(共35张PPT)
第二单元 配合物的形成和应用
专题4
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
课标定位、素养阐释
1.认识简单配位化合物的成键特征,能正确运用化学符号描述配合物的组成。
2.学会简单配合物的实验制备,能联系配合物的组成和结构解释相关的实验现象。
3.认识生命体中配位化合物的功能,列举配合物在药物开发和催化剂研制等领域的重要应用。
自主预习 新知导学
一、配合物的形成
1.按表中实验操作步骤完成实验,并填写下表:
(1)写出上述实验中反应的离子方程式:
Cu2++2NH3·H2O Cu(OH)2↓+2N ,
Cu(OH)2+4NH3·H2O [Cu(NH3)4]2++2OH-+4H2O。
(2)[Cu(NH3)4]2+(配离子)的形成:氨分子中氮原子的 孤电子对 进入Cu2+的 空轨道 ,Cu2+与NH3分子中的氮原子通过 共用氮原子提供的孤电子对 形成配位键。配离子[Cu(NH3)4]2+可表示为(如图所示):
2.配位化合物的概念。
由提供 孤电子对 的分子或离子(称为配位体)与 接受孤电子对 的原子或离子(称为中心原子)以配位键结合形成的化合物。配合物是配位化合物的简称。如[Cu(NH3)4]SO4、[Ag(NH3)2]OH等均为配合物。
3.配合物[Zn(NH3)4]SO4的组成如下图所示:
(1)中心原子是 提供空轨道接受孤电子对 的原子或离子。Fe3+、Ag+、Cu2+、Zn2+等过渡金属离子(或原子)常作为中心原子。
(2)配位体是 提供孤电子对的分子或离子 ,如 H2O、NH3、CO 等含有孤电子对的分子和 F-、Cl-、CN- 等含有孤电子对的离子。
(3)通常配位数是直接与中心原子形成的配位键的数目。如[Fe(CN)6]4-中Fe2+的配位数为 6 。
4.配合物的异构现象。
(1)产生异构现象的原因。
①含有 两种 或 两种以上 配位体。
②配位体 在空间的排列方式 不同。
(2)分类—
(3)异构体的性质:
顺反异构体在颜色、极性、溶解性、活性等方面都有差异。
【自主思考1】 在Fe3+、Cu2+、Zn2+、Ag+、H2O、NH3、F-、CN-、CO中,哪些可以作为中心原子 哪些可以作为配位体
提示：中心原子:Fe3+、Cu2+、Zn2+、Ag+;
配位体:H2O、NH3、F-、CN-、CO。
二、配合物的应用
通过形成配合物的方法检验金属离子:
【自主思考2】 现有两种配合物晶体[Co(NH3)6]Cl3和[Co(NH3)5Cl]Cl2,如何设计实验方案将这两种配合物区别开来
提示：称取相同质量的两种晶体分别配成溶液,向两种溶液中分别滴加足量的AgNO3溶液,静置、过滤、干燥、称量,所得AgCl固体多的晶体为[Co(NH3)6]Cl3,另一种为[Co(NH3)5Cl]Cl2。
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)[Cu(NH3)4]2+中含有配位键、共价键和离子键。( )
(2)任何分子都能形成配位键。( )
(3)N 中配位键与共价键的键能相同。( )
(4)[Ag(NH3)2]OH中的配位数为2,配位原子为N。( )
(5)配位化合物中的配位体可以是分子,也可以是阴离子。( )
×
×
√
√
√
2.下列微粒:①H3O+ ②[B(OH)4]- ③CH3COO- ④NH3 ⑤CH4中,
存在配位键的是( )。
A.①②
B.①③
C.④⑤
D.②④
答案：A
3.完成下表:
答案：Ag+ NH3 NH3 Ag+ Al3+ F- F- Al3+
合作探究 释疑解惑
探究任务1
金属晶体的结构与性质
【问题引领】
1.NH3和BF3可以通过配位键形成NH3·BF3,试分析提供孤电子对、空轨道的分别是哪种原子 你能写出NH3·BF3的结构式吗
提示：N原子提供孤电子对,B原子提供空轨道,NH3·BF3的结构式可表示为 。
2.配制银氨溶液时,向AgNO3溶液中滴加氨水,先生成白色沉淀,后沉淀逐渐溶解,为什么
3.金属铜投入氨水或H2O2溶液中均无明显现象,但投入氨水与H2O2的混合溶液中,则铜片溶解,溶液呈深蓝色,写出该反应的离子方程式。
【归纳提升】
1.配合物价键理论的要点。
(1)中心原子采用杂化轨道成键。
(2)中心原子(M)有杂化后的空轨道;配位体(L)有孤电子对;二者形成配位键M←L。
(3)配合物中内界的空间结构与中心原子的杂化方式、配位数的多少有关。
2.常见配离子的空间结构。
配合物的中心原子、配位体的种类和数目不同,可以形成不同空间结构的配合物。例如,[Ag(NH3)2]+、[Zn(NH3)4]2+、[Ni(CN)4]2-和[AlF6]3-的空间结构都不一样(如图所示)。
3.配合物中的异构现象。
化学组成相同的配合物可以有不同的空间结构,这就是配合物的异构现象。配合物的异构现象主要是指化学组成相同,仅仅由于配位体围绕中心原子的位置不同而产生的结构、性质不同的几何异构体。含有两种或两种以上配位体的配合物,若配位体在空间排列方式不同,就能形成不同几何构型的配合物。
对于配位数为4的配离子[MA2B2]n±,若其空间结构为四面体形,则不存在同分异构现象;若其空间结构为平面四边形,则有两种同分异构体,相同配位体位于邻位的称为“顺式”,相同配位体位于对位的称为“反式”。
【典型例题】
【例题1】 已知Zn2+的4s和4p轨道可以形成sp3杂化轨道,那么[ZnCl4]2-的空间结构为( )。
A.直线形
B.平面正方形
C.正四面体形
D.正八面体形
答案：C
解析：Zn2+的4s和4p轨道形成的4个sp3杂化轨道,与4个Cl-形成4个配位键,所以[ZnCl4]2-的空间结构为正四面体形。
【变式训练1】 回答下列问题。
(1)若BCl3与XYn通过B原子与X原子间的配位键结合形成配合物,则该配合物提供孤电子对的原子是 。
(2)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。肼能与硫酸反应生成N2H6SO4。N2H6SO4晶体类型与硫酸铵相同,则N2H6SO4的晶体内存在 (填字母)。
a.离子键 b.配位键 c.共价键
(3)FeCl3中的化学键具有明显的共价性,蒸气状态下以双聚分子存在的FeCl3的结构式为 ,其中Fe的配位数为 。
答案：(1)X
(2)abc
(3) 4
解析：(1)BCl3分子中的B原子的1个2s轨道和2个2p轨道进行sp2杂化形成3个sp2杂化轨道。B原子还有1个空轨道(未杂化的2p轨道),所以B原子与X形成配位键时,X应提供孤电子对。
【问题引领】
探究任务2
配合物的应用
1.检验Fe3+的存在常选用的物质是什么
提示：KSCN溶液。
2.常用什么物质检验醛基的存在
提示：银氨溶液。
3.常用什么物质将CuSO4和Fe2(SO4)3混合液中CuSO4与Fe2(SO4)3分离开
提示：可用浓氨水,Cu2+转化成[Cu(NH3)4]2+。
【归纳提升】
1.定量分析中的应用。
(1)检验离子的特效试剂:通常利用某试剂与某些金属离子生成有色难溶的配合物,作为检验这些离子的特征反应。
(2)掩蔽剂:多种金属离子共同存在时,要测定其中一种金属离子,由于其他金属离子往往会与试剂发生同类型反应而干扰测定,因此常用配合物来防止杂质离子的干扰。
(3)有机沉淀剂:某些配合物和金属离子在水中形成溶解度极小的配合物沉淀,可以提高分析的精确度。
(4)萃取分离:当金属离子与某有机试剂形成配合物时,一方面由于它不带电,另一方面又由于有机配位体在金属离子的外围且极性极小,具有疏水性,因而难溶于水,易溶于有机溶剂。利用这一性质就可将某些金属离子从水溶液中萃取到有机溶剂中。
2.工业生产中的应用。
(1)湿法冶金:可以用配合物的溶液直接从矿石中把金属浸取出来,再用适当的还原剂还原成金属单质。
(2)分离和提纯:由于制备高纯物质的需要,对于那些性质相近的稀有金属,常利用生成配合物来扩大一些性质上的差别,从而达到分离、提纯的目的。
(3)在生产中,配合物被广泛用于染色、电镀、硬水软化、金属冶炼等领域。如配位化合物在羊毛染色过程中的作用:因羊毛和染料中都含有可与金属离子配位的基团,染色时,金属离子和染料及羊毛之间发生反应,生成体积较大、溶解度小的配合物,使染料坚固地附着在纤维上,从而改变羊毛的颜色。
3.应用于尖端研究领域。
在生命科学、抗癌药物、催化剂研制、激光材料、超导材料等许多尖端领域中,配合物发挥的作用也越来越大。配合物在生命体中有着非常重要的作用。许多酶的作用与其结构中含有形成配合物的金属离子有关。生物体中能量的转换、传递和电荷转移,化学键的形成或断裂以及伴随这些过程中出现的能量变化和分配等,常与金属离子和有机体生成的复杂配合物所起的作用有关。
4.氮的固定。
(1)定义:将大气中游离态氮转化为化合态氮的过程。
(2)模拟生物固氮的两途径:
①设法通过模型化合物的研究,合成生物固氮酶。
②通过过渡金属的N2分子配合物活化N≡N键。
【典型例题】
【例题2】 (双选)实验室测定铁的含量可用络合剂邻二氮菲( ),它遇Fe2+形成红色配合物,结构如下图,下面说法不正确的是( )。
A.邻二氮菲中C和N均采用sp2杂化
B.该红色配离子中中心原子的配位数为6
C.铁与氮之间的化学键为离子键
D.邻二氮菲中所有原子不可能共平面
解析：铁与氮之间的化学键为配位键。
邻二氮菲中所有原子共平面。
CD
【变式训练2】 配合物在许多方面有着广泛的应用。下列叙述不正确的是( )。
A.以Mg2+为中心的大环配合物叶绿素能催化光合作用
B.Fe2+的卟啉配合物是输送O2的血红素
C.[Ag(NH3)2]+是化学镀银的有效成分
D.向溶液中逐滴加入氨水,可除去硫酸锌溶液中的Cu2+
答案：D
解析：D项中Cu2+和NH3可形成[Cu(NH3)4]2+,Zn2+也可和NH3形成[Zn(NH3)4]2+。
课堂小结第二单元 配合物的形成和应用
课后训练巩固提升
基础巩固
1.在[Co(NH3)6]3+中,与中心原子形成配位键的是( )。
