第二节《分子的立体构型》课件

第二章分子结构与性质第二节分子的立体构型一、形形色色的分子O2HClH2OCO2C2H2CH2OCOCl2NH3P4CH4CH3CH2OHCH3COOHC6H6C8H8CH3OH分子世界如此形形色色，异彩纷呈，美不胜收，常使人流连忘返。那么分子结构又是怎么测定的呢？早年的科学家主要靠对物质的宏观性质进行系统总结得出规律后进行推测，如今，科学家已经创造了许许多多测定分子结构的现代仪器，红外光谱就是其中的一种。分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着的。所谓分子立体结构其实只是分子中的原子处于平衡位置时的模型。当一束红外线透过分子时，分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线，再记录到图谱上呈现吸收峰。通过计算机模拟，可以得知各吸收峰是由哪一个化学键、哪种振动方式引起的，综合这些信息，可分析出分子的立体结构。科学视野—分子的立体结构是怎样测定的？（阅读课本P37）测分子体结构：

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？思考: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？思考:三角锥形平面三角形对ABm型分子或离子，中心原子A的价层电子对（包括成键电子对和孤对电子）之间存在排斥力，将使分子中的原子处于尽可能远的相对位置上，以使各原子之间斥力最小，分子体系能量最低。二、价层电子对互斥理论（VSEPR）1、VSEPR理论要点：2电子对数目与立体结构4356电子对数目与立体结构2、价层电子对互斥(VSEPR)模型：一个分子或离子中的价层电子对在空间的分布（即含孤对电子的VSEPR模型）

23456

直线形平面三角形正四面体三角双锥体正八面体中心原子上的孤电子对数＝

(a－xb)12a为中心原子的价电子数(阴、阳离子还要分别加、减离子的电荷数)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(氢为1，其他为“8－价电子数”)求算中心原子孤电子对的公式：中心原子上的孤电子对数＝

(a－xb)12a为中心原子的价电子数(阴、阳离子还要分别加、减离子的电荷数)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(氢为1，其他为“8－价电子数”)例：NH3中心原子上的孤电子对数＝

(5－3×1)＝112中心原子上的孤电子对数＝

(6－2×1)＝212H2O中心原子上的孤电子对数＝

(3－3×1)＝012BF3练习中心原子上的孤电子对数＝

(a－xb)12中心原子上的孤电子对数＝

(4－4×1)＝012CH4练习CO2中心原子上的孤电子对数＝

(4－2×2)＝012SO2中心原子上的孤电子对数＝

(6－2×2)＝112PCl5中心原子上的孤电子对数＝

(5－5×1)＝012SF6中心原子上的孤电子对数＝

(6－6×1)＝012中心原子上的孤电子对数＝

(a－xb)12中心原子上的孤电子对数＝

(4－1×1－1×3)＝012HCN练习NH4+中心原子上的孤电子对数＝

(5－1－4×1)＝012H3O+中心原子上的孤电子对数＝

(6－1－3×1)＝112CO32-中心原子上的孤电子对数＝

(4＋2－3×2)＝012SO42-中心原子上的孤电子对数＝

(6＋2－4×2)＝012思考与交流分子或离子结构式中心原子孤对电子对数周围原子数(n)VSEPR模型分子或离子的立体构型

HCNNH4+H3O+BF304133002（1）对ABm型分子，若中心原子A的价层电子对只有成键电子对（即中心原子的价电子都用于形成共价键），则价层电子对的相对位置就是分子的构型。

CH4CO2化学式结构式VSEPR模型分子立体结构

（2）若中心原子A的价层电子对包括成键电子对和孤对电子（中心原子上有孤对电子），则价层电子对的相对位置不是分子的构型，如：

NH3H2O化学式结构式VSEPR模型分子立体结构四面体形四面体形三角锥形V型1、用VSEPR模型预测，下列分子的立体结构与水分子相似的是（）A、OF2B、H2SC、BeCl2D、CO22、下列分子的立体结构，其中不属于直线型分子的是（）A、BeCl2B、CO2C、C2H2D、P43、下列分子中，各原子均处于同一平面上的是（）A、NH3B、CCl4C、H2OD、CH2O巩固练习CDDAB

4、多核离子所带电荷可以认为是中心原子得到或失去电子导致，根据VSEPR模型，下列离子中所有原子都在同一平面的一组是（）A、NO2-和NH2-B、H3O+和ClO3-C、NO3-和CO32-D、PO43-和SO42-AC5、下列分子中的VSEPR模型与分子结构模型相同的是（）

A、CO2B、H2OC、NH3D、CH4AD6、用VSEPR模型理论推断，下列微粒为正四面体结构的是（）

A、SO2B、O3C、NO3-D、SO42-D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:价层电子对互斥模型问题：按照价键理论，C的价态应为多少？一个C原子可以和几个氢原子结合形成分子？2s2pC的价电子排布图：思考：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，如无法解释甲烷中四个C-H的键长、键能相同及H-C-H的键角为10928′。因为按照我们已经学过的价键理论，甲烷的4个C-H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到四面体构型的甲烷分子。这是为什么呢？

