选修三2-2分子的立体构型

第二节分子的立体构型第二章分子结构与性质在宇宙的秩序与和谐面前，人类不能不在从心里发出由衷的赞叹，激起无限的好奇。——爱因斯坦所谓“分子的立体构型”指多原子构成的共价分子中的原子的空间关系问题。在O2、HCl这样的双原子分子中不存在分子的立体结构问题。O2HCl一、形形色色的分子H2OCO2C2H2CH2OCOCl2NH3P4CH4CH3CH2OHCH3COOHC6H6C8H8CH3OHC60C20C40C70科学视野分子立体构型的测定X射线衍射电子衍射红外光谱•测分子立体结构：红外光谱仪→吸收峰→分析同为三原子分子，CO2和H2O分子的空间结构却不同，什么原因？直线形V形同为四原子分子，CH2O与NH3分子的的空间结构也不同，什么原因？三角锥形平面三角形写出CO2、H2O、NH3、CH2O、CH4等分子的电子式、结构式及分子的空间构型：分子CO2H2ONH3CH2OCH4电子式结构式分子的空间构型OCO:::::::::::HOH::::HNH:H:::HCH:HHO=C=OH-O-HH-N-H-HH-C-H=OH-C-H--HH直线形V形三角锥形平面三角形正四面体HH..C....O......中心原子：对ABn型分子，B围绕A成键，则A为中心原子，n值为中心原子结合的原子数。分析CO2、H2O、NH3、CH2O、CH4电子式的中心原子价电子层电子的成键情况。孤对电子：未用于形成共价键的电子对结论：成键电子对和孤对电子对会影响分子的空间构型.中心原子代表物中心原子结合的原子数分子类型空间构型无孤对电子CO22AB2CH2O3AB3CH44AB4有孤对电子H2O2AB2NH33AB3直线形平面三角形正四面体V形三角锥形小结:孤对电子对分子立体结构影响较大。二、价层电子对互斥理论价层电子对相互排斥的结果决定了分子的立体结构价层电子对是指分子中的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。σ键电子对数等于中心原子结合的原子数。价电子互斥模型又称VSEPR模型，可用来预测分子的立体结构中心原子上的孤电子对数的确定方法：中心原子上的孤电子对数=1/2（a-xb）（a为中心原子的价电子数，x为与中心原子结合的原子数，b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。）对于阳离子来说，a为中心原子的价电子数减去离子的电荷数。对于阴离子来说，a为中心原子的价电子数加上离子的电荷数。练习判断下列微粒的价层电子对数。（1）CH4H2ONH3（2）CO2SO2BF3（3）CCl4H3O+NH4+（4）CO32-PCl5NO2（5）NO3-SO42-SF6444233444353346中心原子上无孤对电子的分子：VSEPR模型就是其分子的立体结构。中心原子上存在孤对电子的分子：先由价层电子对数得出含有孤对电子的价层电子对互斥模型，然后略去孤对电子在价层电子对互斥模型占有的空间，剩下的就是分子的立体结构。1、价层电子对数：2直线型CO2分子类型：AB2CH2O2、价层电子对数：3分子类型：AB3BF3平面三角形3、价层电子对数：4CH4三角锥形H2O角形正四面体NH3AB4AB3AB2分子类型成键电子对数孤对电子对数403122正四面体NH3的空间构型的空间构型2HO4、价层电子对数：5PCl5SF4ClF3三角双锥变形四面体T形直线形三角双锥I3-5、价层电子对数：6八面体SF6平面正方形4ICl八面体四方锥形IF5项目分子式ABn型分子(n值)VSEPR模型价层电子对的空间构型分子的立体结构模型分子的空间构型CO2H2ONH3CH2OCH4直线形四面体正四面体直线形Ｖ形三角锥形平面三角形正四面体四面体平面三角形22334中心原子所含孤对电子对数02100分子或离子结构式VSEPR模型分子或离子的立体结构HCNNH4+H3O+SO2BF3NHHHH+HCNBFFFS=O=OOHHH+应用反馈:化学式中心原子孤对电子数中心原子结合的原子数空间构型HCNSO2NH2－BF3H3O+SiCl4CHCl3NH4+0120100022233444直线形V形V形平面三角形三角锥形四面体正四面体正四面体思考与交流1、甲烷分子呈正四面体结构，它的四个C-H键的键长相同，键角都是109°28′，四个C-H键的性质完全相同2、根据价键理论，甲烷形成四个C-H键都应该是σ键，然而C原子最外层的四个电子分别2个在球形2S轨道、2个在相互垂直2P轨道上，用它们跟4个氢原子的1S原子轨道重叠，不可能形成四面体构型的甲烷分子如何解决上列一对矛盾？