A.N原子
B.H原子
C.Co原子
D.N、H两种原子同时
2.下列不是配位化合物的是( )。
A.[Zn(NH3)4]SO4
B.[Ag(NH3)2]NO3
C.CuSO4·5H2O
D.FeCl3
3.下列关于配位化合物的叙述中不正确的是( )。
A.配位化合物中必定存在配位键
B.配位化合物中只有配位键
C.[Cu(H2O)4]2+中的Cu2+提供空轨道,H2O中的氧原子提供孤电子对形成配位键
D.配位化合物在半导体等尖端技术、医学科学、催化反应和材料化学等领域都有着广泛的应用
4.下列组合中,中心原子的电荷数和配位数均相同的是( )。
A.K[Ag(CN)2]、[Cu(NH3)4]SO4
B.[Ni(NH3)4]Cl2、[Cu(NH3)4]SO4
C.[Ag(NH3)2]Cl、K3[Fe(SCN)6]
D.[Ni(NH3)4]Cl2、[Ag(NH3)2]Cl
5.(双选)下列说法错误的是( )。
A.KAl(SO4)2·12H2O属于配合物
B.配合物中的配位体可以是分子,也可以是阴离子
C.配位数为4的配合物均为正四面体形结构
D.[Cu(NH3)2]+中的中心原子的配位数为2
6.(双选)关于化学式为[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O的配合物的下列说法正确的是( )。
A.配位体是Cl-和H2O,配位数是6
B.中心原子是T,配离子是[TiCl(H2O)5]2+
C.内界和外界中Cl-的数目比是1∶2
D.向1 mol该配合物中加入足量AgNO3溶液,可以得到3 mol AgCl沉淀
7.已知Co(Ⅲ)的八面体形配合物的化学式为CoClm·nNH3,若1 mol配合物与AgNO3溶液反应生成1 mol AgCl沉淀,则m、n的值是( )。
A.m=1,n=5
B.m=3,n=4
C.m=5,n=1
D.m=4,n=5
8.配合物Na2[Fe(CN)5(NO)]可用于离子检验,下列说法不正确的是( )。
A.此配合物中存在离子键、配位键、极性键、非极性键
B.配离子为[Fe(CN)5(NO)]2-,中心原子为Fe3+,配位数为6,配位原子有C和N
C.1 mol配合物中σ键数目为12NA
D.该配合物为离子化合物,易电离,1 mol配合物电离共得到3NA个阴、阳离子
9.配位化合物在生产生活中有重要应用,请根据要求回答下列问题。
(1)光谱证实单质铝与强碱性溶液反应有[Al(OH)4]-生成,则[Al(OH)4]-中存在 (填字母)。
a.共价键 b.非极性键 c.配位键 d.σ键 e.π键
(2)Co(NH3)5BrSO4可形成两种钴的配合物,已知Co3+的配位数是6,为确定钴的配合物的结构,现对两种配合物进行了如下实验:在第一种配合物的溶液中加BaCl2溶液时,产生白色沉淀,在第二种配合物的溶液中加BaCl2溶液时,则无明显现象。则第一种配合物的结构可表示为 ,第二种配合物的结构可表示为 。若在第二种配合物的溶液中滴加AgNO3溶液,则产生的现象是 。(提示:TiCl(H2O)5Cl2这种配合物的结构可表示为[TiCl(H2O)5]Cl2。)
能力提升
1.(双选)铂的两种化合物a和b,其中a为,b为。实验测得a和b具有不同的特性:a具有抗癌作用,而b没有。则下列关于a、b的叙述正确的是( )。
A.a和b属于同一种物质
B.a和b互为同分异构体
C.a和b的空间结构是平面四边形
D.a和b的空间结构是四面体形
2.研究含碳化合物的结构与性质,对生产、科研等具有重要意义。
(1)某同学画出基态碳原子的轨道表示式:,该轨道表示式违背了 ;C、—CH3、C都是重要的有机反应中间体。C、C的空间结构分别为 、 。
(2)冠醚是由多个二元醇分子之间失水形成的环状化合物。X、Y、Z是常见的三种冠醚,其结构如图1所示。它们能与碱金属离子作用,并且随着环的大小不同而与不同金属离子作用。
图1
图2
Li+与X的空腔大小相近,恰好能进入X的环内,且Li+与氧原子的一对孤电子对作用形成稳定结构W(如图)。
①冠醚Y能与K+形成稳定结构,但不能与Li+形成稳定结构。
理由是 。
②烯烃难溶于水,被KMnO4水溶液氧化的效果较差。若烯烃中溶入冠醚Z,氧化效果明显提升。
ⅰ.水分子中氧的价电子对分布的几何构型是 ,H—O键键角 (填“>”“<”或“=”)109°28'。
ⅱ.已知:冠醚Z与KMnO4可以发生如图2所示的变化。加入冠醚Z后,烯烃的氧化效果明显提升的原因是 。
第二单元 配合物的形成和应用
课后训练巩固提升
基础巩固
1.在[Co(NH3)6]3+中,与中心原子形成配位键的是( )。
A.N原子
B.H原子
C.Co原子
D.N、H两种原子同时
答案：A
解析：[Co(NH3)6]3+中,中心原子是Co3+,配位原子是N原子。
2.下列不是配位化合物的是( )。
A.[Zn(NH3)4]SO4
B.[Ag(NH3)2]NO3
C.CuSO4·5H2O
D.FeCl3
答案：D
解析：C项实为[Cu(H2O)4]SO4·H2O;过渡金属离子(Zn2+、Ag+、Cu2+)提供空轨道,H2O、NH3提供孤电子对通过配位键形成配合物;FeCl3不属于配合物。
3.下列关于配位化合物的叙述中不正确的是( )。
A.配位化合物中必定存在配位键
B.配位化合物中只有配位键
C.[Cu(H2O)4]2+中的Cu2+提供空轨道,H2O中的氧原子提供孤电子对形成配位键
D.配位化合物在半导体等尖端技术、医学科学、催化反应和材料化学等领域都有着广泛的应用
答案：B
解析：配位化合物中必定存在配位键,但配位化合物中还会含有共价键、离子键等,B项错误。
4.下列组合中,中心原子的电荷数和配位数均相同的是( )。
A.K[Ag(CN)2]、[Cu(NH3)4]SO4
B.[Ni(NH3)4]Cl2、[Cu(NH3)4]SO4
C.[Ag(NH3)2]Cl、K3[Fe(SCN)6]
D.[Ni(NH3)4]Cl2、[Ag(NH3)2]Cl
答案：B
解析：A项中中心原子的电荷数分别是+1和+2,配位数分别是2和4;B项中中心原子的电荷数均是+2,配位数均是4;C项中中心原子的电荷数分别是+1和+3,配位数分别是2和6;D项中中心原子的电荷数分别是+2和+1,配位数分别是4和2。
5.(双选)下列说法错误的是( )。
A.KAl(SO4)2·12H2O属于配合物
B.配合物中的配位体可以是分子,也可以是阴离子
C.配位数为4的配合物均为正四面体形结构
D.[Cu(NH3)2]+中的中心原子的配位数为2
答案：AC
解析：KAl(SO4)2·12H2O属于一般化合物,不含配位体,所以KAl(SO4)2·12H2O不属于配合物,A项错误;配合物是由中心原子和围绕它的称为配位体的分子或离子完全或部分由配位键结合形成的化合物,所以配合物中的配位体可以是分子,也可以是阴离子,B项正确;配位数为4的配合物,一般有平面四边形和四面体形两种不同的空间结构,C项错误;[Cu(NH3)2]+中Cu+的配位数为2,D项正确。
6.(双选)关于化学式为[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O的配合物的下列说法正确的是( )。
A.配位体是Cl-和H2O,配位数是6
B.中心原子是T,配离子是[TiCl(H2O)5]2+
C.内界和外界中Cl-的数目比是1∶2
D.向1 mol该配合物中加入足量AgNO3溶液,可以得到3 mol AgCl沉淀
答案：AC
解析：配合物[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O,配位体是Cl-和H2O,配位数是6,A项正确;中心原子是Ti3+,B项错误;配合物[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O中内界Cl-的个数为1,外界Cl-的个数为2,内界和外界中Cl-的数目比是1∶2,C项正确;加入足量AgNO3溶液,外界Cl-与Ag+反应,内界Cl-不与Ag+反应,故只能生成2molAgCl沉淀,D项错误。
7.已知Co(Ⅲ)的八面体形配合物的化学式为CoClm·nNH3,若1 mol配合物与AgNO3溶液反应生成1 mol AgCl沉淀,则m、n的值是( )。
A.m=1,n=5
B.m=3,n=4
C.m=5,n=1
D.m=4,n=5
答案：B
解析：由1mol配合物与AgNO3溶液反应生成1molAgCl,得知1mol配合物电离出1molCl-,即配离子显+1价、外界有1个Cl-。又因为是Co3+,所以[CoClm-1·nNH3]+中有2个Cl-,m=3。又因为是八面体构型,所以n=6-2=4,配合物为[Co(NH3)4Cl2]Cl。
8.配合物Na2[Fe(CN)5(NO)]可用于离子检验,下列说法不正确的是( )。
A.此配合物中存在离子键、配位键、极性键、非极性键
B.配离子为[Fe(CN)5(NO)]2-,中心原子为Fe3+,配位数为6,配位原子有C和N
C.1 mol配合物中σ键数目为12NA
D.该配合物为离子化合物,易电离,1 mol配合物电离共得到3NA个阴、阳离子
答案：A
解析：Na+与[Fe(CN)5(NO)]2-存在离子键,NO分子、CN-与Fe3+形成配位键,碳氮之间,氮氧之间存在极性共价键,不存在非极性键,A项错误。NO分子、CN-与Fe3+形成配位键,共有6个,配位原子有C和N,B项正确。1mol配合物中σ键数目为(5×2+1×2)×NA=12NA,C项正确。配合物Na2[Fe(CN)5(NO)]为离子化合物,电离出2个Na+与1个[Fe(CN)5(NO)]2-,所以1mol配合物电离共得到3NA个阴、阳离子,D项正确。
9.配位化合物在生产生活中有重要应用,请根据要求回答下列问题。
(1)光谱证实单质铝与强碱性溶液反应有[Al(OH)4]-生成,则[Al(OH)4]-中存在 (填字母)。
a.共价键 b.非极性键 c.配位键 d.σ键 e.π键
