第二章分子结构和性质2

第二节分子的立体构型一、形形色色的分子二、分子的立体结构（一）杂化轨道（hybridization）理论（二）价层电子对互斥（VSEPR）理论（一）杂化轨道（hybridization）理论1.定义：在同一个原子中能量相近的不同类型的轨道混合起来，重新组合成一组新轨道，这组轨道称为杂化轨道。能量相近同一电子层的轨道2.常见的杂化轨道s2p2Be：2s21.sp杂化BeCl2的空间构型为直线形ClClBe激发s2p2p2s2spsp杂化Be采用sp杂化生成BeCl2BeH2类似1个ns和1个np轨道组合练习：已知CO2是直线型的分子，试分析成键情况2y1z1x222p2p2p2s2Op2s2C2s2p2p2s激发sp2p杂化σππσOCOOCOs2p2B：2s22p1BF3的空间构型为平面三角形BFFF120°键角：120°激发s2p2p2s2sp2sp2杂化图2.sp2杂化由1个ns轨道和2个np轨道组合而成练习：试分析成键情况1．SO2：已知键角1202．NO3－、CO32－、COCl2CH4的空间构型为正四面体p2s2C：2s22p23.sp3杂化键角：109°28′由1个ns轨道和3个np轨道组合而成END激发s2p2p2s2杂化3spsp3图练习：试分析成键情况CCl4、SO42－、ClO4－、PO43－、SiF4SO42－中，硫原子以sp3杂化轨道成键、离子中存在4个σ键，离子为正四面体形。等性与不等性杂化：等性杂化：若干个原子轨道组合形成完全等同（能量、成份）轨道的杂化。不等性杂化：由于孤电子对的存在，使原子轨道组合形成不完全等同轨道的杂化。3NH'18107HNHο杂化3sp4.不等性sp3杂化2ps2分子空间构型三角锥形NHHH‥其它如，OH,NF,NCl333H2O'ο30104HOHOH2杂化3sp2ps23spOHH分子构型为“V”型其它如，SH,NH22sp3d5PClsp3d杂化（1个ns+3个np+1个n-1d）sp3d2266SiF,SFsp3d2杂化（1个ns+3个np+2个n-1d）小结小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型中心原子Be(ⅡA)B(ⅢA)C,Si(ⅣA)N,P(ⅤA)O,S(ⅥA)Hg(ⅡB)2BeCl2HgCl3PH4CH3BF4SiCl3BCl3NHSH2OH2直线形三角形四面体三角锥V型杂化轨道类型s+ps+(3)ps+(2)ps+(3)p参加杂化的轨道2443杂化轨道数180'2810990'28109120成键轨道夹角分子空间构型实例推断spsp2sp3不等性sp3练习：根据模型分析CH2=CH2、CHCH、C6H6的化学键成键情况分子的价电子对（包括成键电子对和孤电子对）由于相互排斥作用,而趋向尽可能采取对称的空间构型。（二）价层电子对互斥理论:1．内容基本要点：•分子或离子的空间构型与中心原子的价层电子对数目有关。•价层电子对尽可能远离,以使斥力最小。价层电子对=成键电子对+孤对电子对(VP)(BP)(LP)σ键2．推断分子或离子的空间构型的具体步骤：（1）确定中心原子的价层电子对数价层电子对数(VP)=成σ键电子对数+孤对电子对数价层电子对数(VP)=与中心原子成键的配位原子数+孤对电子对数孤对电子对数=（中心原子价电子数－配位原子未成对电子数之和）21+负电荷数－正电荷数（2）确定电子对的空间构型：VP=2直线形VP=3平面三角形VP=4正四面体VP=5三角双锥VP=6正八面体练习：确定中心原子的价层电子对数，推断分子的空间构型。BeH2BF3CH4PCl5SF6①LP=0:分子的空间构型=电子对的空间构型2BeHVP=(2+2)=2直线形213BFVP=(3+3)=3平面三角形214CHVP=(4+4)=4四面体215PClVP=(5+5)=5三角双锥216SFVP=(6+6)=6八面体21练习：确定中心原子的价层电子对数，推断分子的空间构型。