【胡波章节练习】36成键理论

中学化学竞赛试题资源库成键理论A组B组 A、B下列各结构式中，最有可能的N2O Lewis结构式为A NNO B NNO C NNO D NON B下列各Lewis结构式中，能正确表示出NO3离子的Lewis结构式是A B C D BS2O32合理的共振结构式总数为A 3 B 6 C 11 D 12 BBF3的合理的共振结构式总数有A 2 B 3 C 4 D 6 B下列有关HOCN分子的共振结构中，最稳定的是A HOCN B HOCNC HOCN D HOCN D假定CH3是平面结构，并且在外磁场中处于平衡，不成对电子处在什么原子轨道上？A 2s B 2px C 2py D 2pz A下列各组物质中，都含有两个的是A N2O，CO2，N3 B N2O，NO2，N3C N2O，CO2，NO2 D NO2，CO2，N3 CN2O4中存在着A 一个 B 两个 C 一个 D 两个 （1）C6H2O2N10 （2）是 （3）否 （4）1 9 0 （5）分解能产生大量很稳定的气体N22001年是伟大的化学家、1954年诺贝尔化学奖得主、著名的化学结构大师、20世纪的科学怪杰泡林（Linus Pauling）教授诞辰100周年（19011994）。1994年这位世纪老人谢世，人们打开他的办公室，发现里面有一块黑板，画得满满的，其中一个结构式如图所示。老人为什么画这个结构式？它是生命前物质？它能合成吗？它有什么性质？不得而知。这是泡林留给世人的一个谜。也许这是永远无法解开的谜；也许你有朝一日能解开它。不管结果如何，让我们先对这个结构作一番考察：（1）它的分子式是什么？ （2）它的所有原子是否处于同一个平面上？ （3）它是否带有电荷？ （4）该分子中sp杂化的N原子有 个；sp2杂化 个；sp3杂化 个。（5）为什么人们猜它是炸药？ S原子采取sp3杂化 不存在键 有同分异构体：船式；椅式硫有许多同素异形体，在低温下用浓盐酸分解硫代硫酸钠时，在甲苯中结晶，得环状分子S6。S6分子中S原子的杂化类型是什么？分子中是否存在键？S6是否有同分异构体？画出S6分子的结构式。 （1）H2O或醚 （2）O2，O2 （3）BX3，BX4（X为卤族元素） （4）N2，NH4或季铵盐类写出符合下列条件的相应的分子或离子的化学式：（1）氧原子用sp3杂化轨道形成两个键 。（2）氧原子形成一个三电子键 ，氧原子形成两个键 。（3）硼原子用sp3杂化轨道形成三个键 ；硼原子用sp3杂化轨道形成四个键 。（4）氮原子形成两个键 ；氮原子形成四个键 。 （1） （2）NF3分子的极性比NH3分子的极性小。在这两个分子中，都有一个sp3杂化轨道为N原子的一对孤对电子所占据。对NF3来说，NF键的极性较大，而且偶极矩指向F原子，而N原子中由于孤对电子产生的偶极矩是指向孤对电子，方向正好与NF键产生的偶极矩相反，抵消了NF键产生的偶极矩，所以NF分子的极性较小；对于NH3来说，NH键产生的偶极矩指向N原子，与N原子中由孤对电子产生的偶极矩的方向相同，使NH键的极性加强，所以NH3分子的极性大。（1）画出NH3和NF3分子的空间构型，并用和表示出键的极性。（2）比较这两个分子极性大小并说明原因。 （1）CO： CO2： H2CO： HCOOH：（2）COCO2H2COHCOOH（CO）HCOOH（COH）对于下列分子：CO、CO2、H2CO（甲醛）、HCOOH（甲酸）。（1）画出各分子的立体结构，并标明各原子间的成键情况（，nm，m为电子数，n为原子数）。（2）估计分子中CO键的键长变化规律。 丙酮CO2CO 理由：CO中CO键级为3；CO2中CO键级为2；丙酮中碳基与甲基有超共轭效应（或共轭），使羰基电子云离域范围扩大，CO键级小于2。 （2）CH3ClCH2CHClCHCCl 理由：中有两个（p共轭） 中有一个（p共轭） CH3Cl中有相对于p共轭弱得多的p共轭。 （3）H2 rH1119.4kJ/mol 即E（）E（HH）2E（CH）1194（kJ/mol） 若苯分子结构为，则十3H2 预计rH2358.2（kJ/mol） 但事实上，十3H2 rH206（kJ/mol） 与rH2相差甚远。因此苯分子的结构并非含有3个小键。（1）试比较CO2、CO和丙酮中CO键长的大小顺序，并说明理由。（2）试比较CH3Cl、CH2CHCl和CHCCl中CCl键键长的大小顺序，并说明理由。（3）根据下面的实验数据，说明苯分子的结构并非含有3个小键，即并非所示。物 质苯（C6H6）环己烯（C6H10）环己烷标准燃烧热kJ/mol3301.63786.63953.6物 质CO2（气）H2O（液）标准燃烧热kJ/mol393.5285.8 （1）(CH3)3CFSbF5(CH3)3CSbF6 最强的路易斯酸 SbF5中的中心原子有4d空轨道，能接受其它物种的孤电子对。 （2）sp2 sp3 （3）大键（离域键） 参与成键的原子必须处于同一平面，即中心原子只能采取sp或sp2杂化类型；每个参与成键的原子提供一个p轨道，若中心原子采取sp杂化时，有时也可以提供两个p轨道，各产轨道间必须互相平行，以保证这些p轨道最大程度的重叠；参与成键的p轨道所提供的p电子数目必须小于两倍的p轨道数目。