化学人教版选修3学案2-2-2杂化轨道理论和配合物简介

第二课时杂化轨道理论和配合物简介[学习目标]1.了解杂化轨道理论的内容。2．能根据理论判断简单分子或离子的立体构型。3．通过实验探究配位键的特点及配合物理论，能说明简单配合物的成键情况，培养学生实验探究问题的能力。一、杂化轨道理论简介1．杂化轨道(1)碳原子的电子排布式为1s22s22p2，当2s的一个电子被激发到2p空轨道后，电子排布式为1s22s12p3。(2)在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化，重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。(3)参与杂化的原子轨道数等于形成的杂化轨道数。(4)原子轨道的杂化改变了原子轨道的形状、方向。原子轨道的杂化使原子的成键能力增强。(5)杂化轨道为使电子相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同。在多原子分子中，两个化学键之间的夹角叫键角。键角与分子的形状(空间结构)密切联系。2．杂化轨道类型和空间结构(1)sp杂化——直线形；sp型杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道组合而成的，每个sp杂化轨道含有eq\f(1,2)p和eq\f(1,2)s的成分，轨道间的夹角为180°。(2)sp2杂化——平面三角形；sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道组合而成的，每个sp2杂化轨道含有eq\f(1,3)s和eq\f(2,3)p成分，杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形。如BF3分子。(3)sp3杂化——四面体形：sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道组合而成的，每个sp3杂化轨道都含有eq\f(1,4)s和eq\f(3,4)p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′。二、配合物理论简介1．配位键(1)概念：硫酸铜溶液中呈天蓝色的物质是水合铜离子，可表示为[Cu(H2O)4]2＋，叫做四水合铜离子。在这种离子中铜离子与水分子之间的化学键是由水分子提供孤对电子给予铜离子，铜离子接受水分子的孤对电子形成的。配位键是一种特殊的共价键。(2)配位键的表示方法配位键可以用A→B来表示，其中A是提供孤对电子的原子，叫做给予体(也称配位原子)；B具有空轨道，是接受电子的原子，叫做接受体。2．配合物(1)概念：金属离子(或原子)与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物。(2)配合物形成的实验(3)配合物的应用①Fe(SCN)3的应用a．检验Fe3＋的存在：Fe3＋＋3SCN－=Fe(SCN)3。b．Fe(SCN)3的溶液常被用于电影特技和魔术表演。②[Ag(NH3)2]OH(银氨溶液)可用于检验醛基的存在。③在生命科学中的应用生命体中存在着许多金属配合物，如叶绿素、血红素和维生素B12都是配合物。其中心离子分别是镁离子、亚铁离子和钴离子。④判断离子共存由于配位离子很难电离，所以形成配位键的两种离子一般不能大量共存。例如，Fe3＋与SCN－不能大量共存。知识点一杂化轨道理论及其应用杂化轨道理论知识的考查方向有：杂化轨道类型、杂化轨道的应用(解释分子空间构型)。解题关键在于掌握杂化轨道类型与分子空间构型的关系，尤其是等性sp3杂化与不等性sp3杂化的区别。1．杂化类型的判断因为杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键，故有下列关系：杂化轨道数＝中心原子的孤电子对数＋中心原子结合的原子数，再由杂化轨道数判断杂化类型。例如：代表物杂化轨道数杂化轨道类型CO20＋2＝2spCH2O0＋3＝3sp2CH40＋4＝4sp3SO21＋2＝3sp2NH31＋3＝4sp3H2O2＋2＝4sp32.共价键全部为σ键的分子构型与杂化类型3.