2019-2020年人教版化学选修三讲义:第2章+第2节+第2课时 杂化轨道理论、配合物理论及答案

来源:互联网 编辑:李元芳 手机版

第2课时 杂化轨道理论、配合物理论

目标与素养:1.了解杂化轨道理论、杂化类型对立体构型的解释及判断。(微观探析与模型认知)2.了解配位键的特点及形成,了解配合物的理论及其成键特征。(微观探析与科学探究)

一、杂化轨道理论简介

1.轨道的杂化

在外界条件影响下,原子内部能量相近的原子轨道发生混杂,重新组合成一组新的轨道的过程。

2.杂化轨道理论解释CH4的正四面体结构

C与H形成CH4时,碳原子2s轨道中1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上,这个过程称为激发,但此时各个轨道的能量并不完全相同,于是1个2s轨道和3个2p轨道发生混杂,形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道(其中每个杂化轨道中s成分占1/4,p成分占3/4),如图1所示;4个sp3杂化轨道上的电子间相互排斥,使4个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的4个顶点,碳原子以4个sp3_杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠,形成4个C—H σ键,从而形成CH4分子。由于4个C—H 键完全相同,所以形成的CH4分子为正四面体形,键角是109°28′,如图2所示。

图1 CH4分子中碳原子的杂化  图2

3.杂化轨道类型与VSEPR模型的关系

杂化类型

sp

sp2

sp3

参与杂化的原子轨道及数目

1个s轨道

1个p轨道

1个s轨道

2个p轨道

1个s轨道

3个p轨道

杂化轨道的数目

2

3

4

杂化轨道间的夹角

180°

120°

109°28′

VSEPR模型

直线形

平面三角形

四面体形

4.杂化轨道与共价键类型的关系

杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对,不能形成π键;未参与杂化的p轨道可用于形成π键。

 H2O分子中心原子是什么类型杂化?杂化轨道的作用是什么?

[答案] sp3杂化,sp3杂化轨道形成2个σ键,两个sp3杂化轨道分别容纳一对孤电子对。

二、配合物理论简介

1.配位键

(1)配位键是一类“电子对给予-接受键”,是特殊的共价键。

(2)表示方法:配位键可以用A→B来表示,其中A提供孤电子对,B接受孤电子对。

如:

2.配位化合物

(1)定义:通常把金属离子(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,简称配合物。

(2)配合物的形成举例

实验操作

实验现象

有关离子方程式

滴加氨水后,试管中首先出现蓝色沉淀,氨水过量后沉淀逐渐溶解,形成深蓝色溶液,滴加乙醇后析出深蓝色晶体

Cu2++2NH3·H2O===Cu(OH)2↓+2NH

Cu(OH)2+4NH3===[Cu(NH3)4]2++2OH-,

[Cu(NH3)4]2++SO+H2O [Cu(NH3)4]SO4·H2O↓

溶液颜色变红

Fe3++3SCN-===Fe(SCN)3

(3)其他配离子[Ag(NH3)2]+,[Zn(NH3)4]2+等。

1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)

(1)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(  )

(2)杂化轨道可用于形成σ键和π键(  )

(3)含有配位键的化合物一定是配位化合物(  )

(4)在[Cu(NH3)4]2+中NH3为配体,N为配位原子(  )

[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√

2.s轨道和p轨道杂化的类型不可能有(  )

A.sp杂化    B.sp2杂化

C.sp3杂化 D.sp4杂化

[答案] D

3.下列分子或离子的中心原子轨道杂化类型是什么?