根据价键理论，成单电子数即为化合价，也是形成共价键的数目。试用价键理论分析NH3、H2O的成键情况:元素价电子排布图单电子数化合价

HNO物质成键情况分子构型理论键角实际键角NH3H2O1+13-32-23个σ键三角锥型105°2个σ键角型1s2s2s2p2p107°′18问题：按照价键理论，C的价态应为多少？一个C原子可以和几个氢原子结合形成分子？C:

1S22S22PX12PY12PZ0

可是，我们知道当碳原子与其它原子成键时，是以四价成键的。价键理论显然是无法解释这种现象的。今天，我们要学习一个新的理论——杂化轨道理论。基态激发态

C原子的价电子在一定的能量下发生电子跃迁，由基态变成激发态。2s2p2s2p三、杂化轨道理论简介为了补充价键理论的不足，鲍林Pauling在价键理论基础上于1931年提出了“杂化轨道理论”。尽管电子从基态跃迁到激发态需要一定的能量，但其激发后能形成4个共价键比电子不激发只形成两个C—H键放出的能量要大得多，这些能量足以补偿电子激发所需的能量而有余，因此，C与H形成化合物时生成CH4而不是CH2。

轨道的杂化更有利于轨道之间的重叠成键。因为杂化后电子云分布更为集中，可使成键的原子轨道间的重叠部分增大，成键能力增强，因此C与H原子能结合成稳定的CH4。三、杂化轨道理论简介C原子基态原子的电子排布图：杂化与杂化轨道杂化是指在形成分子时，由于原子间的相互影响，若干不同类型而能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道的过程。所形成的新轨道称为杂化轨道。孤立的原子不可能发生杂化，只有在形成分子的过程中才会发生。在杂化前后，原子轨道的数目保持不变。条件不同，杂化轨道类型可能不同。S轨道p轨道Sp杂化轨道（1）杂化杂化轨道是由一个S轨道与三个P轨道进行重新的杂化组合，形成四个能量相等的杂化轨道。每个轨道由1/4S成份，3/4P成份组成。它的立体形状是正四面体。C原子位于四面体的中心，四个轨道分别指向四面体的每个顶点，轨道间夹角是109o28’。SP3杂化轨道sp3杂化轨道的形成过程

xyzxyzzxyzxyz109°28′CH4分子的空间结构(正四面体)（2）SP2杂化轨道杂化轨道是由一个S轨道和两个P轨道杂化而形成的三个轨道。每个轨道有1/3S成份，2/3P成份。三个轨道在同一平面。轨道间夹角为120o。碳原子还剩有一个P轨道，这个P轨道正好与三个杂化轨道形成的平面垂直。C原子基态原子的电子排布图：sp2杂化轨道的形成过程

SP2杂化sp2杂化轨道的形成过程

xyzxyzzxyzxyz120°杂化轨道在乙烯分子中，碳原子采取sp2

杂化。每个碳原子另有一个p轨道不参与杂化；杂化的三个轨道，形成σ键，未杂化的p轨道“肩并肩”重叠形成π键。乙烯分子中有1个C-Cσ键，4个C-Hσ键，还有1个π键。双键=1σ+1π乙烯的sp2杂化图解苯环的结构平面正六边形，离域大π键。1.苯环中的碳均是以sp2杂化成夹角为1200三个sp2杂化轨道.2.苯环中六个碳之间形成6个σ键,每个碳与氢形成1个σ键.3.苯环中六个碳中未杂化的P轨道彼此形成一个大π键.4.形成大π键比一般的π键更稳定,因此苯环体现特殊的稳定性

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。由于每个碳原子的左右两个相邻的碳原子没有什么区别,认为中心的碳原子的未参与杂化的p轨道中的电子只与左邻的碳原子上的平行p轨道中的一个电子形成p键而不与右邻的形成p键或者相反显然是不符合逻辑的。所以我们认为所有6个平行p轨道总共6个电子在一起形成了弥散在整个苯环的6个碳原子上下形成了一个p-p离域大键，符号66。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，而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；(2)每一原子有一互相平行的p轨道;(3)p电子的数目小于p轨道数目的两倍。(3)sp杂化

碳原子在进行SP杂化时，一个2S电子激发到2P轨道上。一个S轨道与一个P轨道形成两个等同的SP杂化轨道。每个SP轨道含有1/2S成份，1/2P成份。两个轨道处在同一条直线上，方向相反。两个SP轨道的对称轴之间的夹角为180o

