化学选修三第二章第二节分子的立体构型

选修三第二章第2节 分子的立体构型第2节 分子的立体构型一、常见分子的空间构型1.双原子分子都是直线形，如：HCl、NO、O2、N2 等。2.三原子分子有直线形，如CO2、CS2等；还有“V”形，如H2O、H2S、SO2等。3.四原子分子有平面三角形，如BF3、BCl3、CH2O等；有三角锥形，如NH3、PH3等；也有正四面体，如P4。4.五原子分子有正四面体，如CH4、CCl4等，也有不规则四面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。另外乙烯分子和苯分子都是平面形分子。二、价层电子对互斥理论（Valance Shell Electron Pair Repulsion Theory）简称VSEPR 适用AD m 型分子1、理论模型分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)，由于相互排斥作用，而趋向尽可能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间构型。2、用价层电子对互斥理论推断分子或离子的空间构型的一般步骤：(1)确定中心原子A价层电子对数目法1经验总结中心原子的价层电子对数=（中心离子价电子数+配对原子提供电子总数）对于ABm型分子(A为中心原子，B为配位原子)，计算方法如下：n注意：氧族元素的氧做中心时：价电子数为 6, 如 H2O，H2S；做配体时:提供电子数为 0，如在 CO2中。如果讨论的是离子，则应加上或减去与离子电荷相应的电子数。如PO中P原子价层电子数5+（04）+3 = 8；NH 中N原子的价层电子数5+（14）1 = 8。结果为单电子时视作有一个电子对。例：IF5 价层电子对数为7+（51） = 6对 正八面体（初步判断） N H 价层电子对数为5+（41）1 = 4对 正四面体PO 价层电子对数为5+（04）+3 = 4对 正四面体NO2 价层电子对数为5+0 = 2.53对 平面三角形法2. 确定中心原子A价层电子对数目-普遍规则中心原子A价层电子对数目=成键电子对数+孤对电子数(VP=BP+LP)VP是价层电子对，BP是成键电子对（BOND ），LP是孤对电子对（LONE PAIR）VP=BP+LP=与中心原子成键的原子数+中心原子的孤对电子对数LP=配位原子数+LPLp = (中心原子价电子数配位原子未成对电子数之和) IF5 Lp=7(51) = 1 构型由八面体四方锥NH Lp =（51）（41） = 0 正四面体PO Lp =（5+3）（42） = 0 正四面体SO Lp =（6+2）（42） = 0 正四面体NO2 Lp =5（22） = 1 构型由三角形V形SO Lp =（6+2）（32） = 1 构型由四面体三角锥法3：由Lewis结构式或结构式直接写出，双键、三键都是1对电子 VP: 5 4 4 6 4(2)确定价层电子对的空间构型价层电子对数目23456价层电子对构型直线形三角形四面体三角双锥八面体(3)分子空间构型确定价层电子对互斥模型说明的是价层电子对的空间构型，而分子的空间构型指的是成键电子对空间构型，不包括孤对电子。当中心原子无孤对电子时，两者的构型一致；当中心原子有孤对电子时，两者的构型不一致。电子对数 目中心原子杂化类型电子对的空间构型成键电子对数孤电子对 数电子对的排列方式分子的空间构型实 例2sp直 线20直 线BeCl2CO23sp2三角形30三角形BF3SO321V形SnBr2PbCl24sp3四面体40四面体CH4CCl431三角锥NH3PCl322V形H2O3、理论要点：AD m 型分子的空间构型总是采取A的价层电子对相互斥力最小的那种几何构型；分子构型与价层电子对数有关（包括成键电子对和孤电子对）；分子中若有重键（双、叁键）均视为一个电子对；电子对的斥力顺序：孤电子对孤电子对孤电子对键对键对键对由于三键、双键比单键包含的电子数多，所以其斥力大小次序为三键双键单键。