高考化学一轮复习《物质结构与性质》微型小专题《分子的立体构型》

分子的立体构型

一、杂化轨道与分子空间构型

(1)价层电子对互斥理论

①基本观点:分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)由于相互排斥作用,尽可能趋向彼此远离。

②AB_m型分子或离子价电子对数的计算

价层电子对数=成键电子对数+中心原子的孤电子对数=成键电子对数+(中心原子的价电子数-中心原子结合的原子最多能接受的电子数×m±电荷数)÷2

注意:ⅰ.中心原子的价电子数=中心原子的最外层电子数;

ⅱ.中心原子结合的原子最多能接受的电子数,氢为1,其他原子等于“8-该原子的价电子数”;

ⅲ.阴离子则加上电荷数,如S:中心原子孤电子对数==0;阳离子则减去电荷数,如N:中心原子孤电子对数==0。

(2)中心原子价层电子对数、杂化类型与粒子的立体构型

二、判断分子或离子立体构型的“三步曲”

第一步:确定中心原子上的价层电子对数

a为中心原子的价电子数,b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数,x为与中心原子结合的原子数。如NH₃的中心原子为N,a=5,b=1,x=3,所以NH₃的中心原子孤电子对数=(a-xb)=×(5-3×1)=1。

第二步:确定价层电子对的立体构型

由于价层电子对之间的相互排斥作用,它们趋向于尽可能地相互远离,因此根据已知价层电子对的数目,就可以确定它们的立体构型。

第三步:分子立体构型的确定

价层电子对有成键电子对和孤电子对之分,用价层电子对的总数减去成键电子对数可得孤电子对数。根据成键电子对数和孤电子对数,可以确定相应粒子的较稳定的立体构型。

三、“五方法”判断分子或离子中心原子的杂化类型

(1)根据杂化轨道的空间分布构型判断

(2)根据杂化轨道之间的夹角判断

若杂化轨道之间的夹角为109°28',则分子的中心原子发生sp³杂化;若杂化轨道之间的夹角为120°,则分子的中心原子发生sp²杂化;若杂化轨道之间的夹角为180°,则分子的中心原子发生sp杂化。

(3)根据等电子原理进行判断

如CO₂是直线形分子,CNS^-、均与CO₂互为等电子体,所以CNS^-、的立体构型均为直线形,中心原子均采用sp杂化。

(4)根据中心原子的价电子对数判断

如中心原子的价电子对数为4,是sp³杂化,价电子对数为3,是sp²杂化,价电子对数为2,是sp杂化。

(5)根据分子或离子中中心原子有无π键及π键数目判断

如没有π键,为sp³杂化;含一个π键,为sp²杂化;含两个π键,为sp杂化。

【典例3】 (1)写出与CO分子互为等电子体的两种离子的化学式:。 

(2)C的立体构型为,与其互为等电子体的分子的电子式为,与其互为等电子体的一种阳离子的电子式为。 

(3)写出与N互为等电子体的一种非极性分子的化学式:。 

(4)已知CO₂为直线形结构,SO₃为平面三角形结构,NF₃为三角锥形结构,请推测COS、C、PCl₃的立体构型分别为、、。 

四、分子立体构型和中心原子杂化类型的相互判断

中心原子的杂化类型和分子立体构型有关，二者之间可以相互判断。

五、注意事项

(1)用价层电子对互斥理论判断分子的立体构型时，不仅要考虑中心原子的孤电子对所占据的空间，还要考虑孤电子对对成键电子对的排斥力大小。排斥力大小顺序为LP—LP≫LP—BP>BP—BP(LP代表孤电子对，BP代表成键电子对)。

(2)三键、双键、单键之间的排斥力大小顺序：

三键—三键>三键—双键>双键—双键>双键—单键>单键—单键。

(3)排斥力大小对键角的影响

1．下列离子的VSEPR模型与离子的空间立体构型一致的是(　　)

