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分子的空间结构


分子的空间结构
[知识点回顾] 一、杂化轨道理论 (1)能量相近的原子轨道才能参与杂化; (2)杂化后的轨道一头大,一头小,电子云密度大的一端与成键原子的原子轨道沿键轴 方向重叠,形成σ 键;由于杂化后原子轨道重叠更大,形成的共价键比原有原子轨道形成 的共价键稳定。 (3)杂化轨道能量相同,成分相同,如:每个 sp3 杂化轨道占有 个 s 轨道、 个p 轨道; (4)杂

化轨道总数等于参与杂化的原子轨道数目之和。 sp3 杂化(举例: )

sp2 杂化(举例:



sp 杂化: (举例:



二、价层电子对互斥理论 1、价电子对:包括孤对电子对和成键电子对,一般孤电子对离核较近。 2、价电子对之间存在相互排斥作用,为减小斥力,相互之间尽可能远离,因此分子的空 间构型受到影响,一般,分子尽可能采取对称的空间结构以减小斥力。 相邻电子对间斥力大小顺序: 孤对电子对 ? 孤对电子对>孤对电子对 ? 成键电子对>成键电子对 ? 成键电子对 三、确定分子空间构型的简易方法 1、对于 ABm 型分子
价层电子对数目 ( n) ? 中心原子A的价电子数 ? 配位原子B提供的价电子数 ? m 2
1

(1) 对于主族元素, 中心原子价电子数=最外层电子数, 配位原子按提供的价电子数计算, 如:PCl5 中 n ?

5 ? 1? 5 ?5 2

(2)O、S 作为配位原子时按不提供价电子计算,作中心原子时价电子数为 6; (3)离子的价电子对数计算 如:NH4+ : n ?

5 ? 1? 4 ? 1 ? 4; 2
中心原子杂 化轨道类型 sp sp Sp2 Sp3 Sp3 Sp3 Sp Sp
3 3

SO42- : n ?

6?0?2 ?4 2
分子空间 构型 直线型 直线型 正三角形
‘ ‘

例 1:计算下列分子或离子中的价电子对数,并根据已学填写下表 物质
气态 BeCl2

价电子 对数 2 2 3 4 4 4 4 4

杂化轨道/电子 对空间构型 直线型 直线型 正三角形 正四面体 正四面体 正四面体 正四面体 正四面体

轨道夹角 1800 1800 1200 109028 109028
0 0

键角 1800 1800 1200 109028 109028
107.3 100.1°
‘ ‘

CO2 BF3 CH4 NH4+ H2O NH3 PCl3

正四面体 正四面体 四面体 四面体 四面体

109028 109 28 109 28

104°30′

例 2:指出下列分子或离子中,中心原子可能采用的杂化轨道类型,并预测几何构型。 ①HCHO ②H3O+ ③SO2、SO3、SO42- ④CO32-、NO3-、NO2- ⑤ClO4-、PO43- 、SiO44四、等电子原理 1、规律内容:具有相同 和相同 的分子或离子具有相同的结 4构特征,某些物理性质也相似。如:CO 与 N2,SiCl4、SiO4 与 SO422、常见的等电子体 等电子体有哪些结构类型? 答:等电子体千千万万,了解常见的、重要的等电子体有助于我们解释推理一些性质 和结构的关系。下面这些等电子体的分类中,通过理论计算和实验测定,不仅空间构型相 似,而且键长、键角、偶极矩等参数都表现出相似之处。 - (1)二原子 10 电子:最熟知的就是 N2 和 CO。同属于这类的还有 C22 (乙炔基) 、 + - C2H2、NO (亚硝酰基) 、CN (氰离子) 。大家可以发现它们的分子内部都有 1 个σ 键和 2 个π 键。显然,两个原子组成的分子或离子,它们的分子构型必然是直线型的,无论它 的电子数有多少——因为电子云只有空间运动的“电子云”形状而没有具体固定的骨架。 - - - - (2)三原子 16 电子:CO2、N2O、N3 、CNO 、NCO 、SCN 、气态 BeCl2、C3H4 (丙二烯)等等。我们知道二氧化碳是直线型分子,由于结构对称,所以是一个非极性分 子。 按照等电子原理, 与 CO2 同为等电子体的其它分子或离子的空间构型也应该是直线型。 实验证明,事实与推测一样,中心原子上没有孤对电子而取 sp 杂化轨道形成分子的σ 骨
4 架,键角为 180°,分子里有两套 ? 3 大 ? 键。有这么一道竞赛模拟题曾经问过 N3 的空间