。C原子基态原子的电子排布图：sp杂化轨道的形成过程

SP杂化轨道sp杂化轨道的形成过程

xyzxyzzxyzxyz180°在乙炔分子中，碳原子采取sp杂化。每个碳原子另有二个p轨道不参与杂化；杂化的二个轨道，形成σ键，未杂化的p轨道可以“肩并肩”重叠成键，形成π键。乙炔分子中含1个C-Cσ键，2个C-Hσ键；还有2个π键。

叁键=1σ+2π乙炔的成键

CO2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。(I路易斯结构式II分子中有2套平行p轨道III表达大键的结构式)

小结杂化轨道理论

sp3

杂化：正四面体型杂化，四个杂化轨道，能形成四个σ键，σ键稳定，可自由旋转。sp2

杂化：三个杂化轨道共平面，能形成三个σ键，未杂化p轨道可形成π键，形成π键后，双键均不能自由旋转；

sp杂化：两个杂化轨道共直线，能形成两个σ键，未杂化p轨道可形成π键，形成π键后，三键均不能自由旋转。N原子基态sp3杂化态NH3分子杂化已知NH3、H2O中的N、O都是SP3杂化，请分析它们的形成过程和结构。O氧子基态sp3杂化态H2O分子杂化孤电子对数：012夹角：109.5º107.3º104.5º空间结构：正四面体三角锥形V形结论：在CH4、NH3和H2O分子中，中心原子都采取sp3杂化，其夹角随孤电子对数的增加而减少。

杂化轨道要点(1)轨道杂化是指同一个原子中相关轨道的混合,由此产生的杂化轨道也是原子轨道。

(2)参与杂化的轨道中电子所处的能级略有不同，而杂化轨道中的电子则处于相同能级。杂化后能级相当于杂化前有关电子能级的中间值。(3)杂化轨道的数目等于参与杂化的轨道的总数。(6)杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理，键角越大，排斥力越小。杂化轨道类型不同，成键时键角不同，分子的空间结构也不同。(4)各种杂化轨道的“形状”均为葫芦形，由分布在原子核两侧的大小叶瓣组成，轨道的伸展方向是指大叶瓣的伸展方向，为简明起见往往不给出小叶瓣。(5)杂化轨道可分为等性杂化轨道与不等性杂化轨道两种。杂化轨道的类型与空间结构的关系杂化类型spsp2sp3用于杂化的原子轨道数234杂化轨道数234空间构型直线型平面三角形四面体实例CH≡CHCH2=CH2

CH4CO2CS2BF3CCl4（2）要点：（1）sp3杂化1个S轨道和3个P轨道基态原子激发态原子4个相同的SP3杂化轨道混杂小结：杂化轨道理论1个S轨道2个P轨道杂化（2）sp2杂化3个相同的SP2杂化轨道（3）sp杂化1个S轨道1个P轨道杂化2个相同的SP杂化轨道（4）s-p型的三种杂化比较杂化类型spSp2sp3参与杂化的原子轨道1个s+1个p1个s+2个p1个s+3个p杂化轨道数2个sp杂化轨道3个sp2杂化轨道4个sp3杂化轨道杂化轨道间夹角18001200109028’空

间

构

型直线正三角形正四面体实

例BeCl2,

C2H2BF3

,C2H4CH4

,CCl42、杂化轨道的特性:（1）只有能量相近的轨道才能互相杂化。常见的有:非过渡元素nsnp

（sp型杂化）过渡元素(n-1)dnsnp(dsp型杂化)（2）杂化轨道的成键能力大于未杂化轨道。（3）参加杂化的原子轨道的数目与形成的杂化轨道数目相同。（4）不同类型的杂化，杂化轨道的空间取向不同看中心原子有没有形成双键或三键，如果有1个三键，则其中有2个π键，用去了2个p轨道，形成的是sp杂化；如果有1个双键则其中有1个π键，形成的是sp2杂化；如果全部是单键，则形成的是sp3杂化。一般方法：如何判断一个化合物的中心原子的杂化类型？注意：杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳孤对电子，不会用于形成π键。反之π键的形成不需杂化轨道。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：2、杂化轨道数=中心原子孤对电子对数＋中心原子结合的原子数O3H2SSO2SO3CONON2ONO2N2O4（SP2）（SP3）（SP2）（SP2）（SP）（SP2）（SP2）（SP）（SP）1、写出HCN分子和CH2O分子的路易斯结构式。2．用VSEPR模型对HCN分子和CH2O分子的立体结构进行预测。

3．写出HCN分子和CH2O分子的中心原子的杂化类型。4．分析HCN分子和CH2O分子中的π键。科学探究:直线形

平面三角形sp杂化、sp2杂化2个π键1个π键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NH3

C．BeCl2与BF3D．C2H2与C2H4B

2、对SO2与CO2说法正确的是()A．都是直线形结构

B．中心原子都采取sp杂化轨道

C．S原子和C原子上都没有孤对电子

D．SO2为V形结构，CO2为直线形结构D课堂练习3、指出下列各化合物中碳原子杂化类型。