1994年10月12日，瑞典皇家科学院宣布授予美国南加利福尼亚大学有机化学家乔治安德鲁欧拉（GeorgeAndrewOlah）教授1994年度诺贝尔化学奖，以表彰他在碳正离子化学研究方面所作的贡献。（1）1962年，欧拉和他的同事们把(CH3)3CF溶于过量的SbF5介质中，获得理想的结果，它们之间反应的化学方程式是 ，SbF5属于 类化合物，其理由是 。（2）欧拉对碳正离子的贡献不仅在于实验方面，更重要的是他在1972年提出系统的碳正离子新概念。CH3、CH5两类碳正离子的结构中，中心碳原子分别采取 、_杂化方式。试分别画出它们的结构式。（5）在(C6H5)3C碳正离子中，除了键外，还存在 键，它可表示为 ，形成此种键型的条件是 。 （1）原子半径小，周围没有足够的空间容纳4个以上的配位原子（2）S和P原子半径够大，周围可以容纳多于4个以上的配位原子（3）两个SF6分子各去掉一个F再把S连起来（4）由于Te原子半径比S原子大，F原子与Te原子配位后留下的空隙比与S原子配位时大，H2O（Lewis碱）更加容易进攻中心原子，故TeF6容易水解。（5）TeF63H2O6HFH6TeO6Lewis结构中至少有一个原子周围多于8个电子的化合物叫超价化合物。出现超价化合物对于第三至第六周期而言是个相当普遍的现象，例如PCl3和SF6结构中的P和S原子。传统的解释认为这些元素的低能级未满d轨道能够容纳额外的电子，如果利用3d轨道，P的价层电子数就能超过8，PCl5中至少必须利用一个3d轨道，第二周期较少出现超价是由于这些元素没有2d轨道。然而，新近的计算表明传统的解释方法过分强调了3d轨道在超价化合物中所起的作用，空轨道并不是形成超价化合物的主要原因，超价SF6分子中的成键作用不必用d轨道扩大S原子的八隅体就能作出解释。（1）试说明第二周期元素很少出现超价化合物的主要原因。（2）用第1问得出的结论解释为什么可以稳定存在SF6和PCl5。（3）S2F10也为超价化合物，试画出其Lewis结构。（4）已知SF6不容易水解，其原因可归结于其结构的稳定性及S已达到最高配位等因素，但TeF6却可在水中明显地水解，说明其原因。（5）写出TeF6水解的反应方程式。 （1）键强SsiO4/41；2；2；八面体（六配位）（2）诸配位键的键价和S5.08，结合钒配位体的构型可确定产物中的钒为5价。（3）用电价规则说明P的电价数为5，P的氧原子配位数为4，因此PO键的键强是5/4，对于公用顶点处的O其键强和为2（5/4）即2.5，显然超出氧的电价2甚多，因此必然导致PO为亚稳键在本世纪20年代末，L.Pauling在大量含氧酸盐结构资料的基础上系统总结了关于离子化合物的五个规则。这些结构规则对诸如硅酸盐结构化学规律的总结和研究起了重大的推动作用。电价规则是鲍林五个规则的核心。它可表述为：在一个稳定的离子化合物结构中，每一负离子的电价等于或近似等于从邻近的正离子至该负离子的各静电键强度的总和，即式中：为负离子的电荷；Si是i种正离子至每一配位负离子的静电键强度；Si定义为i/i；i是正离子的电荷数；i为其配位数。这一规则的物理基础在于：如在结构中正电位较高的位置安放电价较高的负离子时，结构会趋于稳定，而某一正离子至该负离子的静电键的强度/正是有关正离子在该处所引起正电位的量度。（1）化学式为Be3Al2Si6O18的绿柱石是含铍的矿物。结构中所的Si4均处于氧离子所组成的四面体空隙之中，键强SsiO 根据电价规则， 个SiO键的键强和恰等于氧离子的电价数，决定了O2可为 个硅氧四面体所公用. 已知绿柱石中硅氧骨干外的Be2分别处于O2（硅氧骨干中的非公用氧离子）所组成的四面体的空隙中。硅氧骨干中每一个非公用的O2各与一个Si4、Be2、Al3相连，根据电价规则诸静电键强之和恰等于O2之电价。则Al3处于O2（硅氧骨干中的非公用氧离子）所组成的 体的空隙中。（2）以4价钒化合物VOSO4与盐酸羟胺为原料，在水溶液中以KOH调节pH4的条件下制得一种七配位的钒化合物VO(NH2O)2(NH3O)H2OCl。由晶体结构分析所得的键长算得诸键的键价如下：键VO(1)VO(2)VN(2)VO(3)VN(3)VO(4)VOH2S1.8110.6390.5810.7070.5960.5260.220产物中的钒为 价（3）腺苷三磷酸（ATP）因其分子含有“高能键”（实为亚稳键）而在生物化学代谢过程中起着特别重要的作用。它可以通过水解反应使“高能”（即亚稳）磷酸键解离而起到能量传递的作用。已知正磷酸根PO43中的PO链长0.15nm，而ATP中的上述PO键，已延伸至0.16nm，有力地佐证了此PO亚稳键的起因。能否通过电价规则计算来证明。 （1）S4N4中S和N的氧化数分别为2和2。从表现上看认为是3和3也可。（2）6S2Cl216NH3S4N4S812NH4Cl（3）S4N4极不稳定，受热爆炸。如用N2为原料，需加热。（4）（5）每个N原子提供1个电子，每个S原子提供2个电子，共12个非定域电子。（6）因为S4N4具有12个非定域电子，电子跃迁的能量较低，在可见光区，因而显色。（7）四个NSN的键角相等，四个SNS的键角相等。NSN的键角和SNS的键角不相等。