叁键与叁键叁数与双键双键与双键双键与单键单与单键。4、价层电子对斥力作用对键角影响的定性解释由于键合电子对受到左右两端带正电原子核的吸引，而孤对电子对只受到一端原子核吸引，相比之下，孤对电子对较“胖”，占据较大的空间，而键合电子对较“瘦”，占据较小的空间。这样就解释了斥力大小的顺序：孤电子对-孤电子对孤电子对-键电子对键电子对-键电子对。如：CH4、NH3、H2O中的键角HAH分别为109.5、107.3、104.5。类似地，重键较单键占据较大的空间，故有斥力大小的顺序：t-tt-dd-dd-ss-s(t-叁键，d-双键，s-单键)又如，SO2Cl2分子属AX4L0=AY4，因S=O键是双键，S-Cl键是单键，据顺序有：OSO10928ClSClOSCl10928。此外，键的极性对键角也有影响。中心原子电负性较大，成键电子对将偏向中心原子，成键电子对之间斥力增大，键角增大，如：NH3、PH3、AsH3分子中的键角(HAH)依次为107、93.08、91.8;配位原子电负性较大，成键电子对将偏离中心原子，成键电子对之间斥力减小，键角减小，如：H2O、OF2分子中的键角(AOA)依次为104.5、102。据此，可解释下列键角变化：NO2+、NO2、NO2-键角(ONO)依次为180、134.3、115.4。二、价层电子对互斥理论1940年 Sidgwick 提出价层电子对互斥理论, 用以判断分子的几何构型. 分子 ABn 中, A 为中心, B 为配体, B均与A有键联关系. 本节讨论的 ABn型分子中, A为主族元素的原子.1. 理论要点ABn型分子的几何构型取决于中心 A 的价层中电子对的排斥作用. 分子的构型总是采取电子对排斥力平衡的形式.1) 中心价层电子对总数和对数a)中心原子价层电子总数等于中心 A 的价电子数(s + p)加上配体在成键过程中提供的电子数, 如 CCl44 + 14 = 8b)氧族元素的氧族做中心时: 价电子数为 6, 如 H2O, H2S;做配体时:提供电子数为 0, 如在 CO2中.c)处理离子体系时, 要加减离子价d)总数除以 2 ，得电子对数: 总数为奇数时，对数进 1，例如：总数为 9，对数为 52) 电子对和电子对空间构型的关系电子对相互排斥，在空间达到平衡取向.3) 分子的几何构型与电子对构型的关系若配体数和电子对数相一致，各电子对均为成键电对，则分子构型和电子对构型一致。配体数不可能大于电子对数. 当配体数少于电子对数时，一部分电子对成为成键电对，另一部分电子成为孤对电子，确定出孤对电子的位置，分子构型才能确定。电子对数 配体数 孤电对数 电对构型 分子构型考虑分子构型时，只考虑原子 A，B 的位置，不考虑电子、对电子等。以上三种情况中，孤对电子只有一种位置考虑。孤对电子的位置若有两种或两种以上的位置可供考虑，则要选择斥力易于平衡位置，而斥力大小和两种因素有关：a)角度小，电对距离近，斥力大；b)角度相同时，孤对孤对的斥力最大。因为负电集中，孤对成键斥力次之，而成键电对成键电对之间斥力最小，因有配体原子核去分散电对的负电性。于是，要避免的是斥力大的情况在 90的方向上。90 的分布 :孤对孤对 0 0 1孤对成键 6 4 3成键成键 0 2 2乙种稳定，称 “T”字型例1.利用价层电子对互斥理论判断下列分子和离子的几何构型（总数、对数、电子对构型和分子构型):AlCl3H2S SO32-NH4+ NO2IF3解题思路:根据价层电子对互斥理论, 计算单电子个数, 价层电子对数, 孤对电子对数, 进而判断分子的构型(注意:必须考虑离子的价态!)电子对构型是十分重要的结构因素，要注意！价层电子对数和配体数是否相等也是十分重要的。2. 