分子構(gòu)型與物質(zhì)的性質(zhì) (蘇教版選修3)

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1、4.1 分子構(gòu)型與物質(zhì)的性質(zhì) 學(xué)案（蘇教版選修3） 背景鏈接 現(xiàn)代化學(xué)鍵理論 隨著20世紀(jì)以來各種物理實驗方法的發(fā)展，人們對電子、原子等微觀粒子運動規(guī)律的認(rèn)識不斷深入。1990年普朗克提出能量量子理論，沖破了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)變化的框框。1911年盧瑟福提出了行星繞日的原子模型。在這些實驗和理論的基礎(chǔ)上，1913年玻爾提出著名的原子結(jié)構(gòu)模型，它能很好地解釋氫原子定態(tài)結(jié)構(gòu)和光譜，但在研究多電子原子或分子時，得不到滿意解釋。1923年德布羅意對光具有波粒二象性的假設(shè)，于1927年被戴維森電子衍射實驗證實。1926年薛定諤提出了波動方程，將電子波動性用函數(shù)來描寫。1927年海特勒與

2、倫敦在解薛定諤方程式時，經(jīng)假設(shè)、光譜證明：H2中的兩個電子是自旋反平行的一對，兩個氫原子結(jié)合成穩(wěn)定的氫分子，是由于電子分布主要集中在兩個原子核之間；從而產(chǎn)生了新的化學(xué)鍵概念。為了闡明共價鍵的形成，20世紀(jì)30年代初期建立兩種化學(xué)鍵理論：一種是價鍵理論，另一種是分子軌道理論。 知識鏈接 1.化學(xué)鍵 相鄰的原子之間強(qiáng)烈的相互作用。 （1）原子是廣義上的原子，既包括中性原子，也包括帶電原子或原子團(tuán)。 （2）相鄰原子間的相互作用。物質(zhì)內(nèi)不相鄰的原子間也有相互作用，它們之間的相互作用不是化學(xué)鍵。 （3）原子間強(qiáng)烈的相互作用。如果物質(zhì)內(nèi)相鄰的兩個原子間的作用很弱，如氦氣中相鄰的氦原子之間的作用

3、，就不是化學(xué)鍵。 2.共價鍵 原子之間通過共用電子對所形成的相互作用。 （1）共用電子對：共用電子對可以是兩原子共同提供的，也可以是某原子單方面提供的，可位于兩原子中間，也可以產(chǎn)生偏向和偏離。 （2）共價鍵可以存在于單質(zhì)分子中，如H2中；但單質(zhì)分子中不一定存在共價鍵，如He分子中，共價鍵還要存在于化合物分子之中，如HCl中。 （3）共價化合物中一定有共價鍵，離子化合物中可能存在共價鍵（如NH4Cl），也可能不存在共價鍵（如NaCl）。 酸不論強(qiáng)弱，分子中只存在共價鍵，不存在離子鍵。 3.非極性鍵和極性鍵 （1）非極性鍵：共用電子對不偏向任何一個成鍵原子而形成的共價鍵。 同種元

4、素原子間的共價鍵通常是非極性鍵。非極性鍵可能存在于單質(zhì)分子、化合物分子、離子化合物中。 （2）極性鍵：共用電子對偏向（或偏離）某個成鍵原子而形成的共價鍵。 不同種元素原子間的共價鍵通常是極性鍵。 疏導(dǎo)引導(dǎo) 知識點1：分子的空間構(gòu)型 1.雜化和雜化軌道 雜化是指在形成分子時，由于原子的相互影響，若干不同類型能量相近的原子軌道混合起來，重新組合成一組新軌道。這種軌道重新組合的過程叫做雜化，所形成的新軌道就稱為雜化軌道。 2.雜化過程及雜化軌道類型 （1）雜化過程 雜化軌道理論認(rèn)為在形成分子時，通常存在激發(fā)、雜化和軌道重疊等過程。 （2）雜化軌道的類型 對于非過渡元素，