先阅读以下一段叙述，然后回答问题。四氮化四硫（S4N4）是氮化硫类化合物中的一种。它可由二氯化硫和氨合成，为橙色晶体，撞击或加热时易爆炸。S4N4分子中的所有原子一起组成一个笼状结构，四个氮原子组成平面四方形，四个硫原子组成一个四面体，而氮原子四方平面正好平分硫原子的四面体，两个疏原子在平面上方，另外两个破原子在平面下方。分子中有12个电子，这12个电子是完全非定域的，所有SN键的键长均约为162pm，键级为1.65。（1）S4N4中S和N的氧化数各为多少？（2）写出由二氯化二硫与氨形成S4N4的反应的化学方程式。（3）为什么不能由N2与S合成为S4N4？（4）请画出S4N4的结构图。（5）N和S原子是如何提供12个电子的？（6）S4N4为什么是有色物？（7）所有NSN和所有SNS的键角是否相等？C组 205kJ乙烯（C2H2）和苯（C6H6）的加氢反应焓已经被测出，反应物和产物均为气体。C2H4H2C2H6 H137kJC6H63H2C6H12 H206kJ试计算苯的共振能？ 离子特征百分率76.8%已知LiH的偶极矩是1.9641029 Cm，Li和H原子间距离为159.6pm。试粗略判断LiH的离子性百分数为多少？ 键级2用分子轨道理论解释氧气是顺磁性的，并说明O2的键级是多少？ N2和N2的键级算得分别为3和5/2。因此N2有更强的键和更短的键长。NO和NO键级算得分别为5/2和3，所以NO有更强的键和更短的键长。显然N2的离子化会引起成键轨道电子的减少，NO的离子化会引起反键轨道电子的减少。试解释为什么N2的键长比N2大2 pm，而NO的键长比NO小9pm？ （1）4 （2）5 （3）5试问下列各芳烃有多少个共振结构？ 一个单键的键长应该是7777154 prn。因此在该结构中，中心碳原子间一定存在包含双键的非八隅体共振结构。比如1，3丁二烯通常被写成H2CCHCHCH2。中心两个碳原子间的健长为146pm。试对此结构作出适当的评价？ （1）CN 3 CN 5/2 （2）CN回答下列问题：（1）CN，CN，CN的键级分别是多少？（2）它们中谁的键长最短？ B2在第二周期中，除了O外还有哪些双原子同核分子是顺磁性的？ Be2 Ne2假定第二周期元素可形成同核双原子分子，那么哪些将有0键级？ 这六个电子占据在由p轨道形成的分子轨道上，他们全部垂直于分子所在平面，但在该平面没有分布。因此，电子云密度可以描述成两个环形云，一个在分子的上方，一个在分子的下方。试说明用通常方法表示的六边形苯环中的六个电子是怎样分布的？ 11.5%HBr的偶极矩为2.601030Cm，两个原子间距离是141 pm。求HBr键离子性百分数？ 118 pm在AsCl3中，AsCl的键距是217pm。试估计As的共价单键半径？ 组成键的原子轨道以头碰头形式形成较大的电子重叠。而组成键的p轨道垂直地指向核间轴，仅形成肩并肩的电子重叠，重叠效果不如键。已知C2H4中碳碳双键的键能是615kJ/mol，C2H6中碳碳单键的键能是347kJ/mol。为什么双键键能明显小于单键键能的二倍？ ClO单键的键长为165 pm，因此必须考虑此键的双键性质。在ClO4中Cl和O间的键长是144pm。请推出该离子的价键结构？ 存在两种不同的PO键：PO 键及PO 反馈Pd 键。由于O原子半径小，但大，具有双键成分，键长较短，（PO）pd 键23pm。P4S10中，虽然也存在两种不同的PS键；PS及SP，但由于S为第三周期元素，rS有3d轨道，反馈Pd 键较弱，双键成分小，故（PS）PS13pm。在P4O10分子中，PO键长有两个数值，它们相差23pm，而P4S10中PS键长也有两个数值，但只差13pm。 丁二烯是一个平面形分子，碳原子均采用sp2杂化，每个sp2杂化轨道中均有一个p电子，四个碳原子用sp2杂化以碰头方式形成9个键，每个碳原子还剩下一个p轨道形成键，结构为丁二烯是一个平面形分子，试确定它的成键情况。 ArCl、OF、NO、PS、SCl分子离子的杂化及成键形式、键级、成键轨道的周期数的关系列于下表中：杂化态键的性质键级成键轨道的周期数ArClsp3143OFsp211222NOsp12322PSsp12333SClsp211233由键级可知，NO、PS稳定，AlCl不稳定。由于NO成键轨道为2p和2s，形成的键比PS用3p和3s成键更稳定，所以NO最稳定。提示：本题主要考查键级对分子或离于稳定性的影响。一般来说，键级越大，分子越稳定。相同键级的分子则看成键轨道的能级大小，能级越低、成键越稳定。在地球的电离层中，可能存在下列离子：ArCl、OF、NO、PS、SCl。请你预测哪种离子最稳定，哪种离子最不稳定。说明理由。 BF3与(CH3)2NPF2中的N原子键合，BH3与(CH3)2NPF中的P原子键合，由于BF3、BH3中的B原子有2p的空轨道，(CH3)2NPF2中的N、P原子上有孤对电子，所以它们的键合是键(CH3)2NPF2与BF3、BH3都生成加合物，试判断BF3和BH3分别与(CH3)2NPF2中的何种原子结合？为什么？说明键合的化学键类型。 丁二块直线形，sp杂化，两个；丙二烯平面形，sp杂化，两个(小)键。