2019高中化学第二章第二节分子的立体构型讲义新人教版选修3

2019高中化学第二章第二节分子的立体构型讲义新人教版选修3

分子的立体构型1．认识共价分子结构的多样性和复杂性。2．理解价层电子对互斥理论的含义。3．能根据有关理论判断简单分子或离子的构型。4．了解杂化轨道理论的基本内容。5．了解配位键的特点及配合物理论，能说明简单配合物的成键的情况。细读教材记主干1．CH4、CO2和NH3分子的空间构型分别为正四面体形、直线形、三角锥形。2．五原子分子都是正四面体结构吗？为什么？提示：不是，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等，虽为四面体结构，但由于碳原子所连的四个原子不相同，四个原子电子云的排斥力不同，使四个键的键角不全相等，所以并不是正四面体结构。3．价层电子对是指中心原子上的电子对，包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对。中心原子形成几个σ键就有几对σ键电子对，而中心原子上的孤电子对数可由下式计算：(a－xb)，其中a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。4．价层电子对数为2时，VSEPR模型为直线形；价层电子对数为3时，呈平面三角形；价层电子对数为4时，呈四面体形，由此可推测分子的立体构型。5．杂化轨道理论是为了解释分子的立体构型提出的一种价键理论。sp杂化得到夹角为180°的直线形杂化轨道，sp2杂化得到三个夹角为120°的平面三角形杂化轨道，sp3杂化得到4个夹角为109°28′的四面体形杂化轨道。6．由一个原子单方面提供而另一个原子接受孤电子对形成的共价键为配位键，金属离子或原子与某些分子或离子，通过配位键形成配位化合物。n[新知探究]1．三原子分子的空间构型：直线形和V形，如化学式电子式结构式键角分子的立体结构模型立体结构比例模型球棍模型CO2O===C===O180°直线形H2O105°V形2.四原子分子的空间构型：平面三角形和三角锥形，如化学式电子式结构式键角分子的立体结构模型立体结构比例模型球棍模型CH2O平面三角形NH3107°三角锥形3.五原子分子的空间构型：正四面体形，如化学式电子式结构式键角分子的立体结构模型立体结构比例模型球棍模型CH4109°28′正四面体形[对点演练]1．硫化氢(H2S)分子中，两个H—S键的夹角都接近90°，说明H2S分子的立体构型为________________；二氧化碳(CO2)分子中，两个C===O键的夹角是180°，说明CO2分子的立体构型为______________；甲烷(CH4n)分子中，任意两个C—H键的夹角都是109°28′，说明CH4分子的立体构型为__________________。解析：用键角可直接判断分子的立体构型。三原子分子键角为180°时为直线形，小于180°时为V形。五原子分子、键角约109°28′时，立体构型为正四面体形。答案：V形　直线形　正四面体形[新知探究]1．价层电子对互斥理论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，由于电子对的相互排斥作用，而趋向尽可能彼此远离，分子尽可能采取对称的立体构型，以减小斥力。2．价层电子对的确定方法(1)a表示中心原子的价电子数对主族元素：a＝最外层电子数；对于阳离子：a＝价电子数－离子电荷数；对于阴离子：a＝价电子数＋|离子电荷数|。(2)x表示与中心原子结合的原子数。(3)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ABnn＝2n＝3n＝4价层电子对数__2____3____4__电子对排布方式立体构型名称直线形平面三角形正四面体键角180°120°109°28′n实例CO2BF3CH4(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立体构型。化学式含孤电子对的VSEPR模型分子或离子的立体构型分子或离子的立体构型名称H2OV形NH3三角锥形HCN直线形H3O＋三角锥形SO2V形[名师点拨]　分子空间构型确定(1)若分子中没有孤电子对，VSEPR模型和分子模型一致ABn立体结构范例n＝2直线形CO2n＝3平面三角形BF3n＝4正四面体形CH4(2)若分子中有孤电子对，VSEPR模型和分子模型不一致，价层电子对互斥理论对几种分子或离子的立体构型的预测如表所示：价层电子对数价层电子对排布成键电子对数孤电子对数分子类型电子对的排布方式分子构型实例n2直线形20AB2直线形CO23平面三角形30AB3平面三角形BF3续表价层电子对数价层电子对排布成键电子对数孤电子对数分子类型电子对的排布方式分子构型实例4四面体40AB4正四面体CH431AB3三角锥形NH322AB2V形H2O[对点演练]2．(2016·成都高二检测)用价层电子对互斥理论(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间构型，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都是平面三角形分子D．PCl3、NH3、PCl5都是三角锥形分子解析：选C　SO2分子中含有孤对电子，不是直线形分子，是V型分子，A错误；BF3键角为120°，SnBr2键角大于109°28′，不一定大于120°，B错误；COCl2、BF3、SO3是平面三角形分子，C正确；PCl3、NH3是三角锥形分子，PCl5是三角双锥形分子，D错误。[新知探究]1．