影响键角的因素1) 孤对电子的影响孤对电子的负电集中，可以排斥其余成键电对，使键角变小，NH34对 电对构型四面体，分子构型三角锥。键角HNH 为107，这是由于孤对电子对 NH 成键电对的排斥，使10928变小, 成为107。2) 中心电负性的影响键角依次减小，如何解释？3) 配体电负性的影响中心相同，配体电负性大时，电对距离中心远，键角可以小些，故有：3. 多重键的处理某配体（非VIA族）与中心之间有双键和三键时，价层电子对数减 1 或 2 。如乙烯 H2C=CH2以左碳为中心电子总数 4 x 2 8 ， 4对， 减 1，3 对,为三配体，呈平面三角形：不提供共用电子, 是因为O, S 等可通过键, 反馈键或大键, 将提供的电子又重新得回; 另外, 端基氧或硫, 形成的双键, 要求减去一对价电子, 也得到同样结果.非端基氧或硫, 要将O或S的价电子计入其中, 如在H2CO3中, C为中心, 价电子为 4(C) + 2X1(O) = 6, 价电对= 3, 电子对构型和分子构型一致, 为三面体:【练习】1用价层电子对互斥理论预测H2S和BF3的立体结构，两个结论都正确的是()A直线形；三角锥形 BV形；三角锥形C直线形；平面三角形 DV形；平面三角形2下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是()ACO2与SO2 BCH4与NH3 CBeCl2与BF3 DC2H4与C2H23(1)某校化学课外活动小组的同学对AB3型分子或离子的空间构型提出了两种看法，你认为是哪两种？若两个AB键均是极性键且极性相同，它们分子的极性是怎样的？举例说明。(2)参照上题，你认为AB4型分子或离子的空间构型有几种？若每个AB键都是极性键且极性相同。它们分子的极性是怎样的？举例说明。【自测】1.在下列分子中，电子总数最少的是()A.H2S BO2 CCO DNO2.在以下的分子或离子中，空间结构的几何形状不是三角锥形的是()A.NF3 BCH CCO2 DH3O3.有关甲醛分子的说法正确的是()A.C原子采用sp杂化 B.甲醛分子为三角锥形结构C.甲醛分子为平面三角形结构 D.在甲醛分子中没有键4.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都是直线形的分子 B.BF3键角为120，SnBr2键角大于120C.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5.苯分子(C6H6)为平面正六边形结构，下列有关苯分子的说法错误的是()A.苯分子中的中心原子C的杂化方法为sp2 B.苯分子内的共价键键角为120C.苯分子中的共价键的键长均相等 D.苯分子的化学键是单、双键相交替的结构6.下列分子的中键角最大的是()A.CO2 BNH3 C.H2O DCH2CH27.对SO3的说法正确的是()A.结构与NH3相似 B结构与SO2相似 C.结构与BF3相似 D结构与P4相似8.在SO2分子中，分子的空间结构为V形，S原子采用sp2杂化，那么SO2的键角()A.等于120 B大于120 C.小于120 D等于1809.三氯化氮(NCl3)是一种淡黄色的油状液体，测得其分子具有三角锥形结构。则下面对于NCl3的描述不正确的是()A.它是一种极性分子 B.它的挥发性比PBr3要大C.它还可以再以配位键与Cl结合 D.已知NBr3对光敏感，所以NCl3对光也敏感10.试用杂化轨道理论说明下列分子或离子的立体构型。