(2)Co(NH3)5BrSO4可形成两种钴的配合物,已知Co3+的配位数是6,为确定钴的配合物的结构,现对两种配合物进行了如下实验:在第一种配合物的溶液中加BaCl2溶液时,产生白色沉淀,在第二种配合物的溶液中加BaCl2溶液时,则无明显现象。则第一种配合物的结构可表示为 ,第二种配合物的结构可表示为 。若在第二种配合物的溶液中滴加AgNO3溶液,则产生的现象是 。(提示:TiCl(H2O)5Cl2这种配合物的结构可表示为[TiCl(H2O)5]Cl2。)
答案：(1)acd
(2)[CoBr(NH3)5]SO4 [Co(SO4)(NH3)5]Br 生成淡黄色沉淀
解析：(1)光谱证实单质Al与强碱性溶液反应有[Al(OH)4]-生成,可看作铝原子和三个羟基形成三对共用电子对,形成三个极性共价键,形成Al(OH)3,Al(OH)3溶解在强碱性溶液中,和OH-结合形成[Al(OH)4]-,利用的是铝原子的空轨道和OH-的孤电子对形成的配位键;由两个原子轨道“头碰头”相互重叠而形成的共价键,叫σ键,所以[Al(OH)4]-中也形成了σ键。
(2)第一种配合物的溶液中加BaCl2溶液时产生白色沉淀,则硫酸根离子在配合物外界,在水溶液中以离子形式存在,所以会与钡离子结合生成白色沉淀,所以第一种配合物的结构表示为[CoBr(NH3)5]SO4。若加入BaCl2溶液时无明显现象,说明硫酸根离子在内界,所以第二种配合物的结构表示为[Co(SO4)(NH3)5]Br;[Co(SO4)(NH3)5]Br中溴离子为配合物的外界,在水溶液中以离子的形式存在,若加入AgNO3溶液,会产生淡黄色沉淀溴化银。
能力提升
1.(双选)铂的两种化合物a和b,其中a为,b为。实验测得a和b具有不同的特性:a具有抗癌作用,而b没有。则下列关于a、b的叙述正确的是( )。
A.a和b属于同一种物质
B.a和b互为同分异构体
C.a和b的空间结构是平面四边形
D.a和b的空间结构是四面体形
答案：BC
解析：因为a和b具有不同的特性,所以a和b一定不是同一种物质。性质不同说明结构不同,而a和b的分子式相同,故两者互为同分异构体。a和b若为四面体,则没有这两种异构体,因此a和b只能是平面四边形。
2.研究含碳化合物的结构与性质,对生产、科研等具有重要意义。
(1)某同学画出基态碳原子的轨道表示式:,该轨道表示式违背了 ;C、—CH3、C都是重要的有机反应中间体。C、C的空间结构分别为 、 。
(2)冠醚是由多个二元醇分子之间失水形成的环状化合物。X、Y、Z是常见的三种冠醚,其结构如图1所示。它们能与碱金属离子作用,并且随着环的大小不同而与不同金属离子作用。
图1
图2
Li+与X的空腔大小相近,恰好能进入X的环内,且Li+与氧原子的一对孤电子对作用形成稳定结构W(如图)。
①冠醚Y能与K+形成稳定结构,但不能与Li+形成稳定结构。
理由是 。
②烯烃难溶于水,被KMnO4水溶液氧化的效果较差。若烯烃中溶入冠醚Z,氧化效果明显提升。
ⅰ.水分子中氧的价电子对分布的几何构型是 ,H—O键键角 (填“>”“<”或“=”)109°28'。
ⅱ.已知:冠醚Z与KMnO4可以发生如图2所示的变化。加入冠醚Z后,烯烃的氧化效果明显提升的原因是 。
答案：(1)洪特规则 平面三角形 三角锥形
(2)①Li+半径比Y的空腔小很多,不易与空腔内O原子的孤电子对作用形成稳定结构 ②ⅰ.四面体形 < ⅱ.冠醚可溶于烯烃,进入冠醚中的K+因静电作用将Mn带入烯烃中,增大烯烃与Mn的接触机会,提升氧化效果
解析：(1)2p轨道上的2个电子没有分占不同轨道,且自旋方向相同,故题给轨道表示式违背了洪特规则。C中碳原子是sp2杂化,C为平面三角形结构;而C中碳原子是sp3杂化,C为三角锥形。(2)①冠醚Y空腔较大,Li+半径较小,Li+半径远远小于Y空腔,导致该离子不易与氧原子的孤电子对形成配位键,所以得不到稳定结构。②ⅰ.水分子中氧原子的价电子对数是4,根据价层电子对互斥模型判断水分子中价电子对分布的几何构型为四面体形;水分子中O原子含有2对孤电子对,孤电子对之间的排斥力大于成键电子对和孤电子对之间的排斥力,导致水分子中键角小于甲烷分子中键角,即小于109°28'。根据“相似相溶规则”知,冠醚可溶于烯烃,加入冠醚中的钾离子因静电作用将高锰酸根离子带入烯烃中,增大反应物间的接触面积,增大烯烃与Mn的接触机会,提高氧化效果。(共39张PPT)
第2课时 分子的极性与手性分子
专题4
第一单元
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
课标定位、素养阐释
1.知道分子可以分为极性分子和非极性分子,能依据分子的空间结构和键的极性判断分子的极性,能根据分子的极性预测其溶解性。
2.能描述手性分子的结构特征和性质特点,认识手性分子在药物研究中的重要作用。
自主预习 新知导学
一、分子的极性
1.极性分子与非极性分子。
2.分子极性的判断方法。
分子的极性是由分子中所含共价键的极性与分子的空间结构两方面共同决定的。判断分子极性时,可根据以下原则进行:
(1)双原子分子。
①以非极性键结合的双原子分子是 非极性 分子,如O2、H2。
②以极性键结合的双原子分子都是 极性 分子,如HCl、HF、HBr。
(2)多原子分子。
以极性键结合的多原子分子,分子是否有极性取决于分子的空间结构,若配位原子对称地分布在中心原子周围,使整个分子的正、负电荷重心重合,则是非极性分子;否则,是极性分子。
3.分子的极性对物质溶解性的影响——“相似相溶规则”。
非极性分子构成的物质一般易溶于 非极性 溶剂,极性分子构成的物质一般易溶于 极性 溶剂。
【自主思考1】 含有非极性键的分子一定是非极性分子吗 由极性键形成的双原子分子一定是极性分子吗
提示：含有非极性键的分子不一定是非极性分子,如H2O2;由极性键形成的双原子分子一定是极性分子,如HCl。
二、手性分子
1.观察比较下图所示两种分子的结构。
具有完全相同的 组成 和 原子排列方式 的一对分子,如同左手与右手一样互为 镜像 ,却在三维空间里不能 重叠 ,互称为手性异构体。有手性异构体的分子称为 手性分子 。
2.手性碳原子的判断。
连接 四个不同的原子或基团 的碳原子称为手性碳原子。如 ,
R1、R2、R3、R4互不相同,含有手性碳原子,该有机物分子具有手性。
3.手性分子的物理性质。
一对手性异构体的物理性质(沸点、熔点、密度等)基本相同,但它们的旋光性和生理作用往往不同。
4.手性分子的重要用途。
人们把含有手性分子的药物称为手性药物。一种药物分子必须包含适宜的官能团,这些官能团还必须以具有生物活性的构型排列。因此,在药物的合成过程中,“左”旋和“右”旋的药物手性异构体往往会被同时制造出来。
目前所用的很多药物都具有手性,它们主要通过与体内的酶、核苷酸等大分子作用,抑制(或激发)该大分子的生理活性,达到治疗疾病的目的。由于手性分子对生命及生理活动有其特殊的活性,化学工作者期望可以找到对癌症和一些目前的疑难杂症有治疗作用的手性药物等。
【自主思考2】 互为手性分子的物质是同一种物质吗 二者具有什么关系
提示：不是同一种物质,二者互为同分异构体。
【自主思考3】 互为手性分子的物质性质相同吗 分析其原因。
提示：物质结构决定性质。互为手性分子的物质组成、结构几乎完全相同,所以其化学性质相似,但由于结构上的差异,其旋光性和生理作用会有差异。
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)非极性分子只能是双原子单质分子。( )
(2)非极性分子中,一定含有非极性共价键。( )
(3)手性分子之间,因分子式相同,故其性质相同。( )
×
×
×
2.在HF、H2S、NH3、CO2、CCl4、N2、C60、SO2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,具有正四面体形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,而且分子极性最大的是 。
答案：(1)N2、C60 (2)CO2 (3)CCl4 (4)NH3 (5)H2S、SO2 (6)HF
解析：HF是含有极性键、直线形的极性分子(极性最大,因F的电负性最大);H2S和SO2都是含有极性键、V形结构的极性分子;NH3是含有极性键、三角锥形结构的极性分子;CO2是含有极性键、直线形的非极性分子;CCl4是含有极性键、正四面体形的非极性分子;N2、C60都是由非极性键结合的非极性分子。
合作探究 释疑解惑
探究任务1
键的极性和分子的极性
【问题引领】
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。
1.根据实验现象分析A、B两种分子是极性分子还是非极性分子。
提示：A为非极性分子,B为极性分子。
2.说明你作出上述判断的理由。
提示：带静电的玻璃棒靠近A,液体不偏转,说明A液体不受玻璃棒所带电荷的影响,分子为非极性分子;带静电的玻璃棒靠近B,液体发生偏转,说明B液体与玻璃棒之间有电性作用,由此推知B中存在带正电性的部分和带负电性的部分,分子为极性分子。
【归纳提升】
1.判断分子极性的一般思路。
2.判断ABn型分子极性的方法。
(1)化合价法:ABn型分子中,中心原子的化合价的绝对值等于该原子的价电子数时,该分子为非极性分子,此时分子的空间结构对称;若中心原子的化合价的绝对值不等于其价电子数,则分子的空间结构不对称,该分子为极性分子。具体实例如下:
分子 BF3 CO2 SO3(g) H2O NH3 SO2
中心原子的化合价的绝对值 3 4 6 2 3 4
中心原子的价电子数 3 4 6 6 5 6
分子的极性 非极性分子 非极性分子 非极性分子 极性分子 极性分子 极性分子
(2)根据键的极性、分子的空间结构判断:
类型 实例 键的极性 分子的空间结构 分子的极性
X2 H2、N2 非极性键 直线形 非极性分子