丁二炔和丙二烯的结构简式分别为HCCCCH和H2CCCH2，给出它的立体结构，中心碳原子的杂化轨道类型，并说明分子中有些什么键（包括离域键）。 已知硫酸根离子是四面体结构。它的4个SO等距，为149pm。试根根这些信息画出它的一共振结构体。 已知苯具有六角形对称性，萘结构包含着两个连接在一块的共面六边形碳骨架。此外，只能是相邻原子成键。试画出下列物质所有的八隅体共振结构图；（1）苯C6H6；（2）萘Cl0H8？ （1）为共振结构；（2）不是，两式骨架不同；（3）最后一式不是，该式不符合八隅结构；（4）不是共振结构式，两式的骨架虽然相同，但是它们的未共用的电子数不相等试确定下列各组是否为共振结构：（1）（2）（3）（4） ，线型一氧化二氮又名笑气，在室温下不活泼，有麻醉作用。试写出一氧化二氮的共振结构与形式电荷，并指出分子的几何构型。 （1）对于共价键：设EAEBE，则2EE2，即E2.0。2.0近似为B、As、Po元素的电负性值，As能和Al、Ca化合，所以As也能与B化合。（2）对于离子键：设EAEB即EAEB1.8，又EAEBEAEB，即EAEB(EA1)，EA/Ea1EbEA1.8，得(EA3.24)(EA0.555)0，有EA0.555（不成立），EA3.24，则A为F（4.0）或O（3.5），相应于F，EB1.33，B为Sc、Hf；相应于O，EB1.4，B为Zr。说明结论是肯定的。元素A和B的电负性分别为EA和EB，且EAEBEAEB。则EA和EB：（1）可能以共价键形成化合物吗？（2）可能以离子键（E1.8）形成化合物吗？ 画出过氧根离子和超氧根离子的分子轨道能级图。 由RSMulliken法可得EN(IPEA)/2。从下表中可把F的数值与别的元素的值相比较：IP/eVEA/eVEN/eVHe24.80.2212.3Ne21.60.310.6Ar15.80.367.7Kr14.00.406.8Xe12.10.425.8Rn10.70.425.2F17.43.310.4稀有气体的电负性与氟的电负性相比较可以看出（共价键的）He和Ne甚至比F更能吸引电子。但因为它们不能形成共价键，所以这一假设不能得到证实。而别的稀有气体的电负性则呈较为合理的排列（注意：这里的值是电子伏特，而不是一般的Pauling值，那里氟的电负性等于4.0）。用RSMulliken法求稀有气体的电负性，并说明这些值是否合理。 写出O2，O2，O2和O22的键级、键长长短次序及磁性。 EcEaEb。因为（c）中两个电子都在反键轨道上，与H原子的基态能量相比，Ec约高出2。而（a）和（b）中2个电子分别处在成键轨道和反键轨道上，Ea和Eb都与H原子的基态能量相近，但（a）中2个电子的自旋相反，（b）中2个电子的自旋相同，因而Ea稍高于Eb。能级最低的激发态（b）是顺磁性的。H2分子基态的电子组态为(1s)2，其激发态有：（a），（b），（c）。试比较（a）、（b）、（c）三者能级的高低次序，说明理由，并指明能级最低的激发态的磁性。 通常所说的“键级愈大，则键能愈大，键长愈短”，对于同类双原子“分子”（如O2n，n0，1，2）无疑是正确的。因为此类“分子”中原子的共价半径、化学键的类型等都是相同的，差别只是成键电子数或反键电子数不同。但对非同类“分子”，上述说法只具有相对的正确性，笼统地说，键级大者键长短。由于化学键的种类不同、原子的共价半径不同等诸多因素，并非键级大者键长就短，键级小者键长就长。例如，B2分子的键级（12）大于F2分子的键级（1），但B2分子的键长（158.9pm）却不小于F2分子的键长（141.7pm）。主要原因是B原子的共价半径（82 pm）大于F原子的共价半径（72 pm）o而且，人们是在简单分子轨道理论的基础上定义分子中定域键键级的。分子轨道只是近似求解Schrdinger方程得到的单电子波函数。即使用最精确的椭圆坐标法求解H2的Schrdinger方程，也只能勉强算是一种严格的求解，更何况多电子双原子分子了。因此，在定量结果上，分子轨道法处理结果在许多方面与实验结果不吻合是不奇怪的。试列出下列同核双原子分子：B2，C2，N2，O2，F2的键级、键能和键长的大小关系，在相邻两个分子间填入小于号或大于号。 C2分子的基组态为：KK(1g)2(1u)2(1u)4由于sp混杂，1u为弱反键，C2分子的键级在23之间，从而使实测键长比按共价双键半径计算得到的值短。基态C2为反磁性的分子，试写出其电子组态；实验测定C2分子的键长为124pm，比C原子的共价双键半径之和（67 pm2）短，试说明其原因。 Cl2的键比Cl2的键弱。原因是：Cl2的基态价电子组态为(3s)2(3s*)2(3px)2(3p)4(3p*)4，键级为1。而Cl2比Cl2少1个反键电子，键级为1.5。按分子轨道理论说明Cl2的键比Cl2的键是强还是弱？为什么？ CN与尼为等电子“分子”。其价层分子轨道与N2分子大致相同，分子轨道轮廓图如下图所示。 CN分子轨道轮廓图基态的价电子组态为(1)2(2)2(1)4(3)2键级1/2（成键电子数反键电子数）3未成对电子数为0，因而磁矩为0。画出CN的分子轨道示意图，写出基态的电子组态，计算键级及磁矩（忽略轨道运动对磁矩的贡献）。 NO的价层分子轨道能组示意于下图。