2

构型和结构式、N 原子的氧化数,杂化方式和成键方式,当我们知道 N3 与 CO2 分子互为 等电子体,答案很快就可以出来了:直线型;
4 两个 ? 3 键。



;-1/3;sp 杂化;两个σ 键和

(3)三原子 18 电子:常见的有 NO2 、O3、SO2。它们都是折线构型。中心原子 N、
4 O、S 以 sp2 杂化轨道分别与 2 个 O 原子形成 2 个σ 键,另有一个 ? 3 键。键角因受孤对电



子的斥力而小于 120°。其中臭氧分子是单质分子中唯一的极性分子。 - - - - (4)四原子 24 电子:主要有 NO3 、BO32 、BF3、CO32 、CS32 、SO3 等。均为平 面三角形。其中 B、C、N、S 原子均以 sp3 轨道分别与三个相邻原子结合,此外还有强度
6 不同的 ? 4 。Chemistry Physics Letter 曾经报道用理论计算表明 OO3 是一种亚稳结构,并优

化得到键长,而实验仅发现 O4 以 O2 二聚体形式存在。 - - (5)五原子 32 电子:主要有 CX4、CXnY4-n(X、Y 均为卤素) 、B(OH)4 、BF4 、 - - B(OH)nF4-n,其中 CX4、BF4 、B(OH)4 是四面体构型。中心原子 B、C 均以 sp3 杂 化轨道分别与四个相邻原子成 4 个σ 键。 (6)六原子 30 电子的等电子体:最典型的有苯(C6H6)和环硼氮烷(B3N3H6) ,它 们不仅结构相似而且物理性质相近(如下表) 。所以称后者为“无机苯”——可以认为是 苯分子中的 6 个 C 被 3 个 B、3 个 N 原子的相间取代物。 熔点/K C6H6 B3N3H6 353 328 临界温度/K 561 525 汽化热/ (kJ/mol) 30.8 29.4 摩尔体积/ (cm3) 96 100 C-C B-N 键长 /pm 142 144

五、分子的极性与手性分子 [巩固练习] 1、 下列有关杂化轨道的说法不正确的是 ( A、原子中能量相近的某些轨道,在成键时能重新组合成能量相等的新轨道 B、轨道数在杂化前后可以相等,也可以不等 C、杂化轨道成键时,要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理 D、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。 2、 下列分子中, 结构构成平面三角形的是 ( A、SO3 B、BF3 C、NCl3 D、PF3 3、下列分子中,键角最大的是 ( A、P4 B、H2O C、CCl4 D、NH3 4、 下列分子中所有原子都满足 8 电子结构的是 ( A、光气(COCl2) B、六氟化硫 C、二氟化氙 D、三氟化硼 5、 下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是 ( A、CO2 和 SO2 B、CH4 和 NH3 C、BeCl2 和 BF3 D、C2H4 和 C2H2
3



) ) ) )

