第3章 化学键与分子结构章节要点及习题.pdf

1 第第 3 3 章章 化学键与分子结构化学键与分子结构 章节要点 章节要点 价键基础价键基础 共价键是通过原子核之间共用电子平衡吸引力和排斥力而形成的 在 H2中 这使得两个 H 原子距离为 74pm 时能量最低 这个距离就被称为键长 这个距离的分子和孤立原子之间的能量差就称为键能 H2中的单键是一个 键 关于键轴旋转对称 在简单的双原子分子例如 O2 F2中 可以用含有单电子的原子轨道的重叠来描述键的 形成 当双原子分子中两个原子不同时 电子对趋向于被其中一个原子所吸引 导致电子共享的不平均 由此产 生了极性共价键 电子的不平均共享是分子中不同原子电负性不同的结果 原子之间电负性差值越大 键的极性 越大 对于同一周期的原子 电负性一般随着原子序数的增大而增大 对于同一族的原子 电负性一般随着原子 序数增大而减少 离子键离子键 电负性差别较大的元素形成的化合物通常比较适合形成离子型分子 离子型化合物一般由交替的正负离子组 成 通过正负离子的静电引力结合在一起 吸引力的大小取决于离子所带的电荷及离子间的距离和一些其它因素 将晶体点阵打破变成气态离子所需的总能量称为晶格能 离子化合物中晶格能的变化趋势可以用离子电荷和距离 来解释 路易斯结构路易斯结构 路易斯结构给出了分子中价层电子的分布 成键的电子在单键 1 对电子 双键 2 对电子 三键 3 对 电子 中出现 分别在成键原子之间用 1 2 3 条横线描述 非成键电子被称为孤对电子 用圆点表示于元素符 号旁边 路易斯结构可用以下五个步骤画出 第一步 数出价层电子数 第二步 用单键组成键的框架 第三步 在每一个外部的原子放上 3 对孤对电子 H 除外 第四步 将剩余的价层电子分配给内部的原子 第五步 将所有原子的形式上的电荷减至最小 被 4 对原子包围的原子是八隅体结构的 这种排布通常在第二周期的元素中比较常见 当电子排布有多种时 使所有原子所带形式电荷减小的结构更优 在一些情况下 一个分子可以画出两种或者更多的能量等价的路易斯 结构 差别仅仅是电子对的位置不同 这种结构被称为共振结构 当然也存在能量不等的共振结构 在这种情况 下 带有最少形式电荷的结构依然是最优的 价层电子对互斥价层电子对互斥 VSEPR VSEPR 理论理论 VSEPR 理论认为分子采用电子对排斥力最小的一种构型 通过将电子对放置在尽可能远的地方可以实现 通 常通过如下三个步骤预测分子的结构 画出分子的路易斯结构 数出中心原子成键电子对和孤对电子对的数目 用下表确定电子对对数最适合的几何构型 如有必要 通过考察电子对之间的排斥力修改分子几何构型 排斥力主要取决于电子对是成键电子 BP 还是 孤对电子 LP 排斥力的顺序如下 LP LP BP LP BP BP 当孤对电子对存在时 电子对的理想几何构型将会有轻微变形 因为孤对电子对比成键电子对占据更多的空 间 2 共价键的性质共价键的性质 总电子分布不对称的分子存在着偶极矩 偶极矩的大小用 C m 库伦 米 来度量 含有极性键的分子不一定存 在偶极矩 因为方向相反的两个键的极性能够互相抵消 二氧化碳就是一个很好的例子 分子的键长取决于成键原子的半径 而原子半径又取决于有效核电荷数 两个原子之间的多重键要比相应的 单键键长短 键能随着化学键所含的电子数增加而增大 同样随着成键原子电负性差值的增加而增大 一个化学 键的键长和它的键能是成反比例的 随着键长的增加 键能减小 价键理论价键理论 价键理论描述的是分子采用杂化轨道重叠形成定域键的成键规律 顾名思义 价键理论在形成化学键时仅仅 考虑价层轨道 价层原子轨道通过杂化形成杂化轨道 它所包含的轨道与所需的杂化轨道类型有关 一个 s 轨道 和 3 个 p 轨道的杂化形成 4 个 sp 3杂化轨道 一个 s 轨道和 2 个 p 轨道的杂化形成 3 个 sp2杂化轨道 一个 s 轨道 和 1 个 p 轨道的杂化形成 2 个 sp 杂化轨道 这些过程分别剩余 0 1 2 个 p 轨道未参与杂化 sp3 杂化轨道排列 成正四面体 sp 2 杂化轨道排列成平面三角形 sp 轨道常采用直线型排列方式 杂化轨道与临近原子的原子轨道 