A．SO2－3　　　　　　　　　B．ClO－4

C．NO－2 D．ClO－3

2．氯化亚砜(SOCl₂)是一种很重要的化学试剂，可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的几何构型和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是(　　)

A．三角锥形、sp³B．V形、sp²

C．平面三角形、sp²D．三角锥形、sp²

3．(1)依据VSEPR理论推测S₂O2－3的空间构型为________，中心原子S的杂化方式为________，[Ag(S₂O₃)₂]^3－中存在的化学键有________(填字母)。

A．离子键　　　B．极性键　　　C．非极性键

D．金属键　　　E．配位键

(2)氯气与熟石灰反应制漂白粉时会生成副产物Ca(ClO₃)₂，ClO－3中心原子的杂化方式为____________，空间构型是____________。

(3)甲醇(CH₃OH)在Cu催化作用下被氧化成甲醛(HCHO)。甲醛分子内σ键与π键个数之比为______。甲醇分子内的O—C—H键角__________(填“大于”“等于”或“小于”)甲醛分子内的O—C—H键角，理由是__________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)呋喃()分子中，碳原子和氧原子的杂化方式分别为________、________；1 mol吡咯()分子中含有________mol σ键，分子中N采用杂化方式为________。

4．(1)Na₃[Co(NO₂)₆]常用作检验K^＋的试剂，配位体NO－2的中心原子的杂化方式为__________，空间构型为________。

(2)镍和苯基硼酸共催化剂实现了丙烯醇(CH₂===CH—CH₂OH)的绿色高效合成，丙烯醇中碳原子的杂化类型有__________；丙醛(CH₃CH₂CHO)与丙烯醇(CH₂===CH—CH₂OH)分子量相等，但丙醛比丙烯醇的沸点低得多，其主要原因是________________________________。

(3)肼(N₂H₄)分子可视为NH₃分子中的一个氢原子被—NH₂(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。NH₃分子的立体构型是________；N₂H₄分子中氮原子轨道的杂化类型是________。

(4)H^＋可与H₂O形成H₃O^＋，H₃O^＋中氧原子采用________杂化。H₃O^＋中H—O—H键角比H₂O中H—O—H键角大，原因为___________________________________________。

(5)N与F可形成化合物N₂F₂，下列有关N₂F₂的说法正确的是________(填字母)。

a．分子中氮原子的杂化轨道类型为sp²

b．其结构式为F—N≡N—F

c．其分子有两种不同的空间构型

d．1 mol N₂F₂含有的σ键的数目为4N_A

5.下列有机物中既有sp³杂化又有sp²杂化的是(　　)

A.B.C.D.

6.下列有机物中的碳原子杂化方式符合由sp³杂化转化为sp²杂化的是(　　)

A.

B.

C.

D.

7.下列有机物的杂化方式判断不正确的是(　　)

A.HCHOsp²B.CH≡CHspC.CH₃CNsp³ 和sp²D.CH₃CHOsp³ 和sp²

8.有机物中标有“·”的碳原子的杂化方式依次为(　　) 

A.sp、sp²、sp³B.sp³、sp²、sp 

C.sp²、sp、sp³D.sp³、sp、sp²

9.《中华本草》等中医典籍中，记载了炉甘石(ZnCO₃)入药，可用于治疗皮肤炎症或表面创伤。C原子的杂化形式为。

10.CO₂和CH₃OH分子中C原子的杂化形式分别为和。

11.丙酮()分子中碳原子的杂化类型是。

12.HOCH₂CN分子中碳原子的杂化类型是 。

13. CS₂分子中碳原子的杂化类型是。

14.CH₃COOH中C原子的杂化类型为。

15.乙酸钠(CH₃CH₂COONa)和氨基乙酸钠均能水解，水解产物有丙酸(CH₃CH₂COOH)和氨基乙酸(H₂NCH₂COOH), H₂NCH₂COOH中C原子的杂化轨道类型为。