XY HCl、NO 极性键 直线形 极性分子
XY2 (或X2Y) CO2、CS2 极性键 直线形 非极性分子
SO2 极性键 V形 极性分子
H2O、H2S 极性键 V形 极性分子
XY3 BF3 极性键 平面三角形 非极性分子
NH3 极性键 三角锥型 极性分子
XY4 CH4、CCl4 极性键 正四面体型 非极性分子
【典型例题】
【例题1】 (双选)下列叙述正确的是( )。
A.NH3是极性分子,分子中氮原子处在3个氢原子所组成的三角形的中心
B.CCl4是非极性分子,分子中碳原子位于正四面体形结构的中心
C.H2O是极性分子,分子中氧原子不处在2个氢原子所连成的直线的中央
D.CO2是非极性分子,分子中碳原子不处在2个氧原子所连成的直线的中央
答案：BC
解析：NH3是三角锥形的分子,A项错误;CCl4是以碳原子为中心的正四面体形结构的分子,B项正确;CO2是碳原子在2个氧原子中间的直线形分子,D项错误;H2O是氧原子在两个氢原子中间的V形分子,C项正确。
易错警示 对键的极性和分子极性的认识误区
(1)极性分子中一定有极性键,非极性分子中不一定含有非极性键。如CH4是非极性分子,只有极性键。
(2)含有非极性键的分子不一定为非极性分子,如H2O2是含有非极性键的极性分子。
【变式训练1】 下列化合物中,化学键的极性和分子的极性皆相同的是( )。
A.CO2和SO2
B.CH4和H2O
C.BF3和NH3
D.HCl和HI
答案：D
解析：A项中,CO2为极性键构成的非极性分子,SO2是极性分子;B项中,CH4为极性键构成的非极性分子,H2O是极性键构成的极性分子;C项中,BF3为极性键构成的非极性分子,NH3为极性键构成的极性分子;D项中,HCl和HI都是极性键构成的极性分子。
【问题引领】
探究任务2
“相似相溶规则”的适用范围
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形结构
提示：根据PtCl2(NH3)2可以形成两种固体,即其有两种同分异构体,可知其结构应为平面四边形结构,若为四面体形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 其空间结构是怎样的
提示：淡黄色的PtCl2(NH3)2在水中溶解度小,根据“相似相溶规则”,应为非极性分子,其空间结构为 。
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,其空间结构为 。
【归纳提升】
1.物质溶解性的判断与比较。
(1)依据“相似相溶规则”。
非极性溶质一般易溶于非极性溶剂,难溶于极性溶剂。极性溶质一般易溶于极性溶剂,难溶于非极性溶剂。
(2)依据溶质与溶剂之间是否存在氢键。
如果溶质与溶剂之间能形成氢键,则溶质溶解度增大,且氢键作用力越大,溶解性越好。如:NH3、HF极易溶于水;甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、甲酸、乙酸、甲醛、乙醛、氨基乙酸、乙胺等易溶于水,就是因为它们与水形成分子间氢键。
(3)依据分子结构的相似性。
溶质与溶剂分子结构的相似程度越大,其溶解度越大。如烃基越大的醇(羧酸、醛)在水中的溶解度越小。
2.注意的问题。
(1)“相似相溶规则”是从分子结构的角度,通过实验的观察和研究而得出的关于物质溶解性的经验规律,也有不符合此规律的例外情况,如CO、NO等极性分子难溶于水。
(2)“相似相溶规则”可以解释一些物质在某些溶剂中溶解的情况。
【典型例题】
【例题2】 (1)下列叙述不正确的是 。
A.卤化氢易溶于水,不易溶于四氯化碳
B.碘易溶于汽油,微溶于水
C.氯化钠易溶于水,也易溶于食用油
D.甲烷易溶于汽油,难溶于水
(2)将几种物质在水和四氯化碳中的溶解情况填入下表:
其原因是 。
物质 蔗糖 磷酸 碘 萘
水
四氯化碳
答案：(1)C (2)易溶 易溶 难溶 难溶 难溶 难溶 易溶 易溶 根据“相似相溶规则”判断,极性溶质易溶于极性溶剂,非极性溶质易溶于非极性溶剂
解析：(1)HX(X为卤素)、H2O为极性分子,I2、CH4为非极性分子,CCl4、汽油为非极性溶剂。根据“相似相溶规则”,可知A、B、D项正确。NaCl为离子化合物,易溶于水,难溶于有机溶剂,故C项不正确。
(2)分析题给物质和溶剂的分子极性可知,蔗糖、磷酸、水是极性分子,而碘、萘、四氯化碳是非极性分子。根据“相似相溶规则”,可判断出物质的溶解情况。
【变式训练2】 下列说法中正确的是( )。
A.极性溶质一定易溶于极性溶剂中,非极性溶质一定易溶于非极性溶剂中
B.溴分子和水分子是极性分子,四氯化碳分子是非极性分子,所以溴难溶于水而易溶于四氯化碳
C.白磷分子是非极性分子,水分子是极性分子,而二硫化碳是非极性分子,所以白磷难溶于水而易溶于二硫化碳
D.水分子是极性分子,二氧化碳可溶于水,因此二氧化碳是极性分子
解析：很多有机化合物分子都是极性分子,但因为极性很弱,所以大部分难溶于水,而许多极性有机化合物在非极性有机化合物中的溶解度却很大,A项错误。溴分子是非极性分子,B项错误。二氧化碳是非极性分子,D项错误。
C
【问题引领】
探究任务3
手性分子与手性异构体
在生命的产生和演变过程中,往往对一对手性异构体中的一种手性分子有所“偏爱”,如自然界存在的糖大多为右旋体,氨基酸大多为左旋体。因为构成生命的重要物质如蛋白质和核酸等大多是由手性分子缩合而成的,所以生物体内进行的化学反应也往往选择性地“接纳”某种类型的手性分子。A B
1.分析上面两组有机化合物,指出A组、B组内的左右两侧的有机化合物是什么关系。
提示：A组中左右两侧的有机化合物是同一种物质;B组内左右两侧的两种有机化合物互为手性异构体。
2.B组中的两种有机化合物一种具有镇痛作用,而另一种没有镇痛作用,却是有效的镇咳药。上述事实给你什么启示 简要说明并与同学交流。
提示：手性异构体具有不同的性质。提高药物的专一性,开发和服用有效的单一手性药物可以排除无效(或不良)手性异构体所引起的毒副作用。
【归纳提升】
1.手性分子的判断方法。
(1)观察实物与其镜像能否重合,如果不能重合,说明是手性分子。
(2)观察有机化合物分子中是否有手性碳原子,如果有一个手性碳原子,则该有机化合物分子就是手性分子,具有手性异构体。含有两个手性碳原子的有机化合物分子不一定是手性分子。
2.手性异构体的性质。
物质结构决定性质。互为手性异构体的物质组成、原子排列完全相同,所以其物理性质、化学性质几乎完全相同,但两种手性分子可能具有明显不同的生理作用。
【典型例题】
【例题3】 丙氨酸(C3H7NO2)分子为手性分子,它存在手性异构体,如下图所示:
下列关于丙氨酸的两种手性异构体(Ⅰ和Ⅱ)的说法正确的是( )。
A.Ⅰ和Ⅱ分子中均存在2个手性碳原子
B.Ⅰ和Ⅱ呈镜面对称,具有相同的分子极性
C.Ⅰ和Ⅱ分子都是极性分子,只含有极性键,不含非极性键
D.Ⅰ和Ⅱ的化学键相同,所以分子的性质完全相同
B
解析：Ⅰ和Ⅱ分子中都只含有1个手性碳原子,都是极性分子,分子中都含有极性键和非极性键,两者互为手性异构体,但可能具有不同的生理活性和光学活性。
【变式训练3】 已知3-氯-2-丁氨酸的结构简式为 ,
请回答下列问题:
(1)3-氯-2-丁氨酸分子中含有 个手性碳原子。
(2)3-氯-2-丁氨酸的一对手性异构体可用简单的投影式表示为
和 ,则另一对手性异构体的简单投影式应为
和 。
答案：(1)2 (2)
解析：根据手性碳原子上连接四个不同的原子或原子团可以判断出该物质分子中与—NH2和—Cl相连的两个碳原子为手性碳原子;参照例子可以知道手性异构体之间的关系就像我们照镜子一样,某物质的手性异构体就是该物质在镜子中的“镜像”。
课堂小结第一单元 分子的空间结构
第2课时 分子的极性与手性分子
课后训练巩固提升
基础巩固
1.下列各组物质中,都是由极性键构成的极性分子的一组是 ( )。
A.CH4和Br2 B.NH3和H2O
C.H2S和CCl4 D.CO2和HCl
2.下列现象不能用“相似相溶规则”解释的是( )。
A.氯化氢易溶于水
B.氯气易溶于氢氧化钠溶液中
C.碘易溶于四氯化碳
D.碘难溶于水
3.下列有机物分子中属于手性分子的是( )。
①乳酸[CH3CH(OH)COOH]
②2-乙基丁酸
③
④丙三醇
A.①
B.①②
C.①③
D.②③④
4.下列物质:①MgCl2、②H2S、③白磷、④BF3、⑤NH3、⑥四氯化碳,其中含极性键的非极性分子是( )。
A.①②③④⑥ B.①④⑤⑥
C.③④⑥ D.④⑥
5.碘单质在水中的溶解度很小,但在CCl4中的溶解度很大,这是因为( )。
A.CCl4与I2的相对分子质量相差较小,而H2O与I2的相对分子质量相差较大
B.CCl4与I2都是直线形分子,而H2O不是直线形分子
C.CCl4与I2中都不含氢元素,而H2O中含有氢元素
D.CCl4和I2都是非极性分子,而H2O是极性分子
6.莽草酸的结构为,其分子中手性碳原子的个数为( )。
A.1
B.2
C.3
D.4
7.下列关于CS2、SO2、NH3三种物质的说法中正确的是( )。
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分子有极性
8.双氧水是一种医用消毒杀菌剂。已知H2O2分子的结构如下图所示,H2O2分子不是直线形的,两个H原子犹如在半展开的书的两面纸上,书面角为93°52',而两个O—H键与O—O键的夹角均为96°52'。试回答下列问题:
(1)H2O2分子的电子式为 ,结构式为 。
(2)H2O2分子中存在 (填“极性”或“非极性”,下同)键和 键,为
分子。
(3)H2O2难溶于CS2,其原因是 。
(4)H2O2分子中氧元素的化合价为 价,原因是 。
9.已知N、P同属于元素周期表的第ⅤA族元素,N在第2周期,P在第3周期。NH3分子呈三角锥形,N原子位于锥顶,3个H原子位于锥底,N—H键间的夹角是107°18'。