(1)SiF4(正四面体形)(2)BCl3(平面三角形)(3)NF3(三角锥形，键角为102)【课后作业】1下列分子中，中心原子采用sp2杂化的是()ASO2 BH2O CNH3 DCHBrClF2下列推断正确的是()ABF3是三角锥形分子 BNH的电子式：，离子呈平面形结构CCH4分子中的4个CH键都是氢原子的1s轨道与碳原子的p轨道形成的sp 键DCH4分子中的碳原子以4个四面体形轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个CH 键3下列分子中，键角最大的是()AH2S BH2O CCCl4 DNH34中心原子采取平面三角形的是()ANH3 BBCl3 CPCl3 DH2O5下列各组离子中因有配合离子生成而不能大量共存的是()AK、Na、Cl、NO BMg2、Ca2、SO、OHCFe2、Fe3、H、NO DBa2、Fe3、Cl、SCN6下列离子中的中心原子采取不等性杂化的是()AH3O BNH CPCl DBI7下列各种说法中正确的是()A极性键只能形成极性分子 BCO2中碳原子是sp2杂化C形成配位键的条件是一方有空轨道，另一方有孤对电子D共价键形成的条件是成键原子必须有未成对电子8下列关于原子轨道的说法正确的是()A凡中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其几何构型都是正四面体BCH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合起来而形成的Csp3杂化轨道是由同一原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相等的新轨道D凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采取sp3杂化轨道成键9乙炔分子中的碳原子采取的杂化轨道是()Asp杂化 Bsp2杂化 C.sp3杂化 D无法确定10H2S分子中共价键键角接近90，说明分子的空间立体结构为_；CO2分子中的共价键键角为180，说明分子的空间立体结构为_；NH3分子中共价键键角为107，说明分子的空间立体结构为_。11在形成氨气分子时，氮原子中的原子轨道发生sp3杂化生成4个_，生成的4个杂化轨道中，只有_个含有未成对电子，所以只能与_个氢原子形成共价键，又因为4个sp3杂化轨道有一个有_，所以氨气分子中的键角与甲烷不同。选修三第二章第二节分子的立体构型【练习】1 D 2 B 3 (1)平面正三角形，如BF3、SO3、NO、CO等，这类分子或离子是非极性的。三角锥形，如NH3、NCl3、PCl3、PH3、SO、ClO等，这类分子或离子是极性的。(2)正四面体构型，如CCl4、CH4、SiH4、SiF4、SiCl4、NH、SO、ClO等，这类分子或离子是非极性的。平面四边形构型，如PtCl4，也是非极性的。【自测】1.C 2. C 3. C 4.C 5. D 6. A 7. C 8. C 9. C【课后作业】1D 2D 3C 4B 5D 6A 7C8C 9A 10V形直线形三角锥形 11sp3杂化轨道33孤对电子三、杂化轨道理论1.杂化轨道理论认为：在形成分子时，通常存在激发、杂化、轨道重叠等过程。但应注意，原子轨道的杂化，只有在形成分子的过程中才会发生，而孤立的原子是不可能发生杂化的。同时只有能量相近的原子轨道(如2s,2p等)才能发生杂化，而1s轨道与2p轨道由于能量相差较大，它是不能发生杂化的。杂化：成键过程是由若干个能量相近的轨道经叠加、混合、重新调整电子云空间伸展方向，分配能量形成新的杂化轨道过程。2、理论要点：成键原子中几个能量相近的轨道杂化成新的杂化轨道；参加杂化的原子轨道数 = 杂化后的杂化轨道数。总能量不变；杂化时轨道上的成对电子被激发到空轨道上成为单电子，需要的能量可以由成键时释放的能量补偿。3、杂化轨道的种类（1）按参加杂化的轨道分类sp 型：sp 杂化、sp杂化和sp杂化spd型：spd杂化、 spd杂化（2）按杂化轨道能量是否一致分类等性杂化， 如C 的sp杂化：4 个sp杂化轨道能量一致。 形成3个能量相等的sp杂化轨道，属于等性杂化。判断是否是等性杂化，要看各条杂化轨道的能量是否相等，不看未参加杂化的轨道的能量。 