6、 下列分子中的碳原子采取 sp2 杂化的是 ( ) A、C6H6 B、C2H2 C、C2H4 D、C3H8 E、CO2 F、石墨 7、 下列分子的键角均是 109° 28′的是 ( ) A、P4 B、NH3 C、CCl4 D、CH2Cl2 8、有关苯分子中的化学键描述正确的是 ( ) 2 A.每个碳原子的 sp 杂化轨道中的其中一个形成大 π 键 B.每个碳原子的未参加杂化的 2p 轨道形成大 π 键 C.碳原子的三个 sp2 杂化轨道与其它形成三个 σ 键 D.碳原子的未参加杂化的 2p 轨道与其它形成 σ 键 9、下列判断正确的是 ( ) A、BF3 是三角锥形分子 B、铵根离子呈平面形结构 C、甲烷分子中的 4 个 C-H 键都是氢原子的 1s 轨道与碳原子的 p 轨道形成的 s-pσ 键 D、甲烷分子中的 4 个 C-H 键都是氢原子的 1s 轨道与碳原子的 4 个 sp3 杂化轨道重叠形成的 σ键 10、B3N3H6 和苯就是等电子体,人们把 B3N3H6 称作无机苯,下列说法中正确的是( ) A、B3N3H6 是由极性键组成的非极性分子 B、B3N3H6 能发生加成反应和取代反应 C、B3N3H6 具有碱性 D、B3N3H6 各原子不在同一个平面上 E、B3N3H6 中 B 和 N 原子的原子轨道可能采取 sp2 型杂化 11、 下列说法中不正确的是 ( ) A、分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)之间存在相互排斥作用 B、分子中的价电子对之间趋向于彼此远离 C、分子在很多情况下并不是尽可能采取对称的空间构型 D、当价电子对数目分别是 2、3、4 时,价电子对分布的几何构型分别为直线型、平面 三角型、正四面体型 12、成键原子中的孤电子对对键能有影响,孤电子对的排斥 作用使得键能变小。第 -1 2 周期元素 A 与氢形成的化合物中 A - A 键的键能( k J ·mol )如下:H 3 C - CH 3 a ; H 2 N - NH 2 b ; HO - OH c 。则 a 、 b 、 c 的大小关系为( ) A. a > b > c B. b > a > c C. c > b > a D. 无法确定 13、有下列两个系列的物质:X、Y、Z、W 可能是下列各组物质中的( ) 系列一:CH4 C2H6 CO32- Y C2O42- W 系列二:NH4+ N2H62+ X NO2+ Z N2 A、NO3- CO2 N2O4 CO B、NO3- CO2 N2H4 C2H2 C、NO3- CO NO2- C2H2 D、NO3- HCO3- N2O42- CO 14、写出符合下列条件的相应的分子或离子的化学式: ⑴硼原子用 sp2 杂化轨道形成三个σ 键: ⑵氮原子用 sp3 杂化轨道形成四个完全相同的化学键: ;氮原子形成一个σ 键 两个π 键
4

⑶碳原子分别以 sp 、sp2、sp3 杂化轨道成键 、 、 。 15、 若 ABn 的中心原子上有一对孤对电子未能成键, 当 n=2 时, 其分子结构为 ; 当 n=3 时,其分子结构为 。 16、1994 年度诺贝尔化学奖授予为研究臭氧做出特殊贡献的化学家。O3 能吸收有害紫外 线,保护人类赖以生存的空间。O3 分子的结构如图,呈 V 型,键角 116.5℃。三个原 子以一个 O 原子为中心, 与另外两个 O 原子分别构成一个非极性 共价键;中间 O 原子提供 2 个电子,旁边两个 O 原子各提供 1 个 电子,构成一个特殊的化学键——三个 O 原子均等地享有这 4 个 电子。请从下列选项中选择合适的答案:中心原子与臭氧的中心 氧原子的杂化轨道类型相同的有: 。与 O3 分子构型 最相似的是 。 A.H2O B.CO2 C.SO2 D.BF3 E. NO217、已知 H2O2 分子的结构如图所示,此分子不是直线形的,两个 H 原子犹如在半展开的 书的两面纸上,试回答: (1)写出 H2O2 分子的电子式和结构式: 、 。 (2)写出分子内的键型: 。 (3)估计它难溶于 CS2,简要说明原因 (4)指出氧元素的化合价,简要说明原因: 。 *(5)中心氧原子的孤对电子对数为 ,中心原子原子轨道可能采取 类型杂 化,该杂化轨道间夹角为 , 而 H-O-O 键 角 为 96° 52 ′ , 可 能 原 因 是 ,该原因也可能间接导致 O-O 键长变 (长或短) 。 — + 18、 (1)CNS 、NO2 具有相同的通式:AX2,它们的价电子总数都是 16,因此它们的结 构与由第二周期两元素组成的 分子的结构相同,微粒呈 形,中心原子 都取 杂化。 2— (2) CO3 、 NO3—等微粒具有相同的通式: , 它们的价电子总数都是 , 因此它们与由第六主族两元素组成的 分子的结构相同,呈 形, 中心原子都取 杂化。 (3)N2O(笑气)可用作麻醉剂,其与 CO2 构成等电子体,已知 N2O 分子中氧原子中只与 一个氮原子相连, 则 N2O 的电子式可表示为 , 其空间构型为 。 19、果糖分子的结构简式为 CH2OH(CHOH)3COCH2OH,试写出其结构式。并用*标记 出其中的手性碳原子;在果糖分子中 C 原子以何种杂化轨道成键?成何种键?

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