5、由于ns、np能級比較接近，往往采用sp型雜化。對于過渡元素，（n-1）d、ns、np能級比較接近，常常采用dsp型雜化。sp型雜化，又分為sp雜化、sp2雜化、sp3雜化。dsp型雜化分為dsp2、dsp3、d2sp2等。 3.典型分子的雜化過程及立體構(gòu)型 （1）sp型雜化：一個ns軌道和一個np軌道間的雜化，雜化后得到兩個sp雜化軌道，且雜化軌道間的夾角是180°，呈直線形。如BeCl2、CH≡CH分子的形成。 ①BeCl2:Be原子的電子排布為1s22s2，從表面上看Be原子似乎不能形成共價鍵，但是在激發(fā)狀態(tài)下，Be的一個2s電子可以進(jìn)入2p軌道，經(jīng)過雜化形成2個sp雜化軌道，與氯

6、原子的具有一個單電子的3p軌道重疊形成兩個σ鍵。由于雜化軌道間的夾角為180°，所以形成的BeCl2分子的空間結(jié)構(gòu)是直線形的。請參看過程圖： Be原子sp雜化過程 兩個sp雜化軌道 BeCl2分子中σ鍵 ②CH≡CH：碳原子的電子排布為1s22s22p2，在形成CH≡CH分子時，碳原子2s軌道上的一個電子受激發(fā)躍遷到2p空軌道，一個2s軌道和一個2p軌道雜化形成2個sp雜化軌道，且各有一個單電子，呈直線形；剩余的2個各具有1個電子的2p軌道未參加雜化，則垂直于兩個sp雜化軌道形成的直線，每個碳原子的兩個sp雜化軌道分別與一個氫原子的1s軌道形成1個

7、σ鍵，各自剩余的1個sp雜化軌道相互形成一個σ鍵，而各自沒有參與雜化的2個2p軌道以垂直于前面3個σ鍵所在的直線“肩并肩”形成2個π鍵，從而形成CH≡CH分子。分子中的鍵角為180°，呈直線形。見下圖： C原子sp雜化過程 乙炔分子中的σ鍵 乙炔分子中的π鍵 （2）sp2型雜化：一個ns軌道和兩個np軌道間的雜化，雜化后得到三個sp2雜化軌道，且雜化軌道間的夾角是120°，呈平面三角形。如BF3、C2H4分子的形成。 ①BF3：B原子的電子排布為1s22s22p1。在形成BF3分子時，B原子2s軌道上的一個受到激發(fā)躍遷到2p空軌道上，1個

8、2s軌道和2個2p軌道雜化，得到3個sp2雜化軌道，且各有一個未成鍵電子，分別與氟原子的2p軌道重疊形成三個σ鍵。從而形成了BF3分子，分子中的鍵為120°，呈平面三角形。見下圖: B原子sp2雜化過程 三個sp2雜化軌道 BF3分子中的σ鍵 ②C2H4：在C2H4分子的形成過程中，每個碳原子2s軌道中的1個電子吸收能量躍遷到2p空軌道上，1個2s軌道和2個2p軌道雜化，形成能量相等、成分相同的3個sp2雜化軌道，且各有一個未成鍵電子，呈正三角形；剩余的1個2p軌道未參加雜化且垂直于這個三角形，每個碳原子的2個sp2雜化軌道分別與2個H原子的1s

9、軌道形成2個相同的σ鍵，各自剩余的1個sp2雜化軌道相互形成一個σ鍵，而各自沒有參與雜化的1個2p從垂直于5個σ鍵所在的平面“肩并肩”形成一個π鍵，從而形成C2H4分子，分子中鍵角約為120°。如下圖： C原子sp2雜化過程 三個sp2雜化軌道 C2H4分子中的σ鍵 C2H4分子中的π鍵 （3）sp3型雜化：一個ns軌道和三個np軌道間的雜化，雜化后得到四個sp3雜化軌道，且軌道間的夾角是109.5°,呈正四面體型，如CH4分子的形成。在CH4分子的形成過程中，碳原子2s軌道中的1個電子吸收能量躍遷到2p空軌道上，1個2s軌道和3個2p軌道

