大小比较键角大小。如H2O、H2S中,中心原子均为sp3杂化,分子空间结构均为角形,由于电负性:O>S,吸引电子的能力:O>S,且键长:O—HH2S(92.3°)。
(4)同一粒子中不同共价键的键角,由于斥力:双键间>双键与单键间>单键
间,则键角大小不同。如甲醛中: ,键角:α>β。
例2 请回答下列问题。
(1)BF3中键角 (填“大于”或“小于”)CCl4中键角。
(2)乙酸分子( )中的键角1 (填“大于”“等于”或“小于”)键角2,原因是 。
答案 (1)大于
(2)大于 C═O对C—C的斥力大于C—O对C—C的斥力
解析 (1)BF3分子的空间结构为平面三角形,键角为120°;CCl4分子的空间结构为正四面体形,键角为109°28'。(2)由于双键对单键的斥力大于单键对单键的斥力,故乙酸分子中的键角1大于键角2。
3.spd杂化(高考延伸)
(1)简介
有些元素原子在形成化合物时,除了ns、np轨道发生杂化外,(n-1)d、nd轨道也参与杂化。常见的杂化方式有dsp2、sp3d、sp3d2等,通常存在于过渡元素形成的化合物中。
(2)判断方法
先计算出中心原子的价电子对数,若大于4,一般有d轨道参与杂化,并有相应的空间结构:
价电子对数 4 5 6
杂化类型 dsp2 sp3d sp3d2
价电子对空间结构 平面四边形 三角双锥形 八面体形
注意 不是所有的元素原子均能发生d轨道参与的杂化,例如,由于第2周期元素原子的第二能层不存在d轨道,N与Cl只能通过sp3杂化形成NCl3;而P与Cl既可以通过sp3杂化形成PCl3,也可以通过sp3d杂化形成PCl5。
例3 (1)[2021全国甲卷]SiCl4是生产高纯硅的前驱体,其中Si采取的杂化类型为 。SiCl4可发生水解反应,机理如下:
含s、p、d轨道的杂化类型有:
①dsp2、
②sp3d、
③sp3d2,中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为 (填序号)。
(2)[2021山东卷节选]O、F、Cl电负性由大到小的顺序为 ;
OF2分子的空间结构为 ;Xe是第5周期的稀有气体元素,与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价电子对数为 ,下列对XeF2中心原子杂化方式推断合理的是 (填字母)。
A.sp B.sp2 C.sp3 D.sp3d
答案 (1)sp3 ②
(2)F>O>Cl 角形 5 D
解析 (1)由SiCl4的结构式可知,Si的价电子对数为4,故Si采取sp3杂化;由SiCl4(H2O)的结构式可知,Si的价电子对数为5,故SiCl4(H2O)中Si采取sp3d杂化。
(2)电负性一定程度上相当于得电子能力,半径越小,得电子能力越强,电负性越大,半径由小到大的顺序为F、O、Cl,所以电负性大小顺序为F>O>Cl;
专题精练
1.写出符合下列条件的相应的分子或离子的化学式。
(1)氧原子以sp3杂化轨道形成两个σ键 。
(2)氧原子形成一个π键 。
(3)硼原子以sp2杂化轨道形成三个σ键 。
(4)氮原子形成四个σ键 ;氮原子形成两个π键 。
答案 (1)H2O (2)O2 (3)BF3 (4) N2
解析 形成π键时可以有双键或三键,σ键全为单键;sp3杂化构型为四面体形,
sp2杂化构型为平面三角形。根据以上两点可解此题,答案合理即可。
2.P4S3可用于制造火柴,其分子结构如图所示。
(1)电负性:磷 (填“>”“<”或“=”)硫。
(2)P4S3分子中硫原子的杂化轨道类型为 。
(3)1 mol P4S3分子中孤电子对的数目为 (设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(4)∠S—P—S (填“>”“<”或“=”)109°28'。
答案 (1)< (2)sp3 (3)10NA (4)<
解析 (1)同周期元素的电负性从左往右增强,故电负性:磷<硫。