或者杂化轨道重叠形成 键 多重键可以认为是一个 键加上一个 键 双键 或者一个 键加上两个 键 三键 键是由相邻的 sp 2或者 sp 杂化的原子中未参与杂化的 p 轨道重叠形成的 分子轨道理论 双原子分子分子轨道理论 双原子分子 分子轨道理论考虑分子里所有原子轨道可能的重叠方式 以离域键的形式描述原子的结合 两个原子轨道重 叠形成的分子轨道能够覆盖整个分子 原子轨道能够同相重叠 有效重叠 形成能量较低的成键分子轨道 或者异 相重叠 无效重叠 形成能量较高的反键分子轨道 在成键分子轨道中原子核之间的电子云密度最大 而在反键分 子轨道里原子核之间包含一个电子云密度为零的节点 所形成轨道的相对能量显示在分子轨道图上 电子按照原 子轨道能级图里所用的相同的规则填入分子轨道能级图里 简单双原子分子的键级可以通过如下公式计算得到 键级 1 2 成键轨道上的电子数 反键轨道上的电子数 键级一般是 1 2 或者 3 但是也有可能存在非整数键级 分子轨道理论能够解释 O2分子的顺磁性这个实验现 象 这是价键理论所不能达到的 不过想要解释其他双原子分子的实验性质 轨道组合 s 原子轨道和 pz 原子轨 道的重叠必须考虑在内 核心概念核心概念 电负性的周期趋势电负性的周期趋势 通过这个趋势 可以由元素在周期表中的位置估计所成极性键的强弱 也可估计键中哪一个原子的电负性最 大 绘制路易斯结构的方法绘制路易斯结构的方法 路易斯结构反映了分子或离子中价电子的分布情况 该方法下画出的分子结构使更多的原子拥有八隅体稳定 构型 1 每一个原子用它的元素符号来表示 2 连接两个元素符号的线表示被两个原子共享的电子对 3 路易斯结构式中只出现价电子 4 元素符号周围的点表示该原子的未成键电子 未成键电子通常成对出现并且自旋相反 形式电荷形式电荷 通过分配形式电荷 可以选择出分子或离子的最佳路易斯结构 3 决定共振结构的方法决定共振结构的方法 通过分配原子间的多重键 可以达到优化键的目的 VSEPRVSEPR 理论理论 当路易斯结构已知时 这个理论可用来预测分子或离子的几何构型 1 画出分子的路易斯结构式 2 数清中心原子周围的成键电子对和孤对电子对的对数 然后用下表确定电子对的最佳几何形状 价层电子对的对数 电子对的几何构型 2 线形 3 平面三角形 4 四面体 5 三角双锥体 6 八面体 3 修正了几何构型之后 如果必要 可以考虑电子对之间的互斥作用影响 互斥作用的大小取决于它们是 成键电子对 BP 还是孤对电子对 LP 互斥力大小有如下规则 LP LP BP LP BP BP 杂化轨道杂化轨道 杂化轨道有助于解释分子中的键 尤其可以使分子构型合理化 分子轨道图分子轨道图 通过把电子填入到分子轨道图中 可以使简单的双原子分子的键级与实验结果相一致 思考题及习题思考题及习题 3 1 写出下列元素完整的电子构造 判断那个电子是成键电子 a O b P c B d Br 3 2 请描述一个氢原子和一个碘原子构成HI分子的成键过程 并画出轨道重叠图 3 3 写出氢元素与周期表中第一主族元素形成的双原子分子 描述LiH中的键并画出轨道重叠图 3 4 对于以下成对的元素 试判断在共价键中那种元素容易吸电子 a C和N b S和H c Zn和I d S和As 3 5 用 来标出下列键极性的方向 a Si O b N C c Cl F d Br C 3 6 按键极性的大小排列下列分子 H2O NH3 PH3和H2S 3 7 从元素Ca C Cu Cs Cl和Cr 中选取元素组成离子化合物 说明每种化合物是否形成了稳定的阴离子 和阳离子 3 8 以下是几种钡元素和氧元素可能形成的离子化合物 Ba O Ba2 O2 Ba3 O3 a 哪一种具有最大的晶格能 b 形成哪种离子所需的能量最低 c 哪种化合物实际存在 并说明为什么 3 9 写出下列物质中的价电子数 a H3PO4 b C6H5 3C c NH 2 2CO d SO4 2 3 10 将下列分子式转换成分子框架 计算每个分子构建框架所需的价电子数 a CH3 3CBr b CH3CH2CH2 2NH c HClO3 d OP OCH3 3 3 11 