4、各种杂化轨道在空间的几何分布 杂化类型 sp3 sp2 sp sp3d或dsp3 sp3d2或d2sp3 立体构型 正四面体 正三角形 直线形 三角双锥体 正八面体杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理，键与键间排斥力大小决定于键的方向，即决定于杂化轨道间的夹角。由于键角越大化学键之间的排斥力越小，对sp杂化来说，当键角为180时，其排斥力最小，所以sp杂化轨道成键时分子呈直线形；对sp2杂化来说，当键角为120时，其排斥力最小，所以sp2杂化轨道成键时，分子呈平面三角形。由于杂化轨道类型不同，杂化轨道夹角也不相同，其成键时键角也就不相同，故杂化轨道的类型与分子的空间构型有关。5、用杂化轨道理论解释构型（1）sp 杂化BeCl2分子，直线形，用杂化轨道理论分析其成键情况，说明直线形的原因。 Be：1s22s22p0 sp 杂化:2 条sp杂化轨道是直线形分布，分别与 2 个 Cl 的3p轨道成键，故分子为直线形。sp杂化，sp-1s，sp-sp均为键。C中未杂化的p与另一C中未杂化的p沿纸面方向形成键；而p 与p沿与纸面垂直的方向形成键。二氧化碳，直线形，C发生sp杂化，C 与 O 之间 sp-2px 两个键，所以，OCO 成直线形。 C中未杂化的py与两侧 O 的两个py沿纸面方向成大键，C 中未杂化的pz与两侧 O 的pz沿垂直于纸面的方向成键，故 CO2 中，C、O之间有离域键（两个大键）。 （2）sp2杂化BCl3 平面三角形构型，B的 3个sp2杂化轨道呈三角形分布，分别与 3个Cl 的 3p成键，分子构型为三角形。属于sp2杂化。乙烯 C发生sp2杂化，sp2杂化轨道与sp2杂化轨道形成1个CC 键，sp2杂化轨道与H的1s轨道形成4个CH 键；未杂化的p轨道之间形成键，故分子中有碳碳双键存在。 （3）sp3杂化 甲烷 C发生sp3杂化，4个轨道呈正四面体分布，4个sp3杂化轨道分别与4个H的1s轨道形成键，因没有未杂化的电子（轨道），故CH4分子中无双键。（4）不等性杂化H2O O发生sp3不等性杂化：两个含单电子的sp3杂化轨道与2个H的1s轨道形成键，含孤电子对的两个sp3杂化轨道不成键，故水呈V形结构。水分子中的OH键的夹角本应为10928，但由于孤电子对的斥力，键角变小，为10445。NH3 N发生sp3不等性杂化：单电子占据的sp3杂化轨道分别与 H 的1s成键，孤对电子占据的sp3单独占据四面体的一个顶角。由于孤对电子的影响，HNH键的键角小于10928，为10718。在等性杂化中由分子构型（与电子对构型一致）可以直接看出杂化方式。但在不等性杂化中，分子结构当然与杂化方式有关，但要知道孤电子对数，方可确定分子构型。关键是电子对构型可以直接标志杂化方式，故电子对构型非常重要。不等性杂化与配体数小于对数是对应的。有未参加杂化的电子，一般形成键或大键。四、等电子原理经验总结早在1919年，人们在研究一些双原子分子时，发现结构相同的分子具有许多相似的物理性质，如CO和N2分子具有14个电子（10个价电子），它们的物理性质比较见下表：CO和N2的物理性质相对分子质量熔点/沸点/T/ P/1.0110PaV/mLmol1/gL1CO28199191.514034.5931.250N228209.0195.846.833.5901.251根据等电子原理，我们可以根据已知一些分子结构推测出另一些与它等电子的分子空间构型类型 实例二原子10电子 N2 CO NO+ C22 CN二原子11电子 NO O2+三原子16电子 CO2 CS2 N2O NCO NO2+ N3 CN22 SCN-三原子18电子 O3 SO2 NOCl四原子24电子 NO3 CO32 SO3五原子32电子 CCl4 SiF4 SO42 PO43七原子48电子 SF6 PF6 SiF62