NO价层分子轨道能级图键级1/2（83）2.5不成对电子数为1；自旋磁矩p1.73e。由于NO失去了1个反键的2电子，因而键级为3，所以它的化学键比NO化学键强。相应地，其键长比NO的键长短。画出NO的价层分子轨道能级示意图，计算键级及自旅磁矩，试比较NO和NO何者的化学键强？何者的键长长？ NF，NF和NF分别是O2，O2和O2的等电子体，它们的基态电子组态、键级、不成对电子数及磁性等情况如下：按分子轨道理论写出NF，NF和NF基态时的电子组态，说明它们的键级、不成对电子数和磁性。 在SO分子的紫外光电子能谱中观察到6个峰。它们所对应的分子轨道的归属和性质已借助于量子力学半经验计算（CNDO）得到指认。结果表明，SO分子的价电子结构与O2分子和S2分子的价电子结构相似。但SO是异核双原子分子，因而其价电子组态可表述为：(1)2(2)2(3)2(1)4(2)1其中，l，3和1轨道是成键轨道，2和2轨道是反键轨道。这些价层分子轨道是由O原子的2s、2p轨道和S原子的3s，3p轨道叠加成的。根据价层分子轨道的性质和电子数，可算出SO分子的键级为：P2在简并的2轨道上各有一个电子，因而SO分子的不成对电子数为2，若忽略轨道运动对磁矩的影响，则SO分子的磁矩为2。试用分子轨道理论讨论SO分子的电子结构，说明基态时有几个不成对电子。 CF的基态价电子组态为：(1)2(2)2(3)2(1)4(2)1因而其键级为1/2（83）2.5。而CF比CF少1个反键电子，因而，其键级为3。所以CF的键能比CF的键能大。CF和CF的键能分别为548kJmol1和753kJmol1，试用分子轨道理论探讨它们的键级（按F2能级次序） 就得电子而言，若得到的电子填充到成键分子轨道上，则AB比AB键能大；若得到的电子填充到反键分子轨道上，则AB比AB键能小。就失电子而言，若从反键分子轨道上失去电子，则AB比AB键能大；若从成键分子轨道上失去电子，则AB比AB键能小。根据这些原则和题中各分子的电子组态，就可得出如下结论：得电子变为AB后比原中性分子键能大者有C2和CN。失电子变为AB后比原中性分子键能大者有NO，O2，F2和XeF。N2和CO无论得电子变为负离子（N2，CO）还是失电子变为正离子（N2，CO），键能都减小。下列AB型分子：N2，NO，O2，C2，F2，CN，CO，XeF中，哪几个是得电子变为AB后比原来中性分子键能大？哪几个是失电子变为AB后比原来中性分子键能大？ Cl2：(3s)2(3s*)2(3px)2(3px)2(3py)2(3px*)2(3py*)2，S0，0，基态光谱项：1o。CN：(1)2(2)2(1)4(3)1，S1/2，A0，基态光谱项：2o。写出Cl2、CN的价层电子组态和基态光谱项 （1）H原子的1s轨道和O原子的2p。轨道满足对称性匹配、能级相近（它们的能级都约为13.6eV）等条件，可叠加形成轨道。OH的基态公电子组态为(1)2(2)2(1)3。(1)2实际上是O原子的(2s)2，而(1)3户实际上是O原子的(2px)2(2py)1或(2px)1(2py)2。因此，OH的基态价电子组态亦可写为(2s)2()2(2p)3。2s和2p是非键轨道，OH有两对半非键电子，键级为1。（2）在1轨道上有不成对电子。（3）l轨道基本上定域于O原子。（4）OH和HF的第一电离能分别是电离它们的1电子所需要的最小能量，而1轨道是非键轨道，即电离的电子是由O和F提供的非键电子，因此，OH和HF的第一电离能差值与O原子和F原子的第一电离能差值相等。（5）S1/2，1，基态光谱项为：2OH分子于1964年在星际空间被发现。（1）试按分子轨道理论只用O原子的2p轨道和H原子的1s轨道叠加，写出其电子组态。（2）在哪个分子轨道中有不成对电子？（3）此轨道是由O和H的原子轨道叠加形成，还是基本上定域于某个原子上？（4）已知OH的第一电离能为13.2eV，HF的第一电离能为16.05eV，它们的差值几乎与O原子和F原子的第一电离能（15.8eV和18.6eV）的差值相同，为什么？（5）写出它的基态光谱项。 双原子分子的转动可用刚性转子模型来模拟。据此模型，可建立起双原子分子的Schrdinger方程。解之，便得到转动波函数R、转动能级ER和转动量子数J。由ER的表达式可推演出分子在相邻两能级间跃迁所产生的吸收光的波数为：2B（J1）而相邻两条谱线的波数之差（亦即第一条谱线的波数）为：2BB为转动常数：Bh/8lc由题意知，H79Br分子的转动常数为：B8.470cm1所以，其转动拨量为：Ih/8Bc3.3081047kgm2H79Br的约化质量为：mHmBr/mHmR1.6431027kg所以，其平衡核间距为：re141.9pmH79Br在远红外区给出一系列间隔为16.940cm1的话线，计算HBr分子的转动惯量和平衡核间距。 12C16O的折合质量为：1.13851026（kg）因而其转动常数为：Bh/82r2c1.932cm1第一条谱线的波数以及相邻两条谱线的波数差都是2B，所以前4条话线的波数分别为：12B3.864cm1 24B7.728cm136B11.592cm1 12B15.4556cm1亦可用式：2B（J1）进行计算，式中的J分别为0，1，2，和3。