(2)从P4S3分子结构图中得知,硫原子有2个σ键和2对孤电子对,其杂化轨道类型为sp3杂化。
(3)从P4S3分子结构图中得知,每个S原子有2对孤电子对,每个P原子有1对孤电子对,则1 mol P4S3分子中孤电子对的数目为10NA。
(4)从P4S3分子结构图中得知,P原子有1对孤电子对,孤电子对与成键电子对之间的排斥力大于成键电子对与成键电子对之间的排斥力,故∠S—P—S小于正四面体的夹角,即∠S—P—S<109°28'。
3.已知:①红磷在氯气中燃烧可以生成两种化合物:PCl3和PCl5;氮与氢也可形成两种化合物:NH3和NH5。②PCl5分子中,P原子的1个3s轨道、3个3p轨道和1个3d轨道发生杂化形成5个sp3d杂化轨道;PCl5分子呈三角双锥形
( )。
(1)NH3、PCl3和PCl5分子中,所有原子的最外层电子数都是8的是
(填分子式),该分子的空间结构是 。
(2)有同学认为,NH5与PCl5类似,N原子的1个2s轨道、3个2p轨道和1个2d轨道可能发生sp3d杂化。请你对该同学的观点进行评价: 。
(3)经测定,NH5中存在离子键,N原子的最外层电子数是8,所有氢原子的最外层电子数都是2,则NH5的电子式是 。
答案 (1)PCl3 三角锥形
(2)不对,因为N原子没有2d轨道
4.回答下列问题:
(1)下列微粒中按键角由大到小的顺序排列为 (用编号填写)。
(2)在BF3分子中,F—B—F的键角度数是 。
(3)肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。N2H4分子中氮原子的杂化轨道类型是 ,
N2H4分子中的六个原子 (填“在”或“不在”)同一个平面上。
答案 (1)①④②⑤③ (2)120° (3)sp3 不在
解析 (1)①HCN中的C原子采取sp杂化,键角为180°;②SiF4中Si原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化,键角为109°28';③SCl2中S原子杂化轨道数为4,采取sp3杂化,含有2对孤电子对,分子为角形结构,键角约为105°;④ 中C原子的杂化轨道数为3,所以C原子采取sp2杂化,分子为平面三角形结构,键角为120°;⑤H3O+中O原子的杂化轨道数为4,所以O原子采取sp3杂化,O原子上含有1对孤电子对,分子为三角锥形结构,键角约为107°。所以各微粒按键角由大到小的顺序排列为①④②⑤③。(2)在BF3分子中,中心原子B原子价电子对数为3,是sp2杂化,分子呈平面三角形结构,F—B—F的键角度数是120°。(3)N2H4分子中,每个N原子形成3个σ键,N原子上有1对孤电子对,故N原子采取sp3杂化;1个N原子和与其相连的2个H原子及另外1个N原子形成类似NH3的三角锥形结构,故六个原子不可能共面。
5.(1)钒(V)固氮酶种类众多,其中一种结构如图甲所示:
①配体CH3CN中碳的杂化类型为 ,
所含σ键与π键数目之比为 。
②该物质中V的杂化方式最可能为
(填字母)。
A.sp2杂化 B.sp3杂化
C.sp3d杂化 D.sp3d2杂化
(2)[N5]+[AsF6]-是一种全氮阳离子形成的高能物质,其结构如图乙所示,其中阳离子中N原子的杂化轨道类型为 ,阴离子中As的杂化方式为 。
答案 (1)①sp3、sp 5∶2 ②D
(2)sp、sp2 sp3d2
解析 (1)①—CH3中C原子的杂化类型为sp3,—CN中C原子的杂化类型为sp;
CH3CN的结构式为 ,σ键和π键物质的量之比为5∶2。
②由图甲知,V与周围6个原子形成6个σ键,成键原子间只能形成1个σ键,且杂化轨道数等于价电子对数,该物质中V的价电子对数为6,因此V的杂化类型为sp3d2杂化,故D正确。
(2)由图乙知,形成一个双键的N原子除形成σ键、π键外,还存在孤电子对,采用sp2杂化;形成三键的2个氮原子和形成2个双键的氮原子,采取sp杂化,故N原子的杂化轨道类型为sp、sp2。阴离子中As的价电子对数为6,所以杂化方式为sp3d2。
