第3章 化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)章節(jié)要點(diǎn)及習(xí)題.pdf

1 第第 3 3 章章 化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu) 章節(jié)要點(diǎn) 章節(jié)要點(diǎn) 價鍵基礎(chǔ)價鍵基礎(chǔ) 共價鍵是通過原子核之間共用電子平衡吸引力和排斥力而形成的 在 H2中 這使得兩個 H 原子距離為 74pm 時能量最低 這個距離就被稱為鍵長 這個距離的分子和孤立原子之間的能量差就稱為鍵能 H2中的單鍵是一個 鍵 關(guān)于鍵軸旋轉(zhuǎn)對稱 在簡單的雙原子分子例如 O2 F2中 可以用含有單電子的原子軌道的重疊來描述鍵的 形成 當(dāng)雙原子分子中兩個原子不同時 電子對趨向于被其中一個原子所吸引 導(dǎo)致電子共享的不平均 由此產(chǎn) 生了極性共價鍵 電子的不平均共享是分子中不同原子電負(fù)性不同的結(jié)果 原子之間電負(fù)性差值越大 鍵的極性 越大 對于同一周期的原子 電負(fù)性一般隨著原子序數(shù)的增大而增大 對于同一族的原子 電負(fù)性一般隨著原子 序數(shù)增大而減少 離子鍵離子鍵 電負(fù)性差別較大的元素形成的化合物通常比較適合形成離子型分子 離子型化合物一般由交替的正負(fù)離子組 成 通過正負(fù)離子的靜電引力結(jié)合在一起 吸引力的大小取決于離子所帶的電荷及離子間的距離和一些其它因素 將晶體點(diǎn)陣打破變成氣態(tài)離子所需的總能量稱為晶格能 離子化合物中晶格能的變化趨勢可以用離子電荷和距離 來解釋 路易斯結(jié)構(gòu)路易斯結(jié)構(gòu) 路易斯結(jié)構(gòu)給出了分子中價層電子的分布 成鍵的電子在單鍵 1 對電子 雙鍵 2 對電子 三鍵 3 對 電子 中出現(xiàn) 分別在成鍵原子之間用 1 2 3 條橫線描述 非成鍵電子被稱為孤對電子 用圓點(diǎn)表示于元素符 號旁邊 路易斯結(jié)構(gòu)可用以下五個步驟畫出 第一步 數(shù)出價層電子數(shù) 第二步 用單鍵組成鍵的框架 第三步 在每一個外部的原子放上 3 對孤對電子 H 除外 第四步 將剩余的價層電子分配給內(nèi)部的原子 第五步 將所有原子的形式上的電荷減至最小 被 4 對原子包圍的原子是八隅體結(jié)構(gòu)的 這種排布通常在第二周期的元素中比較常見 當(dāng)電子排布有多種時 使所有原子所帶形式電荷減小的結(jié)構(gòu)更優(yōu) 在一些情況下 一個分子可以畫出兩種或者更多的能量等價的路易斯 結(jié)構(gòu) 差別僅僅是電子對的位置不同 這種結(jié)構(gòu)被稱為共振結(jié)構(gòu) 當(dāng)然也存在能量不等的共振結(jié)構(gòu) 在這種情況 下 帶有最少形式電荷的結(jié)構(gòu)依然是最優(yōu)的 價層電子對互斥價層電子對互斥 VSEPR VSEPR 理論理論 VSEPR 理論認(rèn)為分子采用電子對排斥力最小的一種構(gòu)型 通過將電子對放置在盡可能遠(yuǎn)的地方可以實(shí)現(xiàn) 通 常通過如下三個步驟預(yù)測分子的結(jié)構(gòu) 畫出分子的路易斯結(jié)構(gòu) 數(shù)出中心原子成鍵電子對和孤對電子對的數(shù)目 用下表確定電子對對數(shù)最適合的幾何構(gòu)型 如有必要 通過考察電子對之間的排斥力修改分子幾何構(gòu)型 排斥力主要取決于電子對是成鍵電子 BP 還是 孤對電子 LP 排斥力的順序如下 LP LP BP LP BP BP 