值得注意的是价层电子对互斥模型只能解释化合物分子的空间构形，却无法解释许多深层次的问题。为了解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论三、杂化轨道理论简介----鲍林1、杂化：杂化是指在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混杂起来，重新组合成一组新的原子轨道。这种重新组合的过程叫做杂化，所形成的新的轨道称为杂化轨道。2、杂化的过程：杂化轨道理论认为在形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。2s2p2s2psp3激发杂化C原子sp3杂化轨道形成过程为了四个杂化轨道在空间尽可能远离，使轨道间的排斥最小，4个杂化轨道的伸展方向分别指向正四面体的四个顶点。CH4分子的形成过程：碳原子2s轨道中的一个电子吸收能量跃迁到2p轨道上，这个过程称为激发。但此时各个轨道的能量并不完全相同，于是一个2s轨道和三个2p轨道“混杂”起来，形成能量相等，成份相同的四个sp3杂化轨道，然后四个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥，使四个sp3杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的四个顶点，碳原子四个sp3杂化轨道分别与四个氢原子的1s轨道形成四个相同的sp3键，从而形成CH4分子。由于四个C-H键完全相同，所以形成的CH4分子为正四面体，键角为109°28′3.杂化轨道理论的要点(1)发生轨道杂化的原子一定是中心原子。(2)参加杂化的各原子轨道能量要相近（同一能级组或相近能级组的轨道）。(3)杂化轨道的能量、形状完全相同。(4)杂化前后原子轨道数目不变：参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目；杂化后原子轨道方向改变，杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠(5)杂化轨道在空间构型上都具有一定的对称性（以减小化学键之间的排斥力）。(6)分子的构型主要取决于原子轨道的杂化类型。常见的sp3杂化----四面体形在学习价层电子对互斥模型时我们知道，H2O和NH3的VSEPR模型跟甲烷一样，也是四面体形的，因此它们的中心原子也是采取sp3杂化的。所不同的是，水分子的氧原子的sp3杂化轨道有2个孤对电子占据的，而氨分子的氮原子的sp3杂化轨道有1个由孤对电子占据。你还能说出哪些分子的中心原子采取的是sp3杂化？NH3、H2O、CX4、H2S、CH2X2等，也就是当中心原子价层电子对数为4时，这个中心原子就进行了sp3杂化，烷烃和其它化合物分子中的饱和碳原子均为sp3杂化。4、杂化轨道的类型（1）sp杂化：sp杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道组合而成的。sp杂化轨道的夹角是180°，呈直线形。例如，气态的BeCl2分子的结构。Be原子的电子层结构是1s22s2，从表面上看Be原子似乎不能形成共价键，但是在激发状态下，Be的一个2s电子进入2p轨道，经过杂化形成两个sp杂化轨道，与氯原子中的3p轨道重叠形成两个sp-pσ键。由于杂化轨道间的夹角为180°，所以形成的BeCl2分子的空间结构是直线形的。2s2p2s2psp激发杂化Be原子sp杂化轨道形成过程Be原子基态激发态杂化态sp杂化是一个s轨道和一个p轨道组合而成的，每个sp杂化轨道含有（1/2）s和（1/2）p的成分，杂化轨道间的夹角为180°，呈直线型。为什么铍原子的四个电子不单独分占四个轨道，进而形成四个杂化轨道呢？这是因为组成杂化轨道的原子轨道，要求能量相差不能太大。2s轨道和2p轨道在能量上是比较接近的，而2s、2p和1s相比能量相差较大，不易形成杂化轨道。你还能说出哪些分子的中心原子采取的是sp杂化？