10、雜化，形成4個sp3雜化軌道，且各有一個未成鍵電子，在空間呈正四面體型，4個sp3雜化軌道分別與H原子的1s軌道重疊形成4個相同的σ鍵，從而形成了鍵角為109.5°，空間構(gòu)型為正四面體型的CH4分子。如下圖： C原子SP3雜化過程 四個sp3雜化軌道 CH4分子中的σ鍵 （4）苯分子的雜化過程及立體構(gòu)型 C6H6：苯分子形成過程中，每個碳原子2s軌道上的1個電子吸收能量躍遷到2p空軌道上，1個2s軌道和2個2p軌道雜化形成3個sp2雜化軌道，剩余的1個2p軌道未參加雜化，這樣，每個碳原子的兩個sp2雜化軌道上的電子分別與鄰近的兩個碳原子

11、的sp2雜化軌道上的電子配對形成σ鍵，于是六個碳原子組成一個正六邊形的碳環(huán)；每個碳原子的另一個sp2雜化軌道上的電子分別與一個氫原子的1s電子配對形成σ鍵。與此同時，未參加雜化的2p軌道均含有一個未成對電子，這六個碳原子的2p軌道相互平行，它們以“肩并肩”的方式相互重疊，形成含有六個電子，屬于六個原子的π鍵。這樣，就形成了鍵角為120°呈平面正六邊形的苯分子。見下圖： 苯分子中的σ鍵 苯分子中碳原子的2p軌道 知識點2：確定分子空間構(gòu)型的方法（了解） 1.價電子對互斥理論 為了預(yù)測分子和離子的立體構(gòu)型，提出了價電子對互斥理論，其基本觀點

12、是：分子中的價電子對（包括成鍵電子對和孤對電子）由于相互排斥作用，盡可能趨向彼此遠(yuǎn)離。 若n個價電子對全部是成單鍵的電子對，為使價電子對之間的斥力最小，就要求盡可能采取對稱的結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)n=2、3、4、5、6時，分子構(gòu)型分別為直線形、三角形、正四面體、三角雙錐和正八面體。對于ABm型分子（A是中心原子，B是配位原子），分子的價電子對數(shù)可以通過下式確定： n=其中，中心原子的價電子數(shù)等于中心原子的最外層電子數(shù)，配位原子中鹵素原子、氫原子各提供1個價電子，氧原子和硫原子按不提供價電子計算。 當(dāng)價電子對包含m個孤電子對，而且成鍵電子對中也有多重鍵時，由于它們之間的斥力

13、不同，會對分子的構(gòu)型產(chǎn)生影響。通常，斥力大小順序可定性地表示為： 叁鍵—叁鍵＞叁鍵—雙鍵＞雙鍵—雙鍵＞雙鍵—單鍵＞單鍵—單鍵。 孤電子對—孤電子對＞孤電子對—成鍵電子對＞成鍵電子對—成鍵電子對。 例如CH4、NH3、H2O這三種分子的m+n=4，因此應(yīng)該按四面體方向排布價電子對，但由于孤電子對排斥力大，使得NH3分子中的鍵角為107.3°，H2O分子中的鍵角為104.5°。 2.等電子原理 電子總數(shù)或價電子總數(shù)相同且原子總數(shù)相同的分子或離子具有相同的結(jié)構(gòu)特征。幾種常見的等電子體： (1)二原子10電子：N2、CO、NO+、CN-微粒中都含共價鍵。 (2)三原子16電子：C

14、O2、BeCl2、SCN-、都是直線形。 （3）四原子24電子：、、BF3都是平面三角形。 （4）五原子8電子：CH4、、SiH4都是正四面體型。 知識點3：關(guān)于分子極性的判斷規(guī)則 1.雙原子分子是否有極性與化學(xué)鍵是否有極性一致 (1)由非極性鍵結(jié)合的雙原子分子是非極性分子。 （2）由極性鍵結(jié)合而成的雙原子分子是極性分子。 2.多原子分子是否有極性，與原子結(jié)構(gòu)和分子空間構(gòu)型有關(guān) (1)常見的多原子分子，若中心原子的價電子全部參與成鍵，形成的分子空間構(gòu)型往往是對稱的，該分子是非極性分子，如CO2、CS2、BF3、CH4、CCl4、C2H2、C2H4、C6H6等。 (2)