當(dāng)孤對電子對存在時 電子對的理想幾何構(gòu)型將會有輕微變形 因?yàn)楣聦﹄娮訉Ρ瘸涉I電子對占據(jù)更多的空 間 2 共價鍵的性質(zhì)共價鍵的性質(zhì) 總電子分布不對稱的分子存在著偶極矩 偶極矩的大小用 C m 庫倫 米 來度量 含有極性鍵的分子不一定存 在偶極矩 因?yàn)榉较蛳喾吹膬蓚€鍵的極性能夠互相抵消 二氧化碳就是一個很好的例子 分子的鍵長取決于成鍵原子的半徑 而原子半徑又取決于有效核電荷數(shù) 兩個原子之間的多重鍵要比相應(yīng)的 單鍵鍵長短 鍵能隨著化學(xué)鍵所含的電子數(shù)增加而增大 同樣隨著成鍵原子電負(fù)性差值的增加而增大 一個化學(xué) 鍵的鍵長和它的鍵能是成反比例的 隨著鍵長的增加 鍵能減小 價鍵理論價鍵理論 價鍵理論描述的是分子采用雜化軌道重疊形成定域鍵的成鍵規(guī)律 顧名思義 價鍵理論在形成化學(xué)鍵時僅僅 考慮價層軌道 價層原子軌道通過雜化形成雜化軌道 它所包含的軌道與所需的雜化軌道類型有關(guān) 一個 s 軌道 和 3 個 p 軌道的雜化形成 4 個 sp 3雜化軌道 一個 s 軌道和 2 個 p 軌道的雜化形成 3 個 sp2雜化軌道 一個 s 軌道 和 1 個 p 軌道的雜化形成 2 個 sp 雜化軌道 這些過程分別剩余 0 1 2 個 p 軌道未參與雜化 sp3 雜化軌道排列 成正四面體 sp 2 雜化軌道排列成平面三角形 sp 軌道常采用直線型排列方式 雜化軌道與臨近原子的原子軌道 或者雜化軌道重疊形成 鍵 多重鍵可以認(rèn)為是一個 鍵加上一個 鍵 雙鍵 或者一個 鍵加上兩個 鍵 三鍵 鍵是由相鄰的 sp 2或者 sp 雜化的原子中未參與雜化的 p 軌道重疊形成的 分子軌道理論 雙原子分子分子軌道理論 雙原子分子 分子軌道理論考慮分子里所有原子軌道可能的重疊方式 以離域鍵的形式描述原子的結(jié)合 兩個原子軌道重 疊形成的分子軌道能夠覆蓋整個分子 原子軌道能夠同相重疊 有效重疊 形成能量較低的成鍵分子軌道 或者異 相重疊 無效重疊 形成能量較高的反鍵分子軌道 在成鍵分子軌道中原子核之間的電子云密度最大 而在反鍵分 子軌道里原子核之間包含一個電子云密度為零的節(jié)點(diǎn) 所形成軌道的相對能量顯示在分子軌道圖上 電子按照原 子軌道能級圖里所用的相同的規(guī)則填入分子軌道能級圖里 簡單雙原子分子的鍵級可以通過如下公式計算得到 鍵級 1 2 成鍵軌道上的電子數(shù) 反鍵軌道上的電子數(shù) 鍵級一般是 1 2 或者 3 但是也有可能存在非整數(shù)鍵級 分子軌道理論能夠解釋 O2分子的順磁性這個實(shí)驗(yàn)現(xiàn) 象 這是價鍵理論所不能達(dá)到的 不過想要解釋其他雙原子分子的實(shí)驗(yàn)性質(zhì) 軌道組合 s 原子軌道和 pz 原子軌 道的重疊必須考慮在內(nèi) 核心概念核心概念 電負(fù)性的周期趨勢電負(fù)性的周期趨勢 通過這個趨勢 可以由元素在周期表中的位置估計所成極性鍵的強(qiáng)弱 也可估計鍵中哪一個原子的電負(fù)性最 大 繪制路易斯結(jié)構(gòu)的方法繪制路易斯結(jié)構(gòu)的方法 路易斯結(jié)構(gòu)反映了分子或離子中價電子的分布情況 該方法下畫出的分子結(jié)構(gòu)使更多的原子擁有八隅體穩(wěn)定 構(gòu)型 1 每一個原子用它的元素符號來表示 2 連接兩個元素符號的線表示被兩個原子共享的電子對 3 路易斯結(jié)構(gòu)式中只出現(xiàn)價電子 4 元素符號周圍的點(diǎn)表示該原子的未成鍵電子 未成鍵電子通常成對出現(xiàn)并且自旋相反 形式電荷形式電荷 通過分配形式電荷 可以選擇出分子或離子的最佳路易斯結(jié)構(gòu) 