12C16O的核间距为112.83 pm，计算其纯转动光谱前4条谱线所应具有的波数。 （1）由于CO2分子的质心和对称中心重合，C原子对分子转动惯量无贡献，所以； 1.1611010m（2）由于假定同位素置换不改变CO键键长，因而有：8.0581046kgm2由于（1）中一开始就阐明的原因，13C16O2的转动惯量和12C16O2的转动惯量相等，即：7.1671046kgm2线型分子ABC的转动惯量为：ImAmBrAB2mBmCrBC2mAmB（rABrBC）2/mAmBmC本题亦可按此式进行计算。CO2（12C，16O）的转动惯量为7.1671046kgm2。（1）计算CO2分子中CO键的键长；（2）假定同位素置换不影响CO键的键长，试计算12C，18O和13C，16O组成的CO2分子的转动惯量。线型分子ABC的转动惯量I可按下式计算：ImAmBrAB2mBmCrBC2mAmB（rABrBC）2/mAmBmC N2是非极性分子，不产生红外光谱，故话线是由HCl和HBr分子产生的。分析谱线波数的规律，可知这些谱线由下列两个系列组成：第一系列：16.70，33.40，50.10cm1第二系列：20.70，41.58，62.37 cm1由于rHBrrHCl，HBrHCl，因而IHBrIHCl（Ir2）。根据Bh2/82lc知，BHBrBHCl。所以，第一系列谱线是由HBr产生的，第二组谱线是由HCl产生的。对HBr：B/28.35cm1 Ih2/82Bc3.3491047kgm2 1.6411027kgr（I/）1/2142.9pm对HCl：B/210.42cm1 Ih2/82Bc2.6841047kgm21.6161027kg r（I/）1/2128.9pm在N2、HCl和HBr混合气体的远红外光谱中，前几条谱线的波数分别为16.70，20.70，33.40，41.85，50.10，62.37 cm1。计算产生这些谱线的分子的键长。 按简谐振子模型，H127I的振动光谱中只出现一条谱线，其波数就是经典振动波数e，亦即2309.5cm1。既然只出现一条谱线，因此下列关于H127I分子振动光谱的描述都是指与这条谱线对应的简正振动的。（1）H127I分子是极性分子，根据选律，它应具有红外活性。（2）振动频率为：v6.9241013s1（3）振动零点能为：E02.2941020J（4）H127I的约化质量为：1.6611027kgH127I的力常数为：k42c22314.2Nm1在H127I的振动光谱图中观察到2309.5cm1强吸收峰，若将HI的简正振动看作谐振子，请计算或说明：（1）这个简正振动是否为红外活性；（2）HI简正振动频率；（3）零点能；（4）H127I的力常数。 vc6.5061013s1 1.1391026kg k42c221901Nm1E0hc/22.1551020J在CO的振动光谱中观察到2169.8cm1强吸收峰，若将CO的简正振动看作谐振子，计算CO的简正振动频率、力常数和零点能。 写出O2、O2和O2的价电子组态，推求它们的量子数S和A，即可求出基态光谱项。根据价电子组态，比较力常数大小，即可根据表达式判定波数大小次序。结果如下：写出O2、O2和O2的基态光谱项；今有3个振动吸收峰，波数分别为1097、1580和1865 cm1，请将这些吸收峰与上述3种“分子”关联起来。 （1）在此振转光谱中，波数为2925.78和2906.25cm1的谱线属R支，波数为2865.09和2843.56cm1的谱线属P支，在两支转动谱线的中心处即振动基频：2885.67cm1已知倍频为25668.0 cm1，根据非谐振子模型，得联立方程如下： 解之，得e1.7287102（2）由e，得k42c2e2512.5Nm1（3）由e和x得Dxhve/4x517.1kJmol1（4）由H35Cl的振一转光谱P支2865.09 cm1，2843.56 cm1可得 126.86pm在H35Cl的基本振动吸收带的中心处，有波数分别为2925.78，2906.25，2865.09和2843.56cm1的转动谱线。其倍频为5668.0 cm1，请计算：（1）非谐性常数x，（2）力常数k，（3）平衡解离能De，（4）键长r。 按简诺振子模型，N2的光谱解离能为：DoDehve/2941.48kJmol1按非谐振子模型，N2的光谱解离能为：DoDehve/2hve/4941.53kJmol1已知N2的平衡解离能De955.42 kJmol1，其基本振动波数为2330 cm1，计算光谱解离能Do。 按双原子分子的谐振子模型，D2的光谱解离能为： 因此，只要求出DeD2和veD2，即可算得DoD2。依题意，D2的平衡解离能为：仍依题意，kD2kH2，由式ve可推得所以：4.556eVH2（g）的光谱解离能为4.4763eV，振动基频波数为4395.24cm1。若D2（g）与H2（g）的力常数、核间距和De等都相同，计算D2（g）的光谱解离能。 由n个原子组成的非线型分子有3n6个简正振动，而由n个原子组成的线型分子有3n5个简正振动。因此，H2O2和C2H2的简正振动数目分别为3466和3457。C2H2的简正振动方式如下： HOOH和HCCH分子的简正振动数目各有多少？