含σ键和π键的分子构型和杂化类型4.s－p杂化轨道和简单分子几何构型的关系1杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理，键与键间排斥力的大小决定键的方向，即决定杂化轨道间的夹角，键角越大，化学键之间的排斥力越小。只有能量相近的轨道间才能发生杂化。2sp杂化和sp2杂化这两种形式中，原子还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。利用杂化轨道理论解释HCN、HCHO分子的形成？【点拨】(1)在HCN分子的形成过程中，C原子采取sp杂化，形成2个完全等同的sp杂化轨道。其过程如下：当形成HCN时，中心C原子以其中的1个sp杂化轨道与H原子的1s轨道重叠形成1个sp­s型的σ键；另1个sp杂化轨道与N原子的p轨道重叠形成1个sp­p型的σ键，同时，C原子中2个未发生杂化且均有1个未成对电子的2p轨道分别与N原子的2p轨道“肩并肩”重叠形成互相垂直的p­pπ键。所以，C与N之间以三键结合，HCN分子为直线形。(2)在HCHO分子的形成过程中，中心C原子的1个2s电子激发到2p空轨道，其中含1个未成对电子的2s轨道与2个2p轨道进行sp2杂化，形成3个完全等同的sp2杂化轨道。然后，中心C原子以夹角均为120°的2个完全等同的sp2杂化轨道，分别与2个H原子的1s轨道重叠，形成2个sp2­s型的σ键；C原子的另一个sp2杂化轨道与O原子的2p轨道“头碰头”重叠形成1个sp2­p型的σ键，然后再用未参与杂化的一个2p与O原子的一个2p肩并肩形成π键，从而形成HCHO分子。【例1】下列说法正确的是()A．NCl3分子是三角锥形，这是因为氮原子是sp2杂化的结果B．sp3杂化轨道是由任意的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道C．中心原子采取sp3杂化的分子，其几何构型可能是四面体形或三角锥形或V形D．AB3型的分子空间构型必为平面三角形【提示】利用杂化轨道理论判断分子或离子的空间构型时，也要考虑孤电子对的数目。【解析】由于NCl3分子中N原子上有1对孤电子对和3个σ键，所以为sp3杂化，A项错误；sp3杂化轨道是由中心原子的1个s轨道和3个p轨道混合形成的4个sp3杂化轨道，不是任意的1个s轨道，B项错误；中心原子采取sp3杂化的分子，如果没有孤电子对，其几何构型为四面体形，若有1对孤电子对，其几何构型为三角锥形，若有2对孤电子对，其几何构型为V形，C项正确；AB3型的分子空间构型也有可能为三角锥形，如NCl3分子，D项错误。【答案】C下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是(A)①BF3②CH2=CH2③④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A．①②③ B．①⑤⑥C．②③④ D．③⑤⑥解析：①BF3是平面三角形分子，且B—F键夹角为120°；②CH2=CH2是平面形分子，其中碳原子以sp2杂化，未杂化的2p轨道形成π键；③中碳原子以sp2杂化，未杂化的2p轨道形成特殊的π键；④CH≡CH为直线形分子，其中碳原子为sp杂化；⑤NH3是三角锥形分子，中心原子氮原子为sp3杂化；⑥CH4是正四面体形分子，中心碳原子为sp3杂化。知识点二配合物的结构及对物质性质的影响1．配位键(1)概念：成键的两个原子或离子一方提供孤对电子(配位体)，一方提供空轨道而形成的共价键，叫做配位键。(2)配位体：应含有孤对电子，如NH3、H2O、F－、OH－等。(3)成键的性质：共用电子对对两原子的电性作用。(4)成键条件：形成配位键的一方是能够提供孤对电子的原子或离子，另一方是具有能够接受孤对电子的空轨道的原子或离子。2．配合物的组成配合物由中心原子(提供空轨道)和配体(提供孤电子对)组成，分成内界和外界。如[Co(NH3)6]Cl3可表示为：①中心原子：Co3＋提供空轨道接受孤电子对，是中心原子。配合物的中心原子一般都是带正电的阳离子，过渡金属离子最常见。②配位体：NH3分子中氮原子提供孤电子对，是配位原子，NH3分子是配位体。配位体可以是阴离子，如X－(卤素离子)、OH－、SCN－、CN－、RCOO－(羧酸根离子)、C2Oeq\o\al(2－,4)、POeq\o\al(3－,4)等；也可以是中性分子，如H2O、NH3、CO、醇、胺、醚等。配位原子必须是含有孤对电子的原子，ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的原子最常见。