16.KCN与盐酸作用可生成HCN，HCN的中心原子的杂化轨道类型为。

7.航母甲板涂有一层耐高温的材料聚硅氧烷，结构如图1所示，其中C原子的杂化方式为。

18.纳米结构氧化钴可在室温下将甲醛(HCHO)完全催化氧化。甲醛分子中C原子的杂化类型为

答案及解析

1、解析：选B　当中心原子无孤电子对时，VSEPR模型与立体构型一致。A项，SO2－3的中心原子的孤电子对数＝12×(6＋2－3×2)＝1；B项，ClO－4的中心原子的孤电子对数＝12×(7＋1－4×2)＝0；C项，NO－2的中心原子的孤电子对数＝12×(5＋1－2×2)＝1；D项，ClO－3的中心原子的孤电子对数＝12×(7＋1－3×2)＝1。

2、解析：选A　根据价电子对互斥理论确定微粒的空间构型，SOCl₂中S原子成2个S—Cl键，1个S===O，价层电子对个数＝σ键个数＋孤电子对个数＝3＋6－1－1－1×22＝4，杂化轨道数是4，故S原子采取sp³杂化，含一对孤电子，分子形状为三角锥形。

3、解析：(1)硫代硫酸根离子中一个硫原子相当于氧原子，中心硫原子孤电子对数为6＋2－2×42＝0，价层电子对数为0＋4＝4，微粒空间构型为四面体形，中心硫原子采取sp³杂化；[Ag(S₂O₃)₂]^3－中Ag^＋与S₂O2－3之间形成配位键，硫原子之间形成非极性键，硫与氧原子之间形成极性键。

(3)甲醛中C原子形成3个σ键，为sp²杂化，是平面三角形结构，键角为120°，甲醇分子内碳原子形成4个σ键，无孤电子对，杂化方式为sp³杂化，是四面体结构，O—C—H键角约为109°28′，键角小于120°，所以甲醇分子内O—C—H键角比甲醛分子内O—C—H键角小。

答案：(1)四面体形　sp³　BCE　(2)sp³　三角锥形

(3)3∶1　小于　甲醇分子中碳采用sp³杂化，键角约为109°28′，而甲醛分子中碳采用sp²杂化，键角约为120°

(4)sp²　sp³　10　sp³

4、解析：(1)NO－2中心原子N原子价层电子对数为5＋12＝3，故杂化轨道数为3，所以N原子的杂化方式为sp²杂化，空间构型为V形。 (2)丙烯醇中碳原子形成了一个碳碳双键，其余为碳氧、碳氢单键，所以C原子的杂化类型有sp²和sp³杂化。丙烯醇分子间存在氢键，其沸点较高。(3)NH₃分子的立体构型为三角锥形，N₂H₄中氮原子与NH₃中氮原子杂化类型相同，均为sp³杂化。(4)H₃O^＋中氧原子采用sp³杂化。(5)该分子中的氮氮键为共价双键，其中氮原子采取sp²杂化的方式，故a正确；其结构式为F—N===N—F，故b错误；此结构F—N===N—F有顺式反式之分，故c正确；1 mol N₂F₂含有的σ键的数目为3N_A，故d错误。

答案：(1)sp²　V形　(2)sp²、sp³　丙烯醇中分子间存在氢键　(3)三角锥形　sp³　(4)sp³　H₂O中氧原子有2对孤电子对，H₃O^＋中氧原子只有1对孤电子对，排斥力较小　(5)ac

[关键点拨]

(1)键角大小比较的四种类型

①杂化类型不同时，sp>sp²>sp³。

②杂化类型相同，中心原子孤电子对越多，键角越小，如H₂O     <NH< span>₃。      </NH<>

③杂化类型和孤电子对数相同，中心原子电负性越大，键角越大，如NH₃>PH₃。

④杂化类型和孤电子对数相同，配位原子的电负性越大，键角越小，如NCl₃     <NBr< span>₃。      </NBr<>

(2)根据结构判断杂化类型

5、【答案】C

【解析】

A项CH₃CH₂CH₃分子中两个-CH₃和一个-CH₂-中C原子为饱和碳原子，均形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化，A错误；