杂化与杂化轨道n2．杂化轨道类型及分子立体构型杂化类型spsp2sp3参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′立体构型名称直线形平面三角形正四面体形实例CO2、C2H2BF3、CH2OCH4、CCl43.杂化轨道与共价键类型杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对，不能形成π键；未参与杂化的p轨道可用于形成π键。[名师点拨]　分子的立体构型与杂化类型的关系(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时杂化类型spsp2sp3轨道组成一个ns和一个np一个ns和两个np一个ns和三个np轨道夹角180°120°109°28′杂化轨道示意图实例BeCl2BF3CH4分子结构示意图分子的立体构型直线形平面三角形正四面体形(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时n由于孤电子对参与互相排斥，会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。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构型，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构型，而呈三角锥形。[对点演练]3．(2016·襄阳高二检测)下列关于杂化轨道的叙述中，不正确的是(　　)A．杂化轨道可用于形成σ键、π键或用于容纳未参与成键的孤电子对B．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C．杂化前后的轨道数不变，但轨道的形状发生了改变D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°解析：选A　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，不能形成π键，A错误；分子中中心原子通过sp3杂化轨道成键时，该分子是否是正四面体，还与该中心原子是否有孤对电子有关，若无孤对电子，则为正四面体，B正确；杂化前后轨道的数目不变，但轨道的形状会发生变化，C正确；sp3杂化轨道为正四面体形，夹角为109°28′，sp2杂化轨道为平面三角形，夹角是120°，sp杂化轨道为直线型，夹角是180°，D正确。[新知探究]1．配位键(1)概念：孤电子对由一个原子单方面提供而另一个原子接受孤电子对形成的共价键，即“电子对给予——接受键”，是一类特殊的共价键。(2)表示：配位键可以用A→B来表示，其中A是提供孤电子对的原子，B是接受孤电子对的原子。例如：(3)实例：如在四水合铜离子中，铜离子与水分子之间的化学键是由水分子提供孤电子对给铜离子，铜离子接受水分子的孤电子对形成的。2．配合物(1)定义：金属离子(或原子)与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物，简称配合物。(2)配合物的形成举例n实验操作实验现象有关离子方程式滴加氨水后，试管中首先出现蓝色沉淀，氨水过量后沉淀逐渐溶解，滴加乙醇后析出深蓝色晶体Cu2＋＋2NH3·H2O===Cu(OH)2↓＋2NH，Cu(OH)2＋4NH3·H2O===[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－＋4H2O，[Cu(NH3)4]2＋＋SO＋H2O[Cu(NH3)4]SO4·H2O↓溶液颜色变成红色Fe3＋＋3SCN－===Fe(SCN)3[名师点拨]1．配合物的组成和形成条件(1)配合物的组成一般中心原子(或离子)的配位数为2、4、6。(2)形成配合物的条件①配体有孤电子对；②中心原子有空轨道。2．配合物的形成对物质性质的影响(1)溶解性的影响一些难溶于水的金属氯化物、溴化物、碘化物、氰化物，可以依次溶解于含过量的Cl－、Br－、I－、CN－和氨的溶液中，形成可溶性的配合物。(2)颜色的改变当简单离子形成配离子时其性质往往有很大差异。颜色发生变化就是一种常见的现象，我们根据颜色的变化就可以判断是否有配离子生成。n(3)稳定性增强配合物具有一定的稳定性，配合物中的配位键越强，配合物越稳定。当作为中心原子的金属离子相同时，配合物的稳定性与配体的性质有关。[对点演练]4．过渡金属在生产生活中的应用十分广泛。Ⅰ.铬元素形成的氯化铬酰(CrO2Cl2)有重要用途，在有机合成中可作氧化剂或氯化剂，能与许多有机物反应。Ⅱ.Cu可形成多种配合物，根据下列信息回答问题：(1)向盛有硫酸铜水溶液的试管里逐滴加入氨水，首先出现蓝色沉淀，继续滴加氨水，蓝色沉淀溶解，得到深蓝色的透明溶液，请写出先后发生反应的离子方程式______________________________________；______________________。深蓝色溶液中配离子的立体构型为_____________________。(2)再向深蓝色透明溶液中加入乙醇，析出深蓝色的晶体。深蓝色晶体的化学式为_________________________。(3)根据以上实验过程，判断NH3和H2O与Cu2＋的配位能力：NH3________H2O(填“>”、“＝”或“<”)。Ⅲ.Ni(CO)6为正八面体结构，其中的镍原子位于正八面体的中心，配位体CO分子则在正八面体的六个顶点上。(4)若把其中两个CO配位体换成NH3得到新的配合物，则以下物质中互为同分异构体的是________。