SnCl2NH3H2OIF5XeF4②LP≠0：分子的空间构型不同于电子对的空间构型。34611212SnCl2平面三角形V形NH3四面体三角锥H2O四面体V形IF5八面体四方锥XeF4八面体平面正方形VPLP电子对的空间构型分子的空间构型例VP=5，电子对空间构型为三角双锥，LP占据轴向还是水平方向三角形的某个顶点？原则：斥力最小。例如：SF4VP=5LP=1SFFFFLP－BP(90o)32结论：LP占据水平方向三角形,稳定分子构型为变形四面体(跷跷板形)。SFFFFF515253VPLP电子对的空间构型分子的空间构型例三角双锥变形四面体SF4三角双锥T形ClF3三角双锥直线形XeF2六、共轭大π键苯中的碳原子取sp2杂化，每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行。这6个平行p轨道中的6个电子在一起弥散在整个苯环的6个碳原子上下，形成了一个p-p大键。用p-p大键(有机化学中的共轭体系)的概念苯的结构式写成如下右图更好。后者已经被广泛应用。离域Π键是由三个或三个以上原子形成的键，不同于两原子间的键。在三个或三个以上用s键联结起来的原子之间，如能满足下列条件，则可以生成离域键：(1)这些原子都在同一平面上；每一原子有一互相平行的p轨道(或d轨道，或p,d轨道)(2)形成大键的原子轨道能量应相近(3)p电子的数目小于p轨道数目的两倍。OOOsp2p中心O原子和配位O原子都有p轨道，共有4个电子小于轨道数的两倍6，满足上述条件即可形成离Π域键。OOOOOOCO2的碳原子取sp杂化轨道,它的两个未参加杂化的p轨道在空间的取向是跟sp杂化轨道的轴相互垂直。CO2分子里有两套3原子4电子符号为34的p-p大键。OCOOCOCOO大键的表示方法:电子数平行p轨道数I路易斯结构式II分子中有2套III大键平行p轨道的结构式计算大键里电子数的简单方法计算大键里的电子数简单方法的步骤是:(1)确定分子中总价电子数(2)画出分子中的s键以及不与键p轨道平行的孤对电子轨道(3)总电子数减去这些s键电子和孤对电子,剩余的就是填入大键的电子。如CO2分子（1）确定分子中总价电子数：CO2分子有16个价电子（2）确定分子中孤对电子轨道和成键电子轨道：C的孤电子对个数m=1/2（4－2×2）=0中心原子的价电子数=0＋2=2判断CO2的构型：直线形分析：中心原子C有两个sp杂化轨道成键有两个p轨道未参加成键，并分别具有一个电子氧原子：有1个容纳孤对电子的轨道不与键p轨道平行有1个轨道与C原子形成s键，剩余2个p轨道并3个电子与C原子p轨道形成34键2套平行p轨道里总共有8个电子，平均每套p轨道里有4个电子CO32–离子中的大键碳酸根离子:属AY3型分子,中心碳原子取sp2杂化形式离子总价电子数有24个价电子分析：碳原子上有一个垂直于分子平面的p轨道；端位的3个氧原子也各有1个垂直于分子平面的p轨道；3个C－Os键有6个电子，每个氧原子上有2个不与分子平面垂直的孤对电子对。因此，4个平行p轨道中共有：24-6-3×2×2=6个电子所以，CO32–离子中有1个4轨道6电子p-p大键，符号为46。OCOOOCOO丁二烯分子式H2C=CH-CH=CH2。4个碳原子均有3个配位原子相邻，故均取sp2杂化，形成3个s键，所有原子处于同一个平面。每个碳原子有一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面，每个p轨道里有一个电子。按照上面分析苯分子的结构的模式，丁二烯分子里有一个4轨道4电子的p-p大键。丁二烯分子里的p-p大键ΠHgCl2的成键过程：6s26p06s16px16py06pz0(sp)1(sp)16py06pz0Cl:3px13py23pz2Cl:3px13py23pz2是否能形成p-p大键?HgCl2分子的成键过程：不存在34，大键。6p与3p轨道能量相差太大石墨分子结构是层形结构。每层是由无限个碳六元环所形成的平面，其中的碳原子取sp2杂化，与苯的结构类似。