(1)N4分子的空间结构为,它是一种 (填“极性”或“非极性”)分子。
(2)PH3分子与NH3分子的空间结构 (填“相同”“相似”或“不相似”),P—H键 (填“有”或“无”)极性,PH3分子 (填“有”或“无”)极性。
(3)NCl3是一种淡黄色油状液体,下列对NCl3的有关描述不正确的是 (填字母)。
a.该分子呈平面三角形
b.该分子中的化学键为极性键
c.该分子为极性分子
d.因N—Cl键的键能大,故NCl3稳定
能力提升
1.已知含有“手性碳原子”的物质通常具有不同的光学特征(称为光学活性),下列物质在一定条件下不能使分子失去光学活性的是( )。
A.H2
B.CH3COOH
C.O2/Cu
D.NaOH溶液
2.下列化合物在水中的溶解度,排列次序正确的是( )
a.HOCH2CH2CH2OH
b.CH3CH2CH2OH
c.CH3CH2COOCH3
d.HOCH2CH(OH)CH2OH
A.d>a>b>c B.c>d>a>b
C.d>b>c>a D.c>d>b>a
3.已知和碳元素同主族的X元素位于元素周期表中的第一个长周期,短周期元素Y原子的最外层电子数比内层电子总数少3,它们形成的化合物的分子式是XY4。请回答下列问题:
(1)X元素的基态原子的核外电子排布式为 ,Y元素原子最外层电子的轨道表示式为 。
(2)若X、Y两元素电负性分别为1.8和3.0,则XY4中X与Y之间的化学键为
(填“共价键”或“离子键”)。
(3)XY4分子的空间结构为 ,中心原子采取 杂化,XY4分子为 (填“极性分子”或“非极性分子”)。
(4)XY4的沸点 SiCl4的沸点,原因是 。
第一单元 分子的空间结构
第2课时 分子的极性与手性分子
课后训练巩固提升
基础巩固
1.下列各组物质中,都是由极性键构成的极性分子的一组是 ( )。
A.CH4和Br2 B.NH3和H2O
C.H2S和CCl4 D.CO2和HCl
答案：B
解析：A项中CH4、Br2为非极性分子。C项中CCl4为非极性分子。D项中CO2为非极性分子。
2.下列现象不能用“相似相溶规则”解释的是( )。
A.氯化氢易溶于水
B.氯气易溶于氢氧化钠溶液中
C.碘易溶于四氯化碳
D.碘难溶于水
答案：B
解析：氯化氢是极性溶质,水是极性溶剂;碘是非极性溶质,四氯化碳是非极性溶剂。氯气与氢氧化钠发生化学反应。
3.下列有机物分子中属于手性分子的是( )。
①乳酸[CH3CH(OH)COOH]
②2-乙基丁酸
③
④丙三醇
A.①
B.①②
C.①③
D.②③④
答案：C
解析：、中有手性碳原子(标*的);、中没有手性碳原子。
4.下列物质:①MgCl2、②H2S、③白磷、④BF3、⑤NH3、⑥四氯化碳,其中含极性键的非极性分子是( )。
A.①②③④⑥ B.①④⑤⑥
C.③④⑥ D.④⑥
答案：D
5.碘单质在水中的溶解度很小,但在CCl4中的溶解度很大,这是因为( )。
A.CCl4与I2的相对分子质量相差较小,而H2O与I2的相对分子质量相差较大
B.CCl4与I2都是直线形分子,而H2O不是直线形分子
C.CCl4与I2中都不含氢元素,而H2O中含有氢元素
D.CCl4和I2都是非极性分子,而H2O是极性分子
答案：D
解析：CCl4和I2都是非极性分子,而H2O是极性分子,根据“相似相溶规则”可知碘单质在水中溶解度很小,但在CCl4中溶解度很大,与相对分子质量、是不是直线形分子、是不是含有氢元素等没有直接的关系,故选D项。
6.莽草酸的结构为,其分子中手性碳原子的个数为( )。
A.1
B.2
C.3
D.4
答案：C
解析：由莽草酸的结构可知连有羟基的三个碳原子都是手性碳原子。
7.下列关于CS2、SO2、NH3三种物质的说法中正确的是( )。
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分子有极性
答案：B
解析：根据“相似相溶规则”,水是极性分子,CS2是非极性分子,SO2和NH3都是极性分子,故A项错误,B项正确;由于CS2常温下是液体,SO2和NH3常温下是气体,故C项错误;NH3在水中溶解度很大,除了由于NH3分子为极性分子外,还因为NH3分子和H2O分子之间可以形成氢键,故D项错误。
8.双氧水是一种医用消毒杀菌剂。已知H2O2分子的结构如下图所示,H2O2分子不是直线形的,两个H原子犹如在半展开的书的两面纸上,书面角为93°52',而两个O—H键与O—O键的夹角均为96°52'。试回答下列问题:
(1)H2O2分子的电子式为 ,结构式为 。
(2)H2O2分子中存在 (填“极性”或“非极性”,下同)键和 键,为
分子。
(3)H2O2难溶于CS2,其原因是 。
(4)H2O2分子中氧元素的化合价为 价,原因是 。
答案：(1)H H—O—O—H
(2)极性 非极性 极性
(3)H2O2为极性分子,CS2为非极性分子,根据“相似相溶规则”可知,H2O2难溶于CS2
(4)-1 O—O键为非极性键,O—H键为极性键,共用电子对偏向氧,故氧元素显-1价
解析：(2)H2O2分子的空间结构为不对称结构,应为极性分子,含有O—O非极性键和O—H极性键。
(3)根据“相似相溶规则”可知,H2O2难溶于非极性溶剂CS2。
(4)共用电子对的偏移决定了元素在化合物中的化合价。
9.已知N、P同属于元素周期表的第ⅤA族元素,N在第2周期,P在第3周期。NH3分子呈三角锥形,N原子位于锥顶,3个H原子位于锥底,N—H键间的夹角是107°18'。
(1)N4分子的空间结构为,它是一种 (填“极性”或“非极性”)分子。
(2)PH3分子与NH3分子的空间结构 (填“相同”“相似”或“不相似”),P—H键 (填“有”或“无”)极性,PH3分子 (填“有”或“无”)极性。
(3)NCl3是一种淡黄色油状液体,下列对NCl3的有关描述不正确的是 (填字母)。
a.该分子呈平面三角形
b.该分子中的化学键为极性键
c.该分子为极性分子
d.因N—Cl键的键能大,故NCl3稳定
答案：(1)非极性
(2)相似 有 有
(3)a
解析：(1)N4分子是正四面体形结构,是一种非极性分子。
(2)NH3分子与PH3分子互为等电子体,结构相似,P—H键为不同元素原子之间形成的共价键,为极性键,PH3分子呈三角锥形,正、负电荷重心不重合,PH3为极性分子。
(3)NCl3中N原子的价电子对数为=4,孤电子对数为1,该分子为三角锥形,a错误;N、Cl之间形成的键应为极性键,b正确;NCl3分子中正、负电荷重心不重合,故该分子为极性分子,c正确;共价键的键能越大,含有该键的物质越稳定,d正确。
能力提升
1.已知含有“手性碳原子”的物质通常具有不同的光学特征(称为光学活性),下列物质在一定条件下不能使分子失去光学活性的是( )。
A.H2
B.CH3COOH
C.O2/Cu
D.NaOH溶液
答案：B
解析：分子中醛基与氢气发生加成反应,原来的手性碳原子反应后连接2个—CH2OH,不再是手性碳原子,分子失去光学活性,A项不符合题意。分子中羟基与乙酸发生酯化反应,原来的手性碳原子反应后仍连接4个不同的原子团,分子没有失去光学活性,B项符合题意。羟基被氧化生成—CHO,原来的手性碳原子反应后连接2个—CHO,不再是手性碳原子,分子失去光学活性,C项不符合题意。在NaOH溶液中,溴原子会发生取代反应被—OH替代,原来的手性碳原子反应后连接2个—CH2OH,不再是手性碳原子,分子失去光学活性,D项不符合题意。
2.下列化合物在水中的溶解度,排列次序正确的是( )
a.HOCH2CH2CH2OH
b.CH3CH2CH2OH
c.CH3CH2COOCH3
d.HOCH2CH(OH)CH2OH
A.d>a>b>c B.c>d>a>b
C.d>b>c>a D.c>d>b>a
答案：A
解析：分子中含有羟基数目越多,与水形成的氢键越多,则溶解度越大,所以溶解度HOCH2CH(OH)CH2OH>HOCH2CH2CH2OH>CH3CH2CH2OH>CH3CH2COOCH3,即d>a>b>c。
3.已知和碳元素同主族的X元素位于元素周期表中的第一个长周期,短周期元素Y原子的最外层电子数比内层电子总数少3,它们形成的化合物的分子式是XY4。请回答下列问题:
(1)X元素的基态原子的核外电子排布式为 ,Y元素原子最外层电子的轨道表示式为 。
(2)若X、Y两元素电负性分别为1.8和3.0,则XY4中X与Y之间的化学键为
(填“共价键”或“离子键”)。
(3)XY4分子的空间结构为 ,中心原子采取 杂化,XY4分子为 (填“极性分子”或“非极性分子”)。
(4)XY4的沸点 SiCl4的沸点,原因是 。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s24p2(或[Ar]3d104s24p2)
(2)共价键
(3)正四面体型 sp3 非极性分子
(4)> 组成和结构相似的分子,相对分子质量越大,分子间作用力越大,沸点越高
解析：X为第四周期第ⅣA族元素Ge,其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p2或[Ar]3d104s24p2;Y元素原子的最外层电子数比内层电子总数少3,Y是氯,Y元素原子最外层电子的轨道表示式为。XY4中X与Y之间形成的是共价键,分子呈正四面体型,中心原子X为sp3杂化,为非极性分子,分子间的作用力是范德华力。(共36张PPT)
第1课时 分子的空间结构模型
专题4
第一单元
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
课标定位、素养阐释
能运用杂化轨道理论和价层电子对互斥模型来解释或预测共价分子的空间结构。
自主预习 新知导学
一、分子的空间结构模型
1.sp3杂化与CH4分子的空间结构。
(1)sp3杂化轨道的形成。
碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道, 1个 2s轨道和 3个 2p轨道“混杂”,形成 能量相等 、成分相同 的4个sp3杂化轨道。