确定NH3 NH4 H 2N 的路易斯结构 3 12 用标准步骤逐步确定H3CNH2 CF2Cl2 OF2的路易斯结构 4 3 13 确定下列多原子离子的路易斯结构 画出所有可能的共振结构并标出形式电荷数 a NO3 b HSO 4 c CO 3 2 d ClO2 3 14 画出分子CF2Cl2 SiF4 PBr3的构型并命名 3 15 画出1 2 二氯乙烷 ClH2CCH2Cl 的球棍模型来表示它的几何构型 3 16 画出二甲基氨的路易斯结构式 确定其几何构型并绘制出球棍模型 类似于氨分子上的氢被甲基所取代 3 17 命名中心原子有如下特征的分子形状 a 2个孤对电子和3个配体 b 5对电子对 其中1对是孤对电子对 c 3对电子对 没有孤对电子对 d 5配体6对电子对 3 18 由碘和氯组成的三种化合物ICl ICl3 ICl5 确定它们的路易斯结构 判断分子构型 并画出每个化合 物的球棍模型 3 19 判断物质SO2 SbF5 ClF4 ICl 4 的分子构型和理论键角 3 20 确定下列化合物的路易斯结构式 判断哪种化合物具有偶极矩 对具有偶极矩的分子画出其球棍模型并 用箭头标明偶极矩的方向 a SF4 b H2S c XeF2 d GaCl3 e NF3 3 21 二氧化碳没有偶极矩 但是二氧化硫的偶极矩 5 44 10 30C m 试用路易斯结构来解释两者偶极矩的 差异 3 22 分子PF5 CH3I BrF5中哪个的键角最有可能与VSEPR理论相背离 画出这个分子的草图 对相背离的情 况进行说明 3 23 利用表 3 2 对下列键的强度从低到高排列 并找出使键增强的最重要原因 C C H N C O N N 和 C C 3 24 请描述氢原子和氯原子在 HCl 中键的形式 画出轨道重叠图 3 25 在三氟化锑中键角是 87 画出轨道重叠作用后的 Sb F 键 描述 SbF3中的键 3 26 试命名由下列原子轨道组成的杂化轨道 a 3s和三个3p轨道 b 2s和一个2p轨道 3 27 判断 CH3 2N NH S SO2 C CS2化合物中粗体字标出的原子在其中的杂化形式 3 28 描绘丙酮溶剂 CH3 2COCO 中的键 画出所有键中轨道重叠的草图 3 29 几种碳的化合物 1 4 戊二烯 1 戊炔和环戊烯的分子式都是 C5H8 运用电子对数目和杂化方式画出三 种分子的成键图 a b c 3 30 判断下列轨道进行重叠时是形成 键 键还是不成键 试画出轨道草图 假定键位于 z 轴 a 2pz和 2pz b 2py和 2px c sp 3和 2p z d 2py和 2py 3 31 CNO 可以形成两种不同的多原子阴离子氰酸根 CNO 和异氰酸根 NCO 分别画出它们的路易斯结构式 包括等价共振式 并标出有效电荷 3 32 下列分子构型常见于 XY4型化合物 试写出各几何构型的名称 理想的 VSEPR 键角 孤对电子数 并给 出一个具体的例子 3 33 硫可形成两种稳定的化合物 SO2和 SO3 试描述这两种化合物的成键与分子构型 5 3 34 辣椒素分子是辣椒具有香辣味的主要原因 请说明 a 辣椒素分子中含有多少个 键 b 每一个被标记原子分别用什么轨道来成键 c 每一个被标记原子成键的键角各是多少 d 重新画出辣椒素分子结构式 标出孤对电子 3 35 用电子排布来判断物质 N2 和 O 2 是顺磁性还是反磁性的 3 36 试确定下列分子中每一个原子的成键轨道类型 原子轨道 sp 3或 sp 2 a b H3CNH2 c 3 37 二氧化氮分子两种可能的路易斯结构式 N N O 和 N O N 实验表明该分子是线型的 并具有偶极矩 试 确定 NO2的分子排布 3 38 由于三原子分子的中心原子周围电子对数不同 具有四种不同的几何构型 列出四种构型并各举出一例 3 39 PF3和 PF5都为已知存在的化合物 NF3也是存在的 但是 NF5却不存在 试解释为什么不存在分子式 NF5 3 40 N2分子可以吸收光子产生激发态分子 试构造一个能级结构将价层电子填充其中 描述出最稳定激发态 的 N2分子 解释激发态 N2分子中 N N 键相比基态 N2分子是增强还