3 決定共振結(jié)構(gòu)的方法決定共振結(jié)構(gòu)的方法 通過分配原子間的多重鍵 可以達(dá)到優(yōu)化鍵的目的 VSEPRVSEPR 理論理論 當(dāng)路易斯結(jié)構(gòu)已知時 這個理論可用來預(yù)測分子或離子的幾何構(gòu)型 1 畫出分子的路易斯結(jié)構(gòu)式 2 數(shù)清中心原子周圍的成鍵電子對和孤對電子對的對數(shù) 然后用下表確定電子對的最佳幾何形狀 價層電子對的對數(shù) 電子對的幾何構(gòu)型 2 線形 3 平面三角形 4 四面體 5 三角雙錐體 6 八面體 3 修正了幾何構(gòu)型之后 如果必要 可以考慮電子對之間的互斥作用影響 互斥作用的大小取決于它們是 成鍵電子對 BP 還是孤對電子對 LP 互斥力大小有如下規(guī)則 LP LP BP LP BP BP 雜化軌道雜化軌道 雜化軌道有助于解釋分子中的鍵 尤其可以使分子構(gòu)型合理化 分子軌道圖分子軌道圖 通過把電子填入到分子軌道圖中 可以使簡單的雙原子分子的鍵級與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致 思考題及習(xí)題思考題及習(xí)題 3 1 寫出下列元素完整的電子構(gòu)造 判斷那個電子是成鍵電子 a O b P c B d Br 3 2 請描述一個氫原子和一個碘原子構(gòu)成HI分子的成鍵過程 并畫出軌道重疊圖 3 3 寫出氫元素與周期表中第一主族元素形成的雙原子分子 描述LiH中的鍵并畫出軌道重疊圖 3 4 對于以下成對的元素 試判斷在共價鍵中那種元素容易吸電子 a C和N b S和H c Zn和I d S和As 3 5 用 來標(biāo)出下列鍵極性的方向 a Si O b N C c Cl F d Br C 3 6 按鍵極性的大小排列下列分子 H2O NH3 PH3和H2S 3 7 從元素Ca C Cu Cs Cl和Cr 中選取元素組成離子化合物 說明每種化合物是否形成了穩(wěn)定的陰離子 和陽離子 3 8 以下是幾種鋇元素和氧元素可能形成的離子化合物 Ba O Ba2 O2 Ba3 O3 a 哪一種具有最大的晶格能 b 形成哪種離子所需的能量最低 c 哪種化合物實(shí)際存在 并說明為什么 3 9 寫出下列物質(zhì)中的價電子數(shù) a H3PO4 b C6H5 3C c NH 2 2CO d SO4 2 3 10 將下列分子式轉(zhuǎn)換成分子框架 計算每個分子構(gòu)建框架所需的價電子數(shù) a CH3 3CBr b CH3CH2CH2 2NH c HClO3 d OP OCH3 3 3 11 確定NH3 NH4 H 2N 的路易斯結(jié)構(gòu) 3 12 用標(biāo)準(zhǔn)步驟逐步確定H3CNH2 CF2Cl2 OF2的路易斯結(jié)構(gòu) 4 3 13 確定下列多原子離子的路易斯結(jié)構(gòu) 畫出所有可能的共振結(jié)構(gòu)并標(biāo)出形式電荷數(shù) a NO3 b HSO 4 c CO 3 2 d ClO2 3 14 畫出分子CF2Cl2 SiF4 PBr3的構(gòu)型并命名 3 15 畫出1 2 二氯乙烷 ClH2CCH2Cl 的球棍模型來表示它的幾何構(gòu)型 3 16 畫出二甲基氨的路易斯結(jié)構(gòu)式 確定其幾何構(gòu)型并繪制出球棍模型 類似于氨分子上的氫被甲基所取代 3 17 命名中心原子有如下特征的分子形狀 a 2個孤對電子和3個配體 b 5對電子對 其中1對是孤對電子對 c 3對電子對 沒有孤對電子對 d 5配體6對電子對 3 18 由碘和氯組成的三種化合物ICl ICl3 ICl5 確定它們的路易斯結(jié)構(gòu) 