图示:
(2)sp3杂化轨道的空间分布。
碳原子的4个sp3杂化轨道指向 正四面体的4个顶点 ,每个轨道上都有一个未成对电子。
(3)共价键的形成。
碳原子的4个 sp3杂化 轨道分别与H原子的 1s 轨道重叠形成4个相同的σ键。
(4)CH4分子的空间结构。
CH4分子为 正四面体 结构,分子中C—H键之间的夹角都是109°28' 。
(5)分子或离子中的中心原子采用sp3杂化轨道形成共价键的常见物质:CCl4、 、金刚石、晶体硅、石英(SiO2)晶体等。
2.sp2杂化与BF3分子的空间结构。
(1)sp2杂化轨道的形成。
硼原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道,1个2s轨道和 2 个2p轨道发生杂化,形成能量相等、成分相同的 3 个sp2杂化轨道。
图示:
(2)sp2杂化轨道的空间分布。
硼原子的3个sp2杂化轨道指向 平面三角形的三个顶点 ,3个sp2杂化轨道间的夹角为 120°。
(3)共价键的形成。
硼原子的3个 sp2杂化 轨道分别与3个氟原子的1个2p轨道重叠,形成3个相同的σ键。
(4)BF3分子的空间结构。
BF3分子的空间结构为 平面三角形 ,键角为 120°。
3.sp杂化与BeCl2分子的空间结构。
(1)sp杂化轨道的形成。
Be原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道,1个2s轨道和1个2p轨道发生杂化,形成能量相等、成分相同的 2 个sp杂化轨道。
图示:
(2)sp杂化轨道的空间分布。
两个sp杂化轨道呈 直线形 ,其夹角为 180°。
(3)共价键的形成。
Be原子的2个sp杂化轨道分别与2个Cl原子的 3p 轨道重叠形成 2 个相同的σ键。
(4)BeCl2分子的空间结构。
BeCl2分子的空间结构为 直线形 ,键角为 180°。
【自主思考1】 第ⅠA族元素原子成键时能不能形成杂化轨道
提示：第ⅠA族元素原子的外围电子排布式为ns1,由于只有1个ns电子,因此不可能形成杂化轨道。
二、价层电子对互斥模型
1.价层电子对互斥模型的基本内容。
分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对) 由于相互 排斥 作用,而趋向于尽可能彼此远离以减小斥力,分子尽可能采取对称的空间结构。
2.价层电子对互斥模型与分子的几何构型。
(1)ABm型分子(A是中心原子,B是配位原子)中价电子对数n的计算:
__________________________________________________________。
n= ×(中心原子的价电子数+每个配位原子提供的价电子数×m)
(2)中心原子中的价电子全部参与形成共价键的分子的几何构型如下表所示(由中心原子周围的原子数m来预测):
(3)中心原子上有孤电子对(价电子中未参与形成共价键的电子对)的分子的几何构型: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 ,使分子的几何构型发生变化,如H2O、NH3等。
(4)相关说明。
①具有相同价电子对数的分子,中心原子的杂化轨道类型 相同 ,价电子对分布的几何构型也 相同 。
②如果分子中中心原子的杂化轨道上存在孤电子对,价电子对之间的斥力大小顺序为:孤电子对与孤电子对之间的斥力 > 孤电子对与成键电子对之间的斥力 > 成键电子对与成键电子对之间的斥力。随着孤电子对数目的增多,孤电子对对成键电子对的排斥作用 增强 ,使得成键电子对与成键电子对之间的键角也 减小 。
【自主思考2】 用价层电子对互斥模型预测H2S的几何构型是什么形状
提示：H2S与H2O类似,中心原子S的价电子对数为4,且S上有2对孤电子对,价电子对的几何分布呈四面体结构,略去孤电子对,H2S分子的几何构型呈V形。
三、等电子原理
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)CH2Cl2分子只有一种,可说明CH4的空间结构为正四面体形。( )
(2)P4和CH4都是正四面体形分子且键角都为109°28'。( )
(3)金刚石中的碳原子和CO2中的碳原子采用的杂化类型相同。( )
(4)分子中价电子对的几何构型和相应分子的空间结构是一致的。( )
(5)CH4和NH3分子中的中心原子均采用sp杂化,故两分子的键角相同。
( )
(6)SO2分子与CO2分子的组成相似,故它们都是直线形分子。( )
√
×
×
×
×
×
2.H2O的中心原子上有 对孤电子对,与中心原子上的 键电子对相加等于 ,它们相互排斥形成 价层电子对互斥模型。略去价层电子对互斥模型中的中心原子上的孤电子对,因而H2O分子呈 形。
答案：2 σ 4 四面体形 V
3.(1)NH4H2PO4中,电负性最高的元素是 ;P的 杂化轨道与O的2p轨道形成 键。
(2)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 、 。
答案：(1)O sp3 σ (2)sp3 sp3
合作探究 释疑解惑
探究任务1
分子的空间结构与杂化轨道类型
【问题引领】
下图描述的是乙烯分子和乙炔分子中的化学键情况。
1.分析乙烯中C原子的杂化方式,总结原子轨道杂化后,数量和能量有什么变化
提示：乙烯中C原子采取sp2杂化,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能量相同。
2.分析乙炔中C原子的杂化方式,根据乙烯、乙炔分析杂化类型与分子的空间结构有什么关系
提示：乙炔中C原子采取sp杂化。乙烯中C原子采取sp2杂化,乙烯分子呈平面形;乙炔中C原子采取sp杂化,乙炔分子呈直线形。
【归纳提升】
1.杂化轨道理论要点。
(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)杂化改变原有轨道的形状和伸展方向,使原子间形成的共价键更牢固。
(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.ABm型粒子的中心原子杂化与粒子的空间结构的关系。
(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时的情况。
(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时的情况。
由于孤电子对参与互相排斥,会使分子的空间结构与杂化轨道的空间分布有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有2个是由孤电子对占据的,其分子不呈正四面体型,而呈V形;氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个由孤电子对占据,氨分子不呈正四面体形,而呈三角锥形。
3.含σ键和π键的分子的空间结构和中心原子的杂化类型。
【典型例题】
【例题1】 下列有关杂化轨道的说法不正确的是( )。
A.杂化前后的轨道数不变,但轨道的形状发生了改变
B.sp3、sp2、sp杂化轨道间的夹角分别为109°28'、120°、180°
C.部分四面体形、三角锥形、V形分子的空间结构可以用sp3杂化轨道解释
D.杂化轨道全部参与形成化学键
答案：D
解析：杂化轨道不一定都参与成键,如CH4、NH3和H2O分子中的C、N、O均为sp3杂化,CH4的碳原子杂化轨道均参与成键,而N、O分别有一个、两个杂化轨道未参与成键,D项错误。
方法指导 分子或离子中中心原子杂化类型的判断
(1)根据分子或离子的空间结构判断,如直线形分子或离子的中心原子为sp杂化,平面形分子或离子的中心原子为sp2杂化,四面体形分子或离子的中心原子为sp3杂化。
(2)根据杂化轨道之间的夹角判断:若杂化轨道之间的夹角为109°28',则中心原子发生sp3杂化;若杂化轨道之间的夹角为120°,则中心原子发生sp2杂化;若杂化轨道之间的夹角为180°,则中心原子发生sp杂化。
(3)有机化合物分子中碳原子杂化类型的判断:饱和碳原子采取sp3杂化,形成双键的碳原子采取sp2杂化,形成三键的碳原子采取sp杂化。
【变式训练1】下列有关杂化轨道的说法不正确的是( )。
A.轨道杂化前后能量不同
B.杂化轨道可形成σ键,但不可形成π键
C.金刚石和石墨晶体中的碳原子都是通过sp3杂化轨道成键
D.分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时该分子不一定为正四面体结构
解析：轨道杂化后能量发生变化,所以能量不相同, A项正确。杂化轨道不能用于形成π键, B项正确。金刚石中碳原子采取sp3杂化,石墨中碳原子采取sp2杂化, C项错误。分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时,该分子可能为正四面体形、三角锥形或V形,D项正确。
C
【问题引领】
探究任务2
利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构
可以用“价电子对相互排斥而尽量远离”的原则快捷地判断乙醇和乙酸的分子结构。
1.根据信息中图示,结合价层电子对互斥模型分析乙醇分子中C—O—H的空间结构。
提示：在乙醇分子中,羟基上的氧原子有两对成键电子对和两对孤电子对,价电子对共有四个空间取向,氧原子价电子对相互排斥而远离,呈四面体形,因此C—O—H呈V形。
2.根据信息中图示,结合价层电子对互斥模型分析乙酸分子中 的空间结构。
提示：在乙酸分子中,羧基上的碳原子的价电子对均为成键电子对,
C O上的成键电子对仅有一个空间取向,因此碳原子的价电子对共有三个空间取向,相互排斥而远离, 部分呈三角形。
【归纳提升】