(填字母编号，任填一组。图中黑点为NH3，圆圈为CO，Ni略去)解析：(1)向盛有硫酸铜水溶液的试管里逐滴加入氨水，首先出现蓝色沉淀，该蓝色沉淀是氢氧化铜，发生反应的离子方程式为Cu2＋＋2NH3·H2O===Cu(OH)2↓＋2NH；后加入氨水，沉淀溶解，生成四氨合铜络离子，离子方程式为Cu(OH)2＋4NH3·H2O===[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－＋4H2O；深蓝色溶液中配离子是[Cu(NH3)4]2＋，立体构型为平面四边形。(2)再向深蓝色透明溶液中加入乙醇，析出深蓝色的晶体，该深蓝色晶体是[Cu(NH3)4]SO4·H2O。(3)根据以上实验过程，说明氨气比水更易与Cu2＋结合形成配离子，所以配位能力NH3>H2O。(4)由结构图可知，A与E是同种结构，B与C、D是一种结构，所以A(或E)与B、C、D中的任意一种互为同分异构体。答案：(1)Cu2＋＋2NH3·H2O===Cu(OH)2↓＋2NH　Cu(OH)2＋4NH3·H2O===[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－＋4H2O　平面四边形n(2)[Cu(NH3)4]SO4·H2O(3)>(4)A(或E)与B、C、D的任意组合1．下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是(　　)①BF3　②CH2CH2　③　④CH≡CH⑤NH3　⑥CH4A．①②③　　　　　　　　　　B．①⑤⑥C．②③④D．③⑤⑥解析：选A　①②③均为平面形分子，中心原子是sp2杂化；④为直线形分子，中心原子是sp杂化；NH3是三角锥形、CH4是正四面体形分子，中心原子均是sp3杂化。2．(2016·宁夏师大附中高二检测)下列说法正确的是(　　)A．CHCl3是正四面体形B．H2O分子中氧原子为sp2杂化，其分子几何构型为V形C．二氧化碳中碳原子为sp杂化，为直线形分子D．NH是三角锥形解析：选C　甲烷中4个共价键完全相同的为正四面体形，CHCl3分子的4个共价键不完全相同，所以不是正四面体形，A错误；H2O分子中O原子的价层电子对数为2＋(6－1×2)＝4，为sp3杂化，含有2个孤电子对，分子为V形，B错误；二氧化碳中C原子的价层电子对数为2＋(4－2×2)＝2，为sp杂化，分子为直线形，C正确；NH中N原子的价层电子对数为4＋(5－1－4×1)＝4，为sp3杂化，不含有孤电子对，为正四面体形，D错误。3．(2016·烟台高二检测)下列针对H3O＋的说法中正确的是(　　)A．中心原子上的孤电子对数为2B．O原子采用sp2杂化，空间构型为三角锥形nC．离子中存在配位键D．纯水呈中性，纯水中不存在H3O＋微粒解析：选C　水合氢离子中孤电子对个数为(6－1－3×1)＝1，A项错误；在H3O＋中O原子成3个σ键，其中含有1个配位键，有一对未成键的孤对离子，杂化轨道数为4，采取sp3型杂化，B项错误；在H3O＋中O原子成3个σ键，其中含有一个配位键，C项正确；纯水呈中性，纯水中存在H3O＋微粒，D项错误。4．下列过程与配合物的形成无关的是(　　)A．除去Fe粉中的SiO2可用强碱溶液B．向一定量的AgNO3溶液中加入氨水至沉淀消失C．向FeCl3溶液中加入KSCN溶液D．向一定量的CuSO4溶液中加入氨水至沉淀消失解析：选A　A项，除去Fe粉中的SiO2是利用SiO2可与强碱反应的化学性质，与配合物的形成无关；B项，AgNO3与氨水反应生成了AgOH沉淀，继续反应生成了配合物离子[Ag(NH3)2]＋；C项，Fe3＋与KSCN反应生成了配合物离子[Fe(SCN)n]3－n；D项，CuSO4与氨水反应生成了配合物离子[Cu(NH3)4]2＋。5．(2016·连云港高二检测)下列反应曾用于检测司机是否酒后驾驶：2Cr2O＋3CH3CH2OH＋16H＋＋13H2O―→4[Cr(H2O)6]3＋＋3CH3COOH(1)Cr3＋基态核外电子排布式为___________________________；配合物[Cr(H2O)6]3＋中，与Cr3＋形成配位键的原子是________(填元素符号)。(2)CH3COOH中C原子轨道杂化类型为________；1molCH3COOH分子中含有σ键的数目为________。(3)与H2O互为等电子体的一种阳离子为________(填化学式)；H2O与CH3CH3OH可以任意比例互溶，除因为它们都是极性分子外，还因为___________________________。解析：(1)Cr属于第四周期第ⅥB族，根据洪特特例，Cr3＋基态核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d3或[Ar]3d3，Cr3＋提供空轨道，另一方提供孤电子对，只有氧元素有孤电子对，与Cr3＋形成配位键的原子是O。(2)甲基中碳原子有4个σ键，无孤电子对，价层电子对数为4，则杂化类型是sp3，羧基中碳有3个σ键，无孤电子对，价层电子对数为3，则杂化类型是sp2，两个成键原子间只能形成1个σ键，根据醋酸的结构得出含有7NA。(3)等电子体：原子总数相等，价电子总数相等，故与H2O互为等电子体的是H2F＋。溶解度除相似相溶外，还跟能形成分子间氢键、反应等有关，因此是形成分子间氢键的缘故。答案：(1)1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3)　O　(2)sp3、sp2　7NA　(3)H2F＋　H2O与CH3CH2O之间可以形成氢键n