(1)CO2________;(2)H2S________;(3)SO2________;

(4)CO________;(5)NH________。

[答案] (1)sp (2)sp3 (3)sp2 (4)sp2 (5)sp3

杂化轨道类型判断 

在形成多原子分子时,中心原子价电子层上的某些能量相近的原子轨道发生混杂,重新组合成一组新的轨道的过程,叫做轨道的杂化。

1.杂化轨道的4点认识

(1)在形成多原子分子时,中心原子价电子层上的某些能量相近的原子轨道(ns,np)发生杂化,双原子分子中不存在杂化过程。

(2)杂化过程中,原子轨道总数不变,即杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相等。

(3)杂化过程中,轨道的形状发生变化,但杂化轨道的形状相同,能量相等。

(4)杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对,且杂化轨道之间要满足最小排斥原理。

2.杂化轨道类型的判断

(1)根据杂化轨道数判断:杂化轨道数=中心原子上的孤电子对数+中心原子结合的原子数,由杂化轨道数可判断杂化类型。

代表物

杂化轨道数

杂化轨道类型

CO2

0+2=2

sp

CH2O

0+3=3

sp2

CH4

0+4=4

sp3

SO2

1+2=3

sp2

NH3

1+3=4

sp3

H2O

2+2=4

sp3

(2)根据中心原子的价层电子对数判断:2个价层电子对为sp杂化,3个价层电子对为sp2杂化,4个价层电子对为sp3杂化。

(3)根据分子或离子的VSEPR模型判断:直线形为sp杂化,平面三角形为sp2杂化,四面体为sp3杂化。

(4)根据杂化轨道之间的夹角判断sp3:109°28′,sp2:120°,sp:180°。

1.有关杂化轨道的说法不正确的是(  )

A.杂化前后的轨道数目不变,但轨道的形状发生了改变

B.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°

C.四面体形、三角锥形、V形分子的结构可以用杂化轨道理论解释

D.杂化轨道全部参与形成化学键

[答案] D

2.下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是(  )

①BF3 ②CH2===CH2 ③ ④CH≡CH

⑤NH3 ⑥CH4

A.①②③     B.①⑤⑥

C.②③④ D.③⑤⑥

A [sp2杂化轨道形成夹角为120°的平面三角形杂化轨道。①BF3为平面三角形且B—F键夹角为120°;②C2H4中C原子为sp2杂化,且未杂化的2p轨道形成π键;③同②相似;④乙炔中的C原子为sp杂化;⑤NH3中的N原子为sp3杂化;⑥CH4中的C原子为sp3杂化。]

3.写出下列物质的杂化类型与粒子空间构型:

(1)CS2____________________;

(2)H3O+___________________;

(3)NO____________________;

(4)SO____________________。

[答案] (1)sp,直线形 (2)sp3,三角锥形 (3)sp2,平面三角形 (4)sp3,正四面体形

(1)sp杂化和sp2杂化的两种形式中,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。

(2)杂化轨道间的夹角与分子内的键角不一定相同,中心原子杂化类型相同时孤电子对越多,键角越小。例如,NH3中的氮原子与CH4中的碳原子均为sp3杂化,但是键角分别为107°和109°28′。

配位键与配合物

1.配位键:电子对给予-接受键,可用A→B表示,A为配体中配位原子,B为接受电子对的中心原子或离子。

2.配合物

(1)配合物[Cu(NH3)4]SO4的组成如下图表示。

①中心原子:提供空轨道能接受孤电子对的原子或金属阳离子。配合物的中心原子一般是带正电荷的阳离子,最常见的是过渡金属的原子或离子。

②配体:含有孤电子对的原子、分子或阴离子。

a.阴离子:如X-(卤素离子)、OH-、SCN-、CN-、RCOO-、PO等。

b.分子:如H2O、NH3、CO、醇、胺、醚等。

c.原子:常为ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的原子。

③配位数:直接同中心原子配位的原子或离子的数目叫中心原子的配位数。如[Fe(CN)6]4-中Fe2+的配位数为6,[Cu(NH3)4]Cl2中Cu2+的配位数为4。

④配合物离子的电荷数:等于中心原子或离子与配位体总电荷数的代数和。如[Co(NH3)5Cl]n+中,中心离子为Co3+,则n=2。

(2)形成配合物的条件

①配体有孤电子对。

②中心原子有空轨道。

(3)配合物的稳定性

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。

(4)配合物形成时性质的改变

①颜色的改变,如Fe(SCN)3的形成。

②溶解度的改变,如AgCl―→[Ag(NH3)2]+。

4.若X、Y两种粒子之间可形成配位键,则下列说法正确的是(  )