15、若中心原子有不參與成鍵的電子，形成的分子空間構(gòu)型往往是不對稱的，其分子是極性分子，如H2O、H2S、SO2、NH3等。 (3)空間結(jié)構(gòu)對稱，但化學(xué)鍵不等性的分子也是極性分子，如CH3Cl、等。 活學(xué)巧用 1.下列關(guān)于雜化軌道說法錯誤的是（ ） A.所有原子軌道都參與雜化 B.同一原子中能量相近的原子軌道參與雜化 C.雜化軌道能量集中，有利于牢固成鍵 D.雜化軌道中一定有一個電子 解析：參與雜化的原子軌道，其能量不能相差太大，如1s與2s、2p能量相差太大不能形成雜化軌道。即只有能量相近的原子軌道才能參與雜化，故A錯B對；雜化軌道

16、的電子云一頭大一頭小，成鍵時利用大的一頭，可使電子云重疊程度更大，形成牢固的化學(xué)鍵，故C對；并不是所有的雜化軌道中都會有電子，也可以是空軌道（如一些配位化合物的形成）；也可以有一對孤對電子（如NH3、H2O的形成），故D錯。 答案：AD 2.s軌道和p軌道雜化的類型不可能有（ ） A.sp雜化 B.sp2雜化 C.sp3雜化 D.sp4雜化 解析：np軌道有三個:npx、npy、nPz,當(dāng)s軌道和p軌道雜化時只有三種類型：①sp雜化：即一個s軌道和一個p軌道的雜化。②sp2雜化：即一個s軌道和兩個p軌道的雜化。③sp3雜

17、化：即一個s軌道和三個p軌道的雜化。 答案：D 3.下列分子構(gòu)型中以sp3雜化軌道成鍵的是（ ） A.直線形 B.平面三角形 C.三角錐形 D.四面體型 解析：雜化軌道的空間構(gòu)型為：sp雜化軌道：直線形；sp2雜化軌道：平面三角形；sp3雜化軌道：四面體型。 答案：D 4.下列分子構(gòu)型是平面正三角形的是（ ） A.PH3 B.SiH4 C.BeCl2 D.BCl3 解析：判斷分子的構(gòu)型，主要看分子中中心原子是如何成鍵的。PH3分

18、子中中心原子P的電子排布為1s22s22p63s23p3，形成PH3分子時，采取sp3雜化，得到4個sp3雜化軌道，且有一個雜化軌道上有一對孤對電子，三個雜化軌道上分別有一個未成鍵電子與氫原子的1s軌道重疊形成三個σ鍵，由于孤對電子與成鍵電子對之間的排斥作用，故PH3為三角錐型分子。SiH4分子中的中心原子Si與C同主族，即SiH4和CH4成鍵類似，故SiH4為正四面體型。BeCl2分子中中心原子Be采取sp雜化，故BeCl2分子為直線形，BCl3分子中中心原子B采取sp2雜化，F(xiàn)、Cl同主族，即BCl3與BF3分子成鍵類似，故BCl3為平面三角形。 答案：D 5.下列分子或晶體均不包含正

19、四面體結(jié)構(gòu)的是（ ） ①二氧化碳 ②晶體硅 ③金剛石 ④甲烷 ⑤白磷 ⑥氨氣 A.①③ B.②④ C.①⑥ D.③⑤ 解析：①二氧化碳是直線形分子，兩個碳原子對稱地位于碳原子的兩側(cè)，是極性鍵，非極性分子。②晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石的結(jié)構(gòu)相似，每個Si原子與周圍的四個Si原子以共價鍵結(jié)合成正四面體型，整個晶體在空間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。③甲烷分子中中心原子碳采取sp3雜化，形成正四面體結(jié)構(gòu)的CH4分子。④白磷是4個磷原子結(jié)合而成的分子（P4），4個磷原子構(gòu)成中空的正四面體結(jié)構(gòu)。⑤氨分子中中心原子N采