1.ABm型中心原子价电子对、杂化类型和分子空间结构的关系。
杂化类型 价电子对数 成键电子对数 孤电子对数 分子的空间结构 实例
sp 2 2 0 直线形 BeCl2、CO2
sp2 3 3 0 平面三角形 BF3、SO3
2 1 V形 SnBr2、PbCl2
sp3 4 4 0 正四面体形 CH4、CCl4
3 1 三角锥形 NH3、PCl3
2 2 V形 H2O
2.价电子对数的一般计算方法。
对于ABm型分子(A是中心原子,B是配位原子),分子的价电子对数可以通过下式确定:即 (中心原子的价电子数+每个配位原子提供的价电子数×m)。
①作为配体,卤素原子和氢原子提供1个电子,氧族元素的原子按不提供电子计算;②作为中心原子,卤素原子按提供7个电子计算,氧族元素的原子按提供6个电子计算,即中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数;③对于复杂离子,在计算价电子对数时,还应加上阴离子的电荷数或减去阳离子的电荷数;④计算价电子对数时,若剩余1个电子,亦当作1对价电子对处理;⑤双键、三键等多重键作为1对价电子对看待。
【典型例题】
【例题2】 用价层电子对互斥模型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.SO2、CS2、HI都是直线形的分子
B.BF3键角为120°,SnBr2键角大于120°
C.COCl2、BF3、SO3都是平面三角形的分子
D.PCl3、NH3、PCl5都是三角锥形的分子
解析：SO2是V形分子,CS2、HI是直线形的分子,A项错误;BF3键角为120°,是平面三角形结构,而Sn原子价电子对数是4,Sn上还有一对孤电子对,对成键电子对有排斥作用,使键角小于120°,B项错误;COCl2、BF3、SO3都是平面三角形的分子,C项正确;PCl3、NH3都是三角锥形的分子,而PCl5是三角双锥形结构,D项错误。
C
方法指导 确定ABm型分子或离子空间结构的思路
σ键电子对数+中心原子上的孤电子对数=中心原子上的价电子对数
价层电子对互斥模型 分子或离子的空间结构。
【变式训练2】 用价层电子对互斥模型预测H2S和BF3的空间结构,两个结论都正确的是( )。
A.直线形 三角锥形
B.V形 三角锥形
C.直线形 平面三角形
D.V形 平面三角形
答案：D
解析：H2S分子中中心原子S上有未用于形成共价键的孤电子对,占据中心原子周围的空间,并参与互相排斥使H2S分子呈V形;而BF3分子中中心原子B的价电子都用于形成共价键,故BF3是平面三角形。
课堂小结第一单元 分子的空间结构
第1课时 分子的空间结构模型
课后训练巩固提升
基础巩固
1.甲酸分子(HCOOH)中碳原子的价电子对数为( )。
A.1
B.2
C.3
D.4
2.氨气分子空间结构是三角锥形,而甲烷是正四面体形,这是因为( )。
A.两种分子的中心原子杂化轨道类型不同,NH3为sp2杂化,而CH4是sp3杂化
B.NH3分子中N原子形成三个杂化轨道,CH4分子中C原子形成4个杂化轨道
C.NH3分子中有一对未成键的孤电子对,它对成键电子对的排斥作用较强
D.氨气的相对分子质量大于甲烷
3.BF3是典型的平面三角形分子,它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成B,则BF3和B中B原子的杂化轨道类型分别是( )。
A.sp2、sp2 B.sp3、sp3
C.sp2、sp3 D.sp3、sp2
4.硒(Se)是第ⅥA族元素,则SeS3分子的空间结构是( )。
A.正四面体形
B.V形
C.三角锥形
D.平面三角形
5.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
6.下列有关描述正确的是( )。
A.N为V形微粒
B.Cl的空间结构为平面三角形
C.N的价层电子对互斥模型、空间结构均为平面三角形
D.Cl的价层电子对互斥模型、空间结构相同
7.(双选)SF6是一种无色气体,且具有很强的稳定性,可用于灭火。下列有关说法中正确的是( )。
A.电负性:SB.SF6分子是正四面体形结构
C.SF6分子中硫原子周围无孤电子对
D.氟原子的轨道表示式为
8.(1)CO2分子中的C采取 杂化,分子的结构式为 ,空间结构呈 ;
(2)HCHO中的C采取 杂化,分子的结构式为 ,空间结构呈 ;
(3)H2S分子中的S采取 杂化,分子的结构式为 ,空间结构呈 。
9.(1)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型为 。
(2)醛基中碳原子的杂化轨道类型是 。
(3)化合物[H3O]+中阳离子的空间结构为 ,阴离子的中心原子轨道采用 杂化。
(4)X的单质与氢气可化合生成气体G,其水溶液pH>7。G分子中X原子的杂化轨道类型是 。
(5)S单质的常见形式为S8,其环状结构如图所示,S原子采用的轨道杂化方式是 。
10.请回答下列问题。
(1)利用价层电子对互斥模型推断下列分子或离子的空间结构:
SeO3 ;SCl2 ;
N ;N ;
HCN 。
(2)利用价电子对互斥模型推断键角的大小:
①甲醛分子中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'。
能力提升
1.(双选)下列关于N、NH3、N三种微粒的说法不正确的是( )。
A.三种微粒所含有的电子数相等
B.三种微粒中氮原子的杂化方式相同
C.三种微粒的空间结构相同
D.键角大小关系:N>N>NH3
2.(双选)化合物A是一种新型锅炉水除氧剂,其结构式如图所示:
下列说法正确的是( )。
A.碳、氮原子的杂化类型相同
B.氮原子与碳原子分别为sp3杂化与sp2杂化
C.1 mol A分子中所含σ键的数目为10NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)
D.编号为a的氮原子和与其成键的另外三个原子不在同一平面内
3.1919年,美国物理化学家朗缪尔提出等电子原理:原子总数相同、价电子总数相同的分子,互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。
(1)根据上述原理,仅由第二周期元素组成的共价分子中,互为等电子体的是
和 ; 和 。
(2)此后,等电子原理又有所发展。例如,由短周期元素组成的粒子,只要其原子总数相同,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。在短周期元素组成的物质中,与N互为等电子体的分子有 、 。
4.短周期元素D、E、X、Y、Z的原子序数逐渐增大,它们的最简单氢化物分子的空间结构依次是正四面体形、三角锥形、正四面体形、V形、直线形。回答下列问题。
(1)Z的氢化物的结构式为 ,HZO分子中中心原子价电子对数的计算式为 ,该分子的空间结构为 。
(2)Y的外围电子排布式为 ,Y的最高价氧化物的价电子分布的几何构型为 。
(3)X与Z形成的最简单化合物的化学式是 ,该分子中的键角是 。
(4)D、E的最简单氢化物分子的空间结构分别是正四面体形与三角锥形,这是因为 (填字母)。
a.两种分子的中心原子的价电子对数不同
b.D、E的非金属性不同
c.E的氢化物分子中中心原子上有一对孤电子对,而D的氢化物分子中中心原子上没有
5.氯吡苯脲是一种常用的膨大剂,其结构简式为,它是经国家批准使用的植物生长调节剂。
(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为 。
(2)氯吡苯脲晶体中,氮原子的杂化轨道类型为 ,羰基碳原子的杂化轨道类型为 。
(3)查文献可知,可用2-氯-4-氨基吡啶与异氰酸苯酯反应,生成氯吡苯脲:
+,
反应过程中,每生成1 mol氯吡苯脲,断裂 个σ键,断裂 个π键。(设NA表示阿伏加德罗常数的值)
(4)膨大剂能在动物体内代谢,其产物较为复杂,其中有H2O、NH3、CO2等。
①请用共价键知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因: 。
②H2O、NH3、CO2分子的空间结构分别是 ,中心原子的杂化类型分别是 。
第一单元 分子的空间结构
第1课时 分子的空间结构模型
课后训练巩固提升
基础巩固
1.甲酸分子(HCOOH)中碳原子的价电子对数为( )。
A.1
B.2
C.3
D.4
答案：C
解析：甲酸分子中,碳原子形成3个σ键,故价电子对数为3,C项正确。
2.氨气分子空间结构是三角锥形,而甲烷是正四面体形,这是因为( )。
A.两种分子的中心原子杂化轨道类型不同,NH3为sp2杂化,而CH4是sp3杂化
B.NH3分子中N原子形成三个杂化轨道,CH4分子中C原子形成4个杂化轨道
C.NH3分子中有一对未成键的孤电子对,它对成键电子对的排斥作用较强
D.氨气的相对分子质量大于甲烷
答案：C
解析：NH3中N原子形成3个σ键,有一对未成键的孤电子对,杂化轨道数为4,采取sp3杂化,孤电子对对成键电子对的排斥作用较强,N—H键之间的键角小于109°28',所以氨气分子空间结构是三角锥形;CH4分子中C原子采取sp3杂化,杂化轨道全部用于成键,碳原子连接4个相同的原子,C—H键之间的键角相等为109°28',故CH4的空间结构为正四面体形,故A、B、D项错误,C正确。
3.BF3是典型的平面三角形分子,它溶于氢氟酸或NaF溶液中都形成B,则BF3和B中B原子的杂化轨道类型分别是( )。
A.sp2、sp2 B.sp3、sp3
C.sp2、sp3 D.sp3、sp2
答案：C
4.硒(Se)是第ⅥA族元素,则SeS3分子的空间结构是( )。
A.正四面体形
B.V形
C.三角锥形
D.平面三角形
答案：D
解析：SeS3中的Se呈+6价,Se原子的价电子对全部用于形成共价键,Se周围有3个硫原子,故其分子的空间结构为平面三角形,D项正确。