CO2、C2H2等，也就是当中心原子价层电子对数为2时，这个中心原子就进行了sp杂化（2）sp2杂化：sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道组合而成的。sp2杂化轨道的夹角是120°，呈平面三角形。例如，BF3分子的结构，B原子的电子层结构是1s22s22pX1，当硼与氟反应时，B的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中，使B原子的电子层结构变为1s22s12pX12pY1。B原子的2s轨道和两个2p轨道杂化组合成三个sp2杂化轨道，B原子三个sp2杂化轨道分别与氟原子的各一个2p轨道重叠形成三个sp2-pσ键。由于三个sp2杂化轨道在同一平面上，而且夹角为120°，所以形成的BF3分子的空间结构是平面三角形。2s2p2s2psp2激发杂化B原子sp2杂化轨道形成过程B原子基态激发态杂化态sp2杂化是一个s轨道和两个p轨道组合而成的，每个sp2杂化轨道含有（1/3）s和（2/3）p的成分，杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。如BF3分子BFFF120°你还能说出哪些分子的中心原子采取的是sp2杂化？CH2O、C2H4、SO2等，也就是当中心原子价层电子对数为3时，这个中心原子就进行了sp2杂化杂化类型spsp2sp3参与杂化的原子轨道杂化轨道数杂化轨道间夹角空间构型实例5.三种sp杂化轨道类型的比较1个s+2个p1个s+1个p1个s+3个p2个sp杂化轨道3个sp2杂化轨道4个sp3杂化轨道180°120°109°28′直线形平面三角形正四面体形BeCl2BF3CH46、几点说明（1）杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤对电子。（2）未参与杂化的p轨道，可用于形成π键（3）有几个原子轨道参与杂化，就形成几个杂化轨道（4）利用中心原子杂化轨道类型可直接判断分子的立体结构杂化轨道的电子云一头大，一头小，成键时利用大的一头，可以使电子云重叠程度更大，从而形成稳定的化学键。即杂化轨道增强了成键能力.科学探究用杂化轨道理论探究氰化氢（HCN）分子和甲醛（CH2O）分子的结构路易斯结构式：HCN··CHOH····立体结构HCNCOHHsp杂化sp2杂化用杂化轨道理论分析下列物质的杂化类型、成键情况和分子的空间构型。（1）CH2＝CH2（2）CH≡CH提醒：杂化轨道只能用于形成σ键或容纳孤对电子，剩余的未杂化p轨道还可形成π键。应用反馈C原子在形成乙烯分子时，碳原子的2s轨道与2个2p轨道发生杂化，形成3个sp2杂化轨道，伸向平面正三角形的三个顶点。每个C原子的2个sp2杂化轨道分别与2个H原子的1s轨道形成2个相同的σ键，各自剩余的1个sp2杂化轨道相互形成一个σ键.各自没有杂化的1个2p轨道则垂直于杂化轨道所在的平面，彼此肩并肩重叠形成π键。所以，在乙烯分子中双键由一个σ键和一个π键构成。C原子在形成乙炔分子时发生sp杂化。两个碳原子以sp杂化轨道与氢原子的1s轨道结合形成σ键。各自剩余的1个sp杂化轨道相互形成1个σ键，两个碳原子的未杂化2p轨道分别在Y轴和Z轴方向重叠形成π键。所以乙炔分子中碳原子间以叁键相结合。注意：杂化轨道一般形成σ键，没有杂化的p轨道形成π键。已知：杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳孤对电子★杂化轨道数0+2=2SP直线形0+3=3SP2平面三角形0+4=4SP3正四面体形1+2=3SP2V形1+3=4SP3三角锥形2+2=4SP3V形代表物杂化轨道数杂化轨道类型分子结构CO2CH2OCH4SO2NH3H2O结合上述信息完成下表：中心原子孤对电子对数＋中心原子结合的原子数例题1、下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是A、CO2与SO2B、CH4与NH3C、BeCl2与BF3D、C2H4与C2H22、为什么CH4、NH3与H2O分子中中心原子的杂化轨道的类型都是sp3杂化，但三者的空间构型却大不相同？CH4、NH3与H2O分子中中心原子的杂化轨道的类型都是sp3杂化，为四面体。其中CH4中四个占据四个顶点，而NH3与H2