20、取sp3雜化，但由于其中一個sp3雜化軌道上有一對孤電子對，所以NH3分子呈三角錐形，氮原子位于錐頂，三個氫原子位于錐底，氨分子中含極性鍵，屬極性分子。綜上所述，除①⑥外，都含有正四面體結(jié)構(gòu)。 答案：C 6.請完成下列表格的填空： 單原子分子 雙原子分子 三原子分子 四原子分子 五原子分子 分子 He、Ne H2 HCl H2O CO2 BF3 NH3 CH4 CH3Cl 鍵的極性 — 鍵角 — — — — 空間構(gòu)型 — 分子極性

21、 根據(jù)以上分析結(jié)果，試推測以上哪些物質(zhì)易溶于水？_____________________。 解析：本題著重考查分子的極性與鍵的極性以及分子空間構(gòu)型之間的關(guān)系，由非極性鍵構(gòu)成的分子一般都是非極性分子。由極性鍵構(gòu)成的分子，若能空間對稱，分子中電荷能不顯電性，分子則無極性，這樣的空間對稱有三種：一是直線形對稱，鍵角為180°,常見的分子有CO2、CS2、C2H2等；二是平面對稱，鍵角為120°，分子構(gòu)型為平面正三角形，常見的分子有BF3、BBr3等；三是立體對稱，鍵角為109.5°，分子構(gòu)型為正四面體，常見有CH4、CCl4、SiH4等。 根據(jù)相似相溶原理，易溶于水的有HCl、N

22、H3、H2O。 答案： 單原子分子 雙原子分子 三原子分子 四原子分子 五原子分子 分子 He、Ne H2 HCl H2O CO2 BF3 NH3 CH4 CH3Cl 鍵的極性 — 非極性鍵 極性鍵 極性鍵 極性鍵 極性鍵 極性鍵 極性鍵 極性鍵 鍵角 — — — 104.5° 180° 120° 107.3° 109.5° — 空間構(gòu)型 — 直線形 直線形 V形 直線形 平面正三角形 三角錐形 正四面體 四面體 分子極性 非極性 非極性 極性 極性 非極性 非極性 極性 非極性

23、 極性 7.下列粒子屬于等電子體的是（ ） A.CH4和 B.NO和O2 C.和H3O+ D.HCl和H2O 解析：電子數(shù)相等的粒子叫等電子體。A中電子數(shù)都為10；B中電子數(shù)分別為15、16，C中電子數(shù)分別為9、10；D中電子數(shù)分別為18、10。 答案：A 8.根據(jù)等電子原理，下列微粒與結(jié)構(gòu)相同的是（ ） A. B.BF3 C. D.CH4 解析：等電子原理：具有相同價電子數(shù)（指全部電子總數(shù)或價電子總數(shù)）和相同原子數(shù)的分子或離子具有

24、相同的結(jié)構(gòu)特征。電子總數(shù)為10，原子總數(shù)為5，而A、B、C中粒子的電子總數(shù)都為32，原子數(shù)都為4，只有D中電子總數(shù)為10，原子總數(shù)為5，故和CH4的結(jié)構(gòu)相同。 答案：D 9.下列各分子中，是極性分子的為（ ） A.BeCl2 B.BF3 C.NF3 D.C2H4 解析：BeCl2中Be以sp兩個雜化軌道與2個Cl原子形成2個σ鍵，Cl—Be—Cl分子構(gòu)型為直線形，所以是非極性分子；BF3中B原子以sp2 3個雜化軌道與3個F形成三個σ鍵，分子構(gòu)型為平面正三角形，所以是非極性分子；NF3分子和

25、NH3分子結(jié)構(gòu)相似，為三角錐形，所以是極性分子；C2H4中的每個C原子都以3個sp2雜化軌道形成3個σ鍵，兩個C原子各以1個沒有雜化的p軌道形成π鍵，C2H4形成平面形結(jié)構(gòu)，正負(fù)電荷重心重合，是非極性分子。 答案：C 10.判斷AB2分子是極性分子的主要依據(jù)（ ） A.分子中存在極性鍵則一定是極性分子 B.直線形分子，兩個A—B鍵的夾角為180° C.非直線形分子，兩個A—B鍵的夾角小于180° D.分子中存在離子鍵則一定是極性分子 解析：判斷由極性鍵構(gòu)成的化合物是否屬于極性分子，主要看分子中電荷分布是否對稱，不對稱則表明鍵的極性不能相互抵消，分子為極性分子，相反，若電荷分