③配位数：直接同中心原子配位的原子数目叫中心原子的配位数。如[Fe(CN)6]4－中Fe2＋的配位数为6。3．配合物的形成对性质的影响(1)溶解性的影响如：AgCl→[Ag(NH3)2]＋，由不溶于水的沉淀，转变为易溶于水的物质。如教材实验2－2：CuSO4(aq)eq\o(→,\s\up17(氨水))蓝色沉淀eq\o(→,\s\up17(氨水))深蓝色透明溶液eq\o(→,\s\up17(乙醇))深蓝色晶体[Cu(NH3)4]SO4·H2O有关离子方程式：Cu2＋＋2NH3·H2O=Cu(OH)2↓＋2NHeq\o\al(＋,4)Cu(OH)2＋4NH3=[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－(2)颜色的改变当简单离子形成配离子时其性质往往有很大差异。颜色发生变化就是一种常见的现象，我们根据颜色的变化就可以判断是否有配离子生成。如Fe3＋与SCN－在溶液中可生成配位数为1～6的铁的硫氰酸根配离子，这种配离子的颜色是血红色的。(3)稳定性增强配合物具有一定的稳定性，配合物中的配位键越强，配合物越稳定。当作为中心原子的金属离子相同时，配合物的稳定性与配体的性质有关。例如，血红素中的Fe2＋与CO分子形成的配位键比Fe2＋与O2分子形成的配位键强，因此血红素中的Fe2＋与CO分子结合后，就很难再与O2分子结合，血红素失去输送氧气的功能，从而导致人体CO中毒。(1)不是所有的配合物都具有颜色。如[Ag(NH3)2]OH溶液无色，而Fe(SCN)3溶液呈红色。(2)过渡金属原子或离子都有接受孤电子对的空轨道，对多种配体具有较强的结合力，因而过渡金属配合物远比主族金属配合物多。1.在四水合铜离子中，铜离子与水分子之间的化学键是如何形成的？该化学键如何表示？【点拨】在四水合铜离子中，Cu2＋与H2O分子之间的化学键是由水分子提供孤电子对给予Cu2＋，Cu2＋接受H2O分子的孤电子对形成的。该化学键可表示为：。2．配制银氨溶液时，向AgNO3溶液中滴加氨水，先生成白色沉淀，后沉淀逐渐溶解，为什么？【点拨】因为氨水呈弱碱性，滴入AgNO3溶液中，会形成AgOH白色沉淀，当氨水过量时，NH3分子与Ag＋形成[Ag(NH3)2]＋配离子，配离子很稳定，会使AgOH逐渐溶解，反应过程如下：Ag＋＋NH3·H2O=AgOH↓＋NHeq\o\al(＋,4)AgOH＋2NH3=[Ag(NH3)2]＋＋OH－【例2】下列过程与配合物的形成无关的是()A．除去铁粉中的SiO2可用强碱溶液B．向一定量的AgNO3溶液中加入氨水至沉淀消失C．向Fe3＋溶液中加入KSCN溶液后溶液呈血红色D．向一定量的CuSO4溶液中加入氨水至沉淀消失【提示】形成配合物后，物质的性质会发生一定的变化，主要有三个方面的影响：(1)一些难溶于水的金属化合物形成配合物后，易溶解；(2)当简单离子形成配合物时颜色可能发生改变，利用此性质可检验离子的存在；(3)形成配合物后，稳定性增强。【解析】对于A项，除去铁粉中的SiO2，是利用SiO2可与强碱反应的化学性质，与配合物的形成无关；对于B项，AgNO3与氨水反应先生成AgOH沉淀，再生成[Ag(NH3)2]＋；对于C项，Fe3＋与KSCN反应生成配离子，颜色发生改变；对于D项，CuSO4与氨水反应先生成Cu(OH)2沉淀，再生成[Cu(NH3)4]2＋。【答案】A关于化学式为[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O的配合物的下列说法正确的是(C)A．配位体是Cl－和H2O，配位数是8B．中心离子是Ti4＋，配离子是[TiCl(H2O)5]2＋C．内界和外界中Cl－的数目比是12D．向1mol该配合物中加入足量AgNO3溶液，可以得到3molAgCl沉淀解析：配合物[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O，配体是Cl－和H2O，配位数是6，A项错误；中心离子是Ti3＋，B项错误；配合物[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O中内界Cl－的个数为1，外界Cl－的个数为2，内界和外界中Cl－的数目比是12，C项正确；加入足量AgNO3溶液，外界Cl－与Ag＋反应，内界Cl－不与Ag＋反应，故只能生成2molAgCl沉淀，D项错误。