A.X、Y只能均是分子

B.X、Y只能均是离子

C.若X提供空轨道,则Y至少要提供一对孤电子对

D.若X提供空轨道,则配位键表示为X→Y

[答案] C

5.Co(NH3)5BrSO4可形成两种钴的配合物:

P:[Co(NH3)5Br]SO4,Q:[Co(SO4)(NH3)5]Br。向P、Q的溶液中分别加入BaCl2溶液后,下列有关说法错误的是 (  )

A.Q溶液中会产生白色沉淀

B.P溶液中会产生白色沉淀

C.Q中SO是配体

D.P、Q的配位数均是6

A [由P、Q的化学式知P的外界是SO,Q的外界是Br-,在溶液中前者能电离出大量的SO而后者不能,故Q溶液中不能产生白色沉淀。]

6.(1)在[Ni(NH3)6]2+中Ni2+与NH3之间形成的化学键称为__________,提供孤电子对的成键原子是________。

(2)CaF2难溶于水,但可溶于含Al3+的溶液中,原因是_________(用离子方程式表示,已知AlF在溶液中可稳定存在)。

(3)配合物[Cr(H2O)6]3+中,与Cr3+形成配位键的原子是________(填元素符号)。

[解析] (1)Ni2+与NH3之间形成共价键时,Ni2+提供空轨道,N提供孤电子对,形成配位键。(2)CaF2中存在沉淀溶解平衡:CaF2(s)

Ca2+(aq)+2F-(aq),溶液中的F-与Al3+形成配位离子AlF,使沉淀溶解平衡向右移动,导致氟化钙溶解。(3)H2O分子中的O原子有孤对电子,能与Cr3+形成配位键。

[答案] (1)配位键 N (2)3CaF2+Al3+===3Ca2++AlF (3)O

1.能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为(  )

[答案] D

2.下图是乙烯分子的模型,对乙烯分子中的化学键分析正确的是(  )

A.sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键

B.sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键

C.C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、C之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键

D.C、C之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、H之间是未能参加杂化的2p轨道形成的π键

A [乙烯分子中存在4个C—H键和1个C===C键,C原子上孤电子对数为0,σ键电子对数为3,则C原子采取sp2杂化,C、H之间是sp2杂化轨道形成的σ键,C、C之间有1个是sp2杂化轨道形成的σ键,还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键。]

3.下列不能形成配位键的组合是(  )

A.Ag+ NH3    B.H2O H+

C.Co3+ CO D.Ag+ H+

[答案] D

4.用过量的AgNO3溶液处理含0.01 mol氯化铬(CrCl3·6H2O)的水溶液,生成0.02 mol的AgCl沉淀,此氯化铬最可能是(  )

A.[Cr(H2O)6]Cl3

B.[CrCl(H2O)5]Cl2·H2O

C.[CrCl2(H2O)4]Cl·2H2O

D.[CrCl3(H2O)3]·3H2O

B [与Ag+反应生成AgCl沉淀的Cl-是由配合物在水溶液中电离出来的,因此在该配合物中1个Cl-在内界,2个Cl-在外界。]

5.下图是甲醛分子的模型。根据该图和所学化学键知识回答下列问题:

甲醛分子的比例模型 甲醛分子的球棍模型

(1)甲醛分子中碳原子的杂化方式是________,作出该判断的主要理由是________________________。

(2)下列是对甲醛分子中碳氧键的判断,其中正确的是________(填序号)。

①单键 ②双键 ③σ键 ④π键 ⑤σ键和π键

[解析] (1)原子的杂化轨道类型不同,分子的立体构型也不同。 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C===O键,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。[答案] (1)sp2杂化 甲醛分子的立体结构为平面三角形 (2)②⑤

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