26、布對稱則表明鍵的極性相互抵消，分子為非極性分子。因此，A選項無法肯定；B選項A—B鍵的夾角為180°，B—A—B呈直線形結(jié)構(gòu)，故電荷分布均勻，鍵的極性相互抵消，屬于非極性分子。C選項由于A—B鍵的夾角小于180°，即呈折線形結(jié)構(gòu)，故電荷分布不均勻，鍵的極性不能相互抵消，屬于極性分子，D選項中離子鍵與分子是否有極性無關(guān)。 答案：C 11.下列關(guān)于四氯化碳的敘述中正確的是（ ） A.通常情況下CCl4是無色氣體 B.CCl4分子是含有極性鍵的非極性分子 C.CCl4在空氣中易燃燒生成CO2 D.CCl4易溶于水，不能從碘水中萃取碘

27、 解析：CCl4在通常情況下是油狀液體，故A錯，它不易燃燒，可以用來作滅火劑，故C錯，CCl4是非極性分子，難溶于水，可用來萃取碘水中的I2，D錯。 答案：B 12.下列分子中，屬于含有極性鍵的非極性分子的一組是（ ） A.C2H4、C2H2、C6H6 B.CH4、CCl4、CO2 C.Cl2、H2、N2 D.NH3、H2O、SO2 解析：單質(zhì)分子一般都是非極性分子，且化學(xué)鍵為非極性鍵，不符合題目要求，故不選C。多原子分子的極性主要取決于分子的空間結(jié)構(gòu)，A中三個分子都是

28、平面形結(jié)構(gòu)，正負(fù)電荷重心都重合，屬于非極性分子，且C—H鍵為極性鍵，故選A；B中CH4、CCl4為正四面體結(jié)構(gòu)的非極性分子，含有C—H和C—Cl極性鍵，CO2為直線形結(jié)構(gòu)的非極性分子，含有C—O極性鍵，故選B。D中三分子結(jié)構(gòu)分別為三角錐形、V形、折線形，正負(fù)電荷重心不重合，屬于極性分子，故不選D。 答案：AB 13.2000年1月底，羅馬尼亞一金礦污水處理池因連降暴雨而發(fā)生裂口，100 000 L含氰化物和鉛、汞等重金屬的污水流入蒂薩河（多瑙河支流），造成該河90%以上的動植物死亡。這是繼切諾貝利核泄漏以來，歐洲最嚴(yán)重的環(huán)境污染事件。氰氣［（CN）2］和氰化物都是劇毒物質(zhì)，氰分子的結(jié)構(gòu)式為

29、N≡C—C≡N，性質(zhì)與鹵素相似，下列敘述錯誤的是（ ） A.氰分子中，四原子共直線，是非極性分子 B.氰分子中，C≡N鍵長大于C≡C鍵長 C.氰氣能與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)得到氰化物和次氰酸鹽 D.氰化氫在一定條件下能與烯烴發(fā)生加成反應(yīng) 解析：在元素周期表中，同周期元素，隨著原子序數(shù)遞增，原子半徑減小，因此N原子半徑比C原子半徑小，則C≡N鍵長大于C≡C鍵長。 答案：B 14.下列分子有手性碳原子的是（ ） A.CH3CH2OH B.C2H4 解析：手性碳原子是指當(dāng)四個不同的原子或基團(tuán)連接在碳原子上時，形成的化合物存在手性異構(gòu)體，其中，連接四個不同的原子或基團(tuán)的碳原子稱為手性碳原子。A中無連接四個不同原子或基團(tuán)的碳，故A不選；B為也不選；C中與Cl原子連接的碳原子即為手性碳原子；D為乙酸，也無手性碳原子。 答案：C