每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行。平行的n个p轨道共n个电子在一起形成了弥散在整个层的n个碳原子上下，形成了一个p-p大键。电子在这个大键中可以自由移动，即石墨能导电。七、等电子体原理等电子体原理：具有相同的通式——AXm，价电子总数相等的分子或离子具有相同的结构特征————这个原理称为“等电子体原理”。“相同的结构特征”包括：分子的立体结构，化学键的类型，但键角并不一定相等，除非键角为180或90等特定的角度。例:CO2、CNS–、NO2+、N3–具有相同的通式—AX2，价电子总数16，具有相同的结构——直线型分子，中心原子上没有孤对电子而取sp杂化轨道，形成直线形s-骨架，键角为180，分子里有两套34p-p大键。例:CO32–、NO3–、SO3等离子或分子相同的通式——AX3，总价电子数24，有相同的结构—平面三角形分子,中心原子上没有孤对电子而取sp2杂化轨道形成分子的s-骨架，有一套46p-p大键。例:SO2、O3、NO2–等离子或分子，AX2，18e，中心原子取sp2杂化形式，平面三角形，中心原子上有1对孤对电子(处于分子平面上)，分子立体结构为V型(或角型、折线型)，有一套符号为34的p-p大键。例:SO42–、PO43–等离子：具有AX4的通式,总价电子数32，中心原子有4个s-键，故取sp3杂化形式，呈正四面体立体结构；注意：这些离子的中心原子的所有3p轨道都参与杂化了，都已用于形成s键。因此，分子里的中心原子已经不存在p轨道，不参与p-p键，它们的路易斯结构式里的重键是d-p大键，不同于p-p键，是由中心原子的d轨道和配位原子的p轨道形成的大键。例:PO33–、SO32–、ClO3–等离子具有AX3的通式，总价电子数26，中心原子有4个s-轨道(3个s-键和1对占据s-轨道的孤对电子)，VSEPR理想模型为四面体，(不计孤对电子的)分子立体结构为三角锥体，中心原子取sp3杂化形式，没有p-p键或p-p大键，它们的路易斯结构式里的重键是d-p大键。注意对比：SO3和SO32–尽管通式相同，但前者24e，后者26e，故结构特征不同。天蓝色天蓝色天蓝色无色无色无色八、配合物理论简介：实验2-1固体颜色溶液颜色CuSO4CuCl2.2H2OCuBr2NaClK2SO4KBr白色绿色深褐色白色白色白色思考：前三种溶液呈天蓝色大概与什么物质有关？依据是什么？结论：上述实验中呈天蓝色的物质叫做四水合铜离子，可表示为[Cu(H2O)4]2+。在四水合铜离子中，铜离子与水分子之间的化学键是由水分子中的O原子提供孤对电子对给予铜离子（铜离子提供空轨道），铜离子接受水分子的孤对电子形成的，这类“电子对给予—接受键”被称为配位键。1、定义：配位化合物，简称配合物，通常是由中心离子（或原子）与配位体(某些分子或阴离子)以配位键的形式结合而成的复杂离子或分子。2+CuNH3H3NNH3NH3实验2-2已知氢氧化铜与足量氨水反应后溶解是因为生成了[Cu(NH3)4]2+，其结构简式为：试写出实验中发生的两个反应的离子方程式？Cu2++2NH3·H2OCu(OH)2↓+2NH4+Cu(OH)2+4NH3.H2O[Cu(NH3)4]2++2OH－+4H2O蓝色沉淀深蓝色溶液实验2-3Fe3++SCN－[Fe(SCN)]2+硫氰酸根血红色2、配合物的组成、命名、应用（1）组成Cu(NH3)42+SO42-内界（配离子）中心原子外界离子配位原子配位体配位数配合物（2）配体可以是阴离子，如X－、OH－、SCN－、CN－等，也可以是中性分子，如H2O、NH3、CO等。（3）配位数直接同中心离子（或原子）配位的原子数目，一般中心原子的配位数为：配位数离子2Ag+、Cu2+、Au+4Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pt2+、Co2+6Fe2+、Fe3+、Al3+8Pb2+（3）配合物的命名例如：[Cu(NH3)4]2+四氨合铜离子[Fe(C