5.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,这些分子中的所有原子都处于同一平面,C项符合题意。
6.下列有关描述正确的是( )。
A.N为V形微粒
B.Cl的空间结构为平面三角形
C.N的价层电子对互斥模型、空间结构均为平面三角形
D.Cl的价层电子对互斥模型、空间结构相同
答案：C
解析：N中N原子的价电子对数为=3,没有孤电子对,N为平面三角形微粒,故A项错误、C项正确。Cl中氯原子的价电子对数为=4,孤电子对数为1,价层电子对互斥模型为四面体形而空间结构为三角锥形,B、D项错误。
7.(双选)SF6是一种无色气体,且具有很强的稳定性,可用于灭火。下列有关说法中正确的是( )。
A.电负性:SB.SF6分子是正四面体形结构
C.SF6分子中硫原子周围无孤电子对
D.氟原子的轨道表示式为
答案：AC
解析：F的电负性最大,A项正确;SF6分子中硫原子有6对价电子对,不是正四面体形结构,B项错误;D项违背泡利不相容原理,错误。
8.(1)CO2分子中的C采取 杂化,分子的结构式为 ,空间结构呈 ;
(2)HCHO中的C采取 杂化,分子的结构式为 ,空间结构呈 ;
(3)H2S分子中的S采取 杂化,分子的结构式为 ,空间结构呈 。
答案：(1)sp OCO 直线形
(2)sp2 平面三角形
(3)sp3 V形
9.(1)CH3COOH中C原子的杂化轨道类型为 。
(2)醛基中碳原子的杂化轨道类型是 。
(3)化合物[H3O]+中阳离子的空间结构为 ,阴离子的中心原子轨道采用 杂化。
(4)X的单质与氢气可化合生成气体G,其水溶液pH>7。G分子中X原子的杂化轨道类型是 。
(5)S单质的常见形式为S8,其环状结构如图所示,S原子采用的轨道杂化方式是 。
答案：(1)sp3、sp2
(2)sp2
(3)三角锥形 sp3
(4)sp3
(5)sp3
解析：(1)CH3COOH分子中,—CH3和—COOH上的碳原子的杂化轨道类型分别是sp3和sp2。
(2)上的碳原子形成3个σ键和1个π键,是sp2杂化。
(3)阳离子是H3O+,呈三角锥形;阴离子中,硼原子形成4个σ键(含1个配位键),采用sp3杂化。
(4)G是NH3分子,N原子采取sp3杂化。
(5)每个硫原子均形成2个S—S键,还有2对孤电子对,杂化方式为sp3。
10.请回答下列问题。
(1)利用价层电子对互斥模型推断下列分子或离子的空间结构:
SeO3 ;SCl2 ;
N ;N ;
HCN 。
(2)利用价电子对互斥模型推断键角的大小:
①甲醛分子中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'。
答案：(1)平面三角形 V形 直线形 V形直线形
(2)①< ②< ③<
解析：(1)SeO3中,Se的价电子对数为×(6+0)=3,孤电子对数为0,SeO3为平面三角形;SCl2中,S的价电子对数为×(6+2)=4,孤电子对数为2,SCl2为V形;N中,N的价电子对数为×(5-1)=2,孤电子对数为0,N为直线形;N中,N的价电子对数为×(5+1)=3,孤电子对数为1,N为V形;HCN分子的结构式为H—C≡N,含有1个C≡N键,看作1个σ键电子对,1个C—H键为1个σ键电子对,故C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CO键与C—H键之间的排斥作用大于2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,Sn原子的价电子对数是=3,成键电子对数为2,孤电子对数为1,由于孤电子对与Sn—Br键的排斥作用大于Sn—Br键之间的排斥作用,故键角<120°。
PCl3分子中,P的价电子对数为×(5+3)=4,含有1对孤电子对,由于孤电子对与P—Cl键的排斥作用大于P—Cl键间的排斥作用,所以Cl—P—Cl的键角小于109°28'。
能力提升
1.(双选)下列关于N、NH3、N三种微粒的说法不正确的是( )。
A.三种微粒所含有的电子数相等
B.三种微粒中氮原子的杂化方式相同
C.三种微粒的空间结构相同
D.键角大小关系:N>N>NH3
答案：CD
解析：N、NH3、N含有的电子数均为10,A项正确;N、NH3、N三种微粒中氮原子的杂化方式均为sp3杂化,B项正确;N的空间结构为正四面体形,NH3为三角锥形,N为V形,C项错误;N、NH3、N三种微粒的键角大小关系为N>NH3>N,D项错误。
2.(双选)化合物A是一种新型锅炉水除氧剂,其结构式如图所示:
下列说法正确的是( )。
A.碳、氮原子的杂化类型相同
B.氮原子与碳原子分别为sp3杂化与sp2杂化
C.1 mol A分子中所含σ键的数目为10NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)
D.编号为a的氮原子和与其成键的另外三个原子不在同一平面内
答案：BD
解析：A分子中碳、氮原子各形成了3个σ键,氮原子有1对孤电子对而碳原子没有,故氮原子是sp3杂化而碳原子是sp2杂化,A项错误,B项正确;1个A分子中有1个碳氧双键,故1个A分子中有12对共用电子对、11个σ键,C项错误;氮原子为sp3杂化,相应的四个原子形成的是三角锥形结构,不可能共平面,D项正确。
3.1919年,美国物理化学家朗缪尔提出等电子原理:原子总数相同、价电子总数相同的分子,互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。
(1)根据上述原理,仅由第二周期元素组成的共价分子中,互为等电子体的是
和 ; 和 。
(2)此后,等电子原理又有所发展。例如,由短周期元素组成的粒子,只要其原子总数相同,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。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)仅由第二周期元素组成的共价分子,即C、N、O、F组成的共价分子中,N2与CO均有10个价电子,CO2与N2O均有16个价电子。(2)依题意,只要原子总数相同,各原子最外层电子数之和也相同,可互称等电子体,N为三原子粒子,各原子最外层电子数之和为5+6×2+1=18,SO2、O3也为三原子粒子,各原子最外层电子数之和为6×3=18。
4.短周期元素D、E、X、Y、Z的原子序数逐渐增大,它们的最简单氢化物分子的空间结构依次是正四面体形、三角锥形、正四面体形、V形、直线形。回答下列问题。
(1)Z的氢化物的结构式为 ,HZO分子中中心原子价电子对数的计算式为 ,该分子的空间结构为 。
(2)Y的外围电子排布式为 ,Y的最高价氧化物的价电子分布的几何构型为 。
(3)X与Z形成的最简单化合物的化学式是 ,该分子中的键角是 。
(4)D、E的最简单氢化物分子的空间结构分别是正四面体形与三角锥形,这是因为 (填字母)。
a.两种分子的中心原子的价电子对数不同
b.D、E的非金属性不同
c.E的氢化物分子中中心原子上有一对孤电子对,而D的氢化物分子中中心原子上没有
答案：(1)H—Cl V形
(2)3s23p4 平面三角形
(3)SiCl4 109°28'
(4)c
解析：由题意可推出D、E、X、Y、Z分别为C、N、Si、S、Cl。HClO中氧原子是中心原子,价电子对数==4,所以HClO分子的空间结构为V形。SO3中硫原子的价电子对数为3,价电子分布的几何构型为平面三角形。SiCl4是正四面体形结构,键角为109°28'。CH4、NH3的中心原子的价电子对数均为4,分子的空间结构不同的根本原因是NH3分子中中心原子上有孤电子对,而CH4分子中中心原子上没有,分子的空间结构与元素的非金属性强弱无关。
5.氯吡苯脲是一种常用的膨大剂,其结构简式为,它是经国家批准使用的植物生长调节剂。
(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为 。
(2)氯吡苯脲晶体中,氮原子的杂化轨道类型为 ,羰基碳原子的杂化轨道类型为 。
(3)查文献可知,可用2-氯-4-氨基吡啶与异氰酸苯酯反应,生成氯吡苯脲:
+,
反应过程中,每生成1 mol氯吡苯脲,断裂 个σ键,断裂 个π键。(设NA表示阿伏加德罗常数的值)
(4)膨大剂能在动物体内代谢,其产物较为复杂,其中有H2O、NH3、CO2等。
①请用共价键知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因: 。
②H2O、NH3、CO2分子的空间结构分别是 ,中心原子的杂化类型分别是 。
答案：(1)1
(2)sp2、sp3 sp2
(3)NA NA
(4)①H—O键的键能大于H—N键的键能
②V形、三角锥形、直线形 sp3、sp3、sp
解析：(1)氯元素基态原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p5,所以未成对电子数为1。
(2)根据氯吡苯脲的结构简式可知,有2个氮原子均形成3个单键,孤电子对数为1,属于sp3杂化;剩余1个氮原子形成1个双键和1个单键,孤电子对数为1,是sp2杂化;羰基碳原子形成2个单键和1个双键,为sp2杂化。
(3)由于σ键比π键更稳定,根据反应的化学方程式可以看出,断裂的化学键为异氰酸苯酯分子中NC键中的π键和2-氯-4-氨基吡啶分子中的N—H键。
(4)①O、N属于同周期元素,O的原子半径小于N,H—O键的键能大于H—N键的键能,所以H2O分子比NH3分子稳定。②H2O分子中O原子的价电子对数==4,孤电子对数为2,所以H2O为V形结构,O原子采用sp3杂化;NH3分子中N原子的价电子对数==4,孤电子对数为1,所以NH3为三角锥形结构,N原子采用sp3杂化;CO2分子中C原子的价电子对数==2,不含孤电子对,所以CO2是直线形结构,C原子采用sp杂化。