画出HCCH简正振动方式，并分别标明是红外活性还是Raman活性。 SO2分子有3种（3n6336）简正振动，其中2种（n1）为伸缩振动，1种（2n5）为弯曲振动。这些简正振动方式示意如下： 一般说来，改变键长所需要的能量比改变键角所需要的能量大，因此，伸缩振动的频率比弯曲振动的频率大。而不对称伸缩振动的频率又比相应的对称伸缩振动的频率大。据此，可将3个波数（c1v）与三种简正振动方式一一关联起来。简单说来，SO2分子的三种振动方式均使其偶极矩发生变化，因而皆是红外活性的。同时，这三种振动动方式又都使SO2的极化率发生变化，所以，又都是Raman活性的。根据分子的对称性，用特征标表可判断简正振动是否为红外活性和Raman活性。具体步骤请参阅有关参考资料。画出SO2的简正振动方式；已知与3个基频对应的谱带波数分别为1361，1151，5119 cm1，指出每种频率所对应的振动，并说明是否为红外活性或Raman活性。 下图是N2的光电子能谱图，与各谱带相应的分子轨道也在图中标出。N2的光电子能谱图根据该谱图估计，基态N2分子的各价层分子轨道的绝热电离能分别为1g。；40 eV；1u：18.80eV；10：16.70eV；2g：15.60eV。He线的能量为21.22eV，它只能使1u，10和2g电子电离。对气体样品，忽略能谱仪本身的功函数，光电子的动能Ek可由下式计算EkEHeIA式中EHe，Eb和IA分别为激发源的能量、电离轨道的能级（电子结合能）和电离轨道的绝热电离能。将有关数据代人，可得从N2分子的lu，10和2g三个分子轨道电离出的光电子动能，它们分别为：21.22eV18.80Ev2.42Ev21.22eV16.70eV4.52eV 21.22eV15.60eV5.62eV用He（21.22eV）作激发源，将N2的3个分子轨道上的电子电离，估算所产生的光电子的动能。 分子价层电子的电离必然伴随着振动和转动能级的改变。因此，分子的紫外光电子能谱（UPS）并非呈现一个个单峰，而是有精细结构。但由于分子的转动能级间隔太小，通常所用的激发源（如He线和He线）产生的UPS只能分辨气体分子的振动精细结构。分子从其振动基态（v0）跃迁到分子离子的振动基态（v20）的电离过程叫绝热电离，相应的电离能称为绝热电离能，用IA表示。它对应于UPS中各振动精细结构的第一个小峰。分子亦可从振动基态跃迁到分子离子跃迁概率最大的振动态，即FranckCondon跃迁，这一电离过程称为垂直电离，相应的电离能称为垂直电离能，用IV表示。它对应于各振动精细结构中强度最大的小峰。从上图中估计，相应于N2分子2g轨道的IAIV15.6 eV；相应于1u轨道的IA16.7eV，而IV16.9eV，两者之差（0.2eV）即N2（1u）的振动能级间隔；相应于1u轨道的IAIV18.8eV。这与从分子轨道理论得到的下述结论是一致的：若电子从非键轨道电离，IA和IV相等；若电子从弱成键轨道或弱反键轨道电离，则IA和IV近似相等。若电子从强成键或强反键轨道电离，则IA和IV不等，两者相差个或数个振动能级间隔。什么是绝热电离能和垂直电高能？试以N2分子的电子能谱图为例说明三个轨道的数据。 紫外光电子能谱不仅能够直接测定分子轨道的能级，而且还可区分分子轨道的性质。这主要是通过分析分子离子的振动精细结构（即谱带的形状和小峰间的距离）来实现的。（1）非键电子电离，平衡核间距不变，分子从其振动基态跃迁到分子离子振动基态的概率最大，IAIV。当然，分子也可从其振动基态跃迁到分子离子的其他振动态，但跃迁概率很小。因此，若“电离轨道”是非键轨道，则跃迁概率集中，相应谱带的振动序列短而简单：只呈现一个尖锐的强峰和一两个弱峰，且强度依次减小（弱峰的产生主要源于非FranckCondon跃迁）。（2）成键电子电离，分子离子的平衡核间距比原分子的平衡核间距大。反键电子电离，分子离子的平衡核间距比原分子的平衡核间距小。核间距增大或减小的幅度与成键或反键的强弱有关。此时垂直跃迁的概率最大。但到分子离子其他振动能级的跃迁也有一定的概率，因此分子离子的振动精细结构比较复杂，谱带的序列较长，强度最大的峰不再是第一个峰。“电离轨道”的成键作用越强，垂直跃迁对应的振动量子数v越大，分子离子的振动能级间隔越小。“电离轨道”的反键作用越强，垂直跃迁对应的振动量子数v越大，分子离子的振动能级间隔也越大。（3）若分子离子的平衡核间距与分子（基态）的平衡核间距相差很大，则分子离子的振动能级间隔很小，电子能谱仪已不能分辨，谱线表现为连续的谱带。综上所述，根据紫外光电子能谱的振动精细结构（谱带形状和带中小峰间的距离），便可判断被打出电子所在的分子轨道的性质：若谱带中有一个强峰和一两个弱峰，则相关分子轨道为非键轨道或弱键轨道。至于是弱成键轨道还是弱反键轨道，须进一步看振动能级间隔的大小。振动能级间隔变小者为弱成键轨道，反之为弱反键轨道。若谱带的振动序列很长且振动能级间隔变小（与原分子相比），则相关分子轨道为强成键轨道；若谱带的振动序列很长且振动能级间隔变大，则相关分子轨道为强反键轨道。例如，在N2的紫外光电子能谱中（参见上图），与2g和1u轨道对应的话带振动序列很短，跃迁概率集中，说明2g和1u皆为弱键轨道。