判斷分子構(gòu)型 并畫出每個化合 物的球棍模型 3 19 判斷物質(zhì)SO2 SbF5 ClF4 ICl 4 的分子構(gòu)型和理論鍵角 3 20 確定下列化合物的路易斯結(jié)構(gòu)式 判斷哪種化合物具有偶極矩 對具有偶極矩的分子畫出其球棍模型并 用箭頭標(biāo)明偶極矩的方向 a SF4 b H2S c XeF2 d GaCl3 e NF3 3 21 二氧化碳沒有偶極矩 但是二氧化硫的偶極矩 5 44 10 30C m 試用路易斯結(jié)構(gòu)來解釋兩者偶極矩的 差異 3 22 分子PF5 CH3I BrF5中哪個的鍵角最有可能與VSEPR理論相背離 畫出這個分子的草圖 對相背離的情 況進(jìn)行說明 3 23 利用表 3 2 對下列鍵的強(qiáng)度從低到高排列 并找出使鍵增強(qiáng)的最重要原因 C C H N C O N N 和 C C 3 24 請描述氫原子和氯原子在 HCl 中鍵的形式 畫出軌道重疊圖 3 25 在三氟化銻中鍵角是 87 畫出軌道重疊作用后的 Sb F 鍵 描述 SbF3中的鍵 3 26 試命名由下列原子軌道組成的雜化軌道 a 3s和三個3p軌道 b 2s和一個2p軌道 3 27 判斷 CH3 2N NH S SO2 C CS2化合物中粗體字標(biāo)出的原子在其中的雜化形式 3 28 描繪丙酮溶劑 CH3 2COCO 中的鍵 畫出所有鍵中軌道重疊的草圖 3 29 幾種碳的化合物 1 4 戊二烯 1 戊炔和環(huán)戊烯的分子式都是 C5H8 運(yùn)用電子對數(shù)目和雜化方式畫出三 種分子的成鍵圖 a b c 3 30 判斷下列軌道進(jìn)行重疊時是形成 鍵 鍵還是不成鍵 試畫出軌道草圖 假定鍵位于 z 軸 a 2pz和 2pz b 2py和 2px c sp 3和 2p z d 2py和 2py 3 31 CNO 可以形成兩種不同的多原子陰離子氰酸根 CNO 和異氰酸根 NCO 分別畫出它們的路易斯結(jié)構(gòu)式 包括等價共振式 并標(biāo)出有效電荷 3 32 下列分子構(gòu)型常見于 XY4型化合物 試寫出各幾何構(gòu)型的名稱 理想的 VSEPR 鍵角 孤對電子數(shù) 并給 出一個具體的例子 3 33 硫可形成兩種穩(wěn)定的化合物 SO2和 SO3 試描述這兩種化合物的成鍵與分子構(gòu)型 5 3 34 辣椒素分子是辣椒具有香辣味的主要原因 請說明 a 辣椒素分子中含有多少個 鍵 b 每一個被標(biāo)記原子分別用什么軌道來成鍵 c 每一個被標(biāo)記原子成鍵的鍵角各是多少 d 重新畫出辣椒素分子結(jié)構(gòu)式 標(biāo)出孤對電子 3 35 用電子排布來判斷物質(zhì) N2 和 O 2 是順磁性還是反磁性的 3 36 試確定下列分子中每一個原子的成鍵軌道類型 原子軌道 sp 3或 sp 2 a b H3CNH2 c 3 37 二氧化氮分子兩種可能的路易斯結(jié)構(gòu)式 N N O 和 N O N 實(shí)驗(yàn)表明該分子是線型的 并具有偶極矩 試 確定 NO2的分子排布 3 38 由于三原子分子的中心原子周圍電子對數(shù)不同 具有四種不同的幾何構(gòu)型 列出四種構(gòu)型并各舉出一例 3 39 PF3和 PF5都為已知存在的化合物 NF3也是存在的 但是 NF5卻不存在 試解釋為什么不存在分子式 NF5 3 40 N2分子可以吸收光子產(chǎn)生激發(fā)態(tài)分子 試構(gòu)造一個能級結(jié)構(gòu)將價層電子填充其中 描述出最穩(wěn)定激發(fā)態(tài) 的 N2分子 解釋激發(fā)態(tài) N2分子中 N N 鍵相比基態(tài) N2分子是增強(qiáng)還