1．以下有关杂化轨道的说法中，错误的是(B)A．ⅠA族元素成键时一般不能形成杂化轨道B．杂化轨道既可形成σ键，也可能形成π键C．孤电子对有可能占据杂化轨道D．s轨道和p轨道杂化不可能有sp4杂化解析：ⅠA族元素如果是碱金属，易失电子，不能参加杂化，如果是H，一个电子在1s能级上也不可能杂化。杂化轨道只能形成σ键或者容纳未参加成键的孤电子对，不可能形成π键，故B错。H2O分子中的氧原子采取的是sp3杂化，4个sp3杂化轨道有2个被孤电子对占用，故C正确。杂化前后原子轨道数目不变，sp4杂化需要5个原子轨道，但是同一能层中s能级和p能级一共只有4个原子轨道，所以s轨道和p轨道不可能有sp4杂化。2．氨气分子空间构型是三角锥形，而甲烷是正四面体形，这是因为(C)A．两种分子的中心原子杂化轨道类型不同，NH3为sp2杂化，而CH4是sp3杂化B．NH3分子中N原子形成三个杂化轨道，CH4分子中C原子形成4个杂化轨道C．NH3分子中有一对未成键的孤电子对，它对成键电子的排斥作用较强D．氨气分子是极性分子而甲烷是非极性分子解析：NH3和CH4两种分子的中心原子都是sp3杂化，故A、B错误；NH3分子中有一对未成键的孤电子对，占据一个空轨道，且它对成键电子排斥作用比成键电子对成键电子排斥作用更强，从而导致NH3分子空间构型变为三角锥形；D中，跟分子的极性无关。3．下列分子中的中心原子杂化类型相同的是(B)A．CO2与SO2 B．CH4与NH3C．BeCl2与BF3 D．C2H4与C2H2解析：CO2中C原子为sp杂化，SO2中S原子为sp2杂化，故两分子中的中心原子杂化类型不相同，A项不正确。CH4中C原子为sp3杂化，NH3中N原子也为sp3杂化，两分子中的中心原子杂化类型相同，故B项正确。C选项中BeCl2中Be原子为sp杂化，BF3中B原子为sp2杂化，不符合题意。C2H4中C原子为sp2杂化，C2H2中C原子为sp杂化，两分子中的中心原子杂化类型不相同，故D项不正确。4．在分子中，羰基碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为(C)A．sp2杂化；sp2杂化 B．sp3杂化；sp3杂化C．sp2杂化；sp3杂化 D．sp杂化；sp3杂化解析：羰基上的碳原子共形成3个σ键，为sp2杂化，两侧甲基中的碳原子共形成4个σ键，为sp3杂化。故选C。5．如图所示是甲醛分子的模型。根据该图和所学化学键知识回答下列问题：(1)甲醛分子中碳原子的杂化方式是sp2杂化，做出该判断的主要理由是甲醛分子的立体结构为平面三角形。(2)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断，其中正确的是②⑤(填序号)。①单键；②双键；③σ键；④π键；⑤σ键和π键。(3)甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角<(填“＝”“>”或“<”)120°，出现该现象的主要原因是碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强。解析：(1)原子中的杂化轨道类型不同，分子的空间构型也不同。由图可知，甲醛分子为平面三角形，所以甲醛分子中的碳原子采取sp2杂化。(2)醛类分子中都含有羰基(C=O)，所以甲醛分子中的碳氧键是双键。一般来说，双键是σ键和π键的组合。(3)由于碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强，所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°。6．铜单质及其化合物在很多领域都有着重要用途，如金属铜可用来制造各项体育赛事的奖牌、电线、电缆，胆矾可用作杀菌剂等。试回答下列问题。(1)已知Cu位于元素周期表第四周期第ⅠB族，则Cu原子的价电子排布式为3d104s1。(2)下列分子或离子中，能提供孤电子对与Cu2＋形成配位键的是D(填序号，下同)。①H2O②NH3③F－④CN－A．①② B．①②③C．①②④ D．①②③④(3)向盛有硫酸铜溶液的试管中加入氨水，首先形成难溶物，继续加入氨水，难溶物溶解并得到深蓝色的透明溶液。下列对此现象叙述正确的是(B)A．反应后溶液中不存在任何沉淀，所以反应前后C