但2g谱带的振动能级间隔小（2100cm1），lu谱带的振动能缓间隔大（2390cm1），所以2g为弱成键轨道，1u为弱反键轨道。而相应于1u轨道的话带振动序列很长，包含的峰很多，峰间距较小（1800cm1），而且第一个峰不是最大峰，所以1u为强成键轨道。与1g对应的话线已变成连续的谱带，说明lg是特强成键分子轨道。请阐明如何根据电子能谱区分分子轨道的性质。 基态CO分子的价层电子组态为；(1)2(2)2(1)4(3)2基态NO分子的价层电子组态为：(1)2(2)2(1)4(3)2(2)1CO分子的第一电离能是将其3电子击出所需要的最低能量，NO分子的第一电离能则是将其2电子击出所需要的最低能量。3电子是成键电子，能量较低。2电子是反键电子，能量较高。所以，NO分子的第一电离能比CO分子的第一电离能小很多。由紫外光电子能谱实验知NO分子的第一电离能为9.26 eV，比CO分子的第一电离能（14.01 eV）小很多，试从分子的电子组态解释其原因。 三氟代乙酸乙酯分子中，碳原子的有效电负性的大小次序为C1C2C3C4，所以，1s电子结合能大小次序为C1C2C3C4。三氟代乙酸乙酯的X射线光电子能谱中，有 4个不同化学位移的C1s峰，其结合能大小次序如何？为什么？ Ag 4s 峰 Ag 3p 峰 Ag 3s 峰 Ag 3d 峰X射线光电子能谱特征峰的强度也有一些经验规律：就给出峰的轨道而言，主量子数小的峰比主量子数大的峰强；主量子数相同时，角量子数大者峰强；主量子数和角星子数都相同时，总量子数大者峰强。根据这些经验规律，Ag的3d峰最强。在银的X射线光电子能谱的下列4个特征峰中，何者强度最大？ （1）从Ar原子的某一轨道（设其轨道角量子数为l）打出一个电子变成Ar后，在该轨道上产生一空穴和一未成对电子。自旋轨道耦合的结果产生了两种状态，可分别用量子数j1和j2表示；j1l1/2，j2l1/2。这两种状态具有不同的能量，其差值为自旋轨道耦合常数。因自旅一轨道耦合产生的两个峰的相对强度比为：（2j11）（2j21）（l1）l依据题意，（l1）l21，因此l1，即电子是从3p轨道上被打出的。（2）Ar原子：电子组态 (1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6量子数 mL0，L0；ms0，S0；J0光谱支项 1S0Ar离子：电子组态(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)5量子数mL1，L1；ms1/2，S1/2；J3/2，1/2光谱支项2P3/22P1/2（3）根据Hund规则，E2P1/2E2P3/2，所以两电离过程及相应的电离能分别为：Ar(1S0)Ar(2P3/2)e I15.759eVAr(1S0)Ar(2P3/2)e I15.937eV微粒的状态及能量关系可简单示意如下：（4）自旋轨道耦合常数为：15.937eV15.759eV0.178eV此即下图所示的两个分裂峰之间的“距离”。Ar的紫外线电子能谱（一部分）由于自旅轨道耦合，Ar的紫外光电子能谱第一条谱线分裂成强度比为21的两个峰，它们所对应的电离能分别为15.759 eV和15.937 eV。（1）说明相应于此第一条话线的光电子是从Ar原子的哪个轨道被击出的；（2）写出Ar原子和Ar离子的基态光谱支项；（3）写出与两电离能对应的电离过程表达式；（4）计算自旋一轨道耦合常数。 在基础课学习阶段，判断分子中某一原子是否采用杂化轨道以及采用何种杂化轨道成键，主要依据是该分子的性质和几何构型，特别是几何构型。上述分子或离子的几何构型及中心原子所采用的杂化轨道见下表：写出下列分子或离子的中心原子所采用的杂化轨道：CS2，NO2，NO3，BF3，CBr4，PF4，SeF6，SiF5，AlF63，IF6，MnO4，MoCl5，(CH3)2SnF2。 因为4个dsp2杂化轨道是等性的。所以每一杂化轨道的s，p和d成分依次为1/4，1/2和1/4。这些成分值即s，p和d轨道在组成杂化轨道时的组合系数的平方。据此，可求出各轨道的组合系数并写出dsp3杂化轨道的一般形式dsp3s/2p/2d根据题意，4个dsp2杂化轨道的极大值方向按平面四方形分别和x，y轴平行。设4个杂化轨道1，fZ，人和人的极大值方向分别在x轴的正方向、x轴的负方向、y轴的正方向和y轴的负方向，则这4个杂化轨道可写成： 这4个dsp3杂化轨道是正交、归一的。归一性可用该杂化轨道的一般形式证明如下：1正交性证明如下：0任选两个杂化轨道，都得同样结果。由dx2y2。s。px，py轨道组成dsp2杂化轨道：1，2，3，4，这些轨道极大值方向按平面四方形分别和x，y轴平行。根据原子轨道正交、归一性推出各个杂化轨道的d，s，px，py的组合系数，验证这些杂化轨道是正交、归一的。 （1）根据杂化轨道的正交、归一性可得下列联立方程在本题中方程（2）作为已知条件给出：解之，得：c120.3108，c10.56 c2，20.6892，c20.83所以，O3的中心O原子的成键杂化轨道为成0.562s0.832p而被孤对电子占据的杂化轨道为可见，孤中的s成分比成中的s成分多。（2）按