B项CH≡CCH₃中-CH₃中C原子为饱和碳原子，C原子杂化方式为sp³杂化,碳碳三键为直线形，碳原子以sp方式杂化，B错误；

C项中碳碳双键部分为平面构形，C原子杂化方式为sp²杂化，其余四个C原子为饱和碳原子，C原子杂化方式为sp³杂化，C正确；

D项中苯环和-CH=CH₂均为平面构形，C原子杂化方式为sp²杂化，D错误。

6、【答案】D

【解析】

A项CH₄与CH₃Cl中C原子为饱和碳原子，C原子杂化方式均为sp³杂化，A错误；

B项醛基为sp²杂化，乙醇中的两个C原子均为饱和碳原子，C原子杂化方式均为sp³杂化，B错误；

C项CH₂ClCH₂Cl中C原子为饱和碳原子，C原子杂化方式均为sp³杂化，产物乙炔为直线形C原子杂化方式均为sp杂化，C错误；

D项乙醇中的两个C原子均为饱和碳原子，C原子杂化方式均为sp³杂化，产物乙烯为平面形，C原子杂化方式为sp²杂化，D正确。

7、【答案】C

【解析】

A项HCHO为平面形，C原子杂化方式为sp²杂化，A正确；

B项乙炔为直线形C原子杂化方式均为sp杂化，B正确；

C项CH₃CN 的-CH₃中C原子为饱和碳原子，C原子杂化方式均为sp³杂化，-CN为直线形C原子杂化方式均为sp杂化，C错误；

D项的-CH₃中C原子为饱和碳原子，C原子杂化方式均为sp³杂化，醛基为平面形，C原子杂化方式为sp²杂化，D正确。

8、【答案】B

【解析】根据价层电子对互斥理论可判断C原子的杂化方式。若价电子对数是4，则C原子采取sp³杂化；若价电子对数是3，则C原子采取sp²杂化；若价电子对数是2，则C原子采取sp杂化，B正确。

9、【答案】sp²

【解析】炉甘石（ZnCO₃）中CO₃^2-价电子对数= 4+22=3，C原子以sp²杂化。

10、【答案】spsp³

【解析】CO₂分子属于AB_n型含化合物，依据价电子对互斥理论，价电子对数=42=2，C原子采用sp杂化。CH₃OH分子中C原子为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化。

11、【答案】sp³和sp²

【解析】丙酮分子中-CH₃中C原子为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化；中C原子形成3个σ键（双键中有一个σ键，一个π键），C原子以sp²方式杂化。

12、【答案】sp和sp³

【解析】-CN中含有碳氮三键，C原子形成2个σ键（三键中有一个σ键，两个π键）以sp方式杂化。中C原子为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化。

13、【答案】sp

【解析】CS₂分子属于AB_n型含化合物，依据价电子对互斥理论，价电子对数= 42 =2，C原子采用sp杂化。

14、【答案】sp³和sp²

【解析】CH₃COOH中，-CH₃中C原子为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化；-COOH中含有，C原子形成3个σ键（双键中有一个σ键，一个π键），C原子以sp²方式杂化。

15、【答案】sp³和sp²

【解析】H₂NCH₂COOH中-COOH中碳原子形成3个σ键（碳周围有3个原子），C原子以sp²方式杂化。中碳原子为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化。

16、【答案】 sp

【解析】HCN的中心原子为碳原子，C原子形成2个σ键（碳周围有2个原子），以sp方式杂化。也可依据分子的空间构型是直线形，碳原子采用sp杂化。

17、【答案】sp³

【解析】聚硅氧烷中含有的-CH₃，C原子为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式为sp³杂化；中碳原子也为饱和碳原子，形成了4个σ键，C原子杂化方式也为sp³杂化。

18、【答案】sp²

【解析】甲醛分子中碳形成3个σ键（即碳原子周围有3个原子），C原子以sp²方式杂化。也可以依据甲醛的空间构型为平面形确定C原子以sp²方式杂化。