选修3共价键与分子的空间构型知识点及习题

共价键与分子的空间构型【要点梳理】要点一、共价键的形成及其本质1．共价键的形成通常情况下，吸引电子能力相近的原子之间通过共用电子对形成共价键。

那么两个成键原子为什么能通过共用电子对结合在一起呢?下面我们以氢分子的形成过程为例来说明共价键是怎样形成的。

当两个氢原子相互接近时，若两个氢原子核外电子的自旋方向相反，它们接近到一定距离时，两个1s轨道发生重叠，电子在两原子核间出现的机会较大。

随着核间距的减小，核间电子出现的机会增大，体系的能量逐渐下降，达到能量最低状态。

核间距进一步减小时，两原子间的斥力使体系的能量迅速上升，这种排斥作用又将氢原子推回到平衡位置。

能量（主要指势能）随核间距的变化如图中曲线a所示。

2．共价键的本质：共价键的本质是电子与原子核之间的电性作用。

同种或不同种非金属元素（或某些非金属与金属）之间原子相遇时，若原子的最外层电子排布未达到稳定状态，则原子间通过共用电子对形成共价键。

形成共价键的微粒是同种或不同种原子。

要点二、共价分子的表示方法1．电子式：通常人们在元素符号周围用小黑点（或×）来描述分子中原子共用电子以及原子中未成键的价电子的情况，这种式子叫电子式。

如：2．结构式：在化学上，常用一根短线“一”表示一对共用电子，所以氯气分子也可以表示为：C1—Cl，这种式子叫结构式。

注意在不熟练的情况下，书写结构式时往往先写出电子式，原子间有几对共用电子，就用几根短线表示，未共用的电子不加以考虑。

结构式可形象地表示出分子内各原子的连接顺序。

因此，同种原子不能合并，只有通过共价键形成的分子才能写结构式，离子化合物不能用结构式表示。

3．用电子式表示共价化合物的形成过程用电子式表示共价化合物的形成过程时，在“→”的左侧写成键原子的电子式，同种原子可以合并，右侧写形成的单质或化合物的电子式，但应注意，相同的原子要对称写，不能合并。

如：要点三、σ键与π键原子轨道沿核间连线方向以“头碰头”的方式重叠形成的共价键叫做σ键；原子轨道在核间连接两侧以“肩并肩”的方式重叠形成的共价键叫做π键。

氮分子中含有一个σ键和两个π键，氮分子的结构可用结构式N≡N表示。

在有机化合物中，碳原子与碳原子之间形成π键的重叠程度要比σ键的重叠程度小得多。

所以碳原子与碳原子之间形成的σ键比π键牢固，在化学反应中，π键易发生断裂。

氮气分子中的三个共价键使得构成氮分子的氮原子紧紧地结合在一起，因而氮气的化学性质异常稳定。

除了少数植物如豆科类具有将空气中的氮气转化为含氮的化合物的本领外，大部分植物不能直接吸收空气中的氮。

因此，设法将空气中的氮气转化为植物可吸收的含氮化合物成为一个世纪以来备受关注的课题，其关键点就在于，削弱氮分子中的化学键。

在合成氨工业中，人们利用高温（500℃左右）、高压（15 MPa）、并用铁的化合物作为催化剂将氢气和氮气合成为氨。

要点四、共价键的特征饱和性与方向性是共价键的两点特征。

1．共价键具有饱和性。

这是因为只有成键原子中自旋方向相反的未成对电子才能形成共用电子对。

成键过程中，每种元素的原子有几个未成对电子，通常就只能和几个自旋方向相反的电子形成共价键。

所以在共价分子中，每个原子形成共价键的数目是一定的，这就是共价键的饱和性。

共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系。

2．共价键具有方向性。

这是因为形成共价键时，两个参与成键的原子的原子轨道总是尽可能沿着电子出现机会最大的方向重叠成键，而且原子轨道重叠越多，电子在两核间出现的机会越多，体系的能量下降的也就越多，形成的共价键越牢固。

因此，一个原子与周围原子形成的共价键就表示出方向性（s轨道与s轨道重叠形成的共价键无方向性）。

共价键的方向性决定着分子的空间构型。

要点五、极性键和非极性键1．非极性（共价）键：由同种元素的原子间形成的共价键是非极性键。

在共价单质分子中，由同种原子形成共价键，两个原子吸引电子的能力相同，共用电子对不偏向任何一个原子，因此，成键的原子不显电性，这样的共价键叫做非极性共价键，简称非极性键。

如H—H键、Cl—Cl键、N三N键都是非极性键。

非极性键可以存在于非金属单质中，也可以存在于化合物中。

2．极性（共价）键：由不同种元素的原子间形成的共价键是极性键。

在共价化合物分子中，不同种原子形成共价键，因为原子吸引电子的能力不同，共用电子对将偏向吸引电子能力强的一方，因而吸引电子能力强的一方显负电性，化合价为负值，吸引电子能力弱的一方显正电性，化合价为正值，数值即这种元素的1个原子跟其他元素的原子形成的共用电子对的数目。

如HCl分子中，Cl原子吸引电子的能力比H原子强，共用电子对偏向Cl原子，偏离H原子，而使Cl原子一方相对显负电性，H原子一方相对显正电性。

像这样共用电子对偏移的共价键叫做极性共价键，简称极性键。

如H2O中的O—H键，CO2中的C—O键都是极性键。

极性键不存在于单质分子中，只存在于化合物中。

3．键的极性强弱判断方法：成键的两原子吸引电子对的能力差别（即非金属性差别）越大，电子对偏移的程度越大，键的极性越强。

如处于短周期的四种元素，它们之间能形成共价键，键的极性最强的是X—Y，键的极性最弱的是W—Z。

要点六、键参数1．键能（1）概念：在101.3 kPa、298 K条件下，断开1 mol AB（g）分子中的化学键，使其分别生成气态A原子和气态B原子所吸收的能量，叫A—B键的键能。

（2）表示方式：E A—B。

（3）键能大小决定化学键的强弱程度。

键能越大，共价键越牢固，含有该键的分子越稳定。

（4）常见化学键的键能：共价键键能／kJ·mol－1共价键键能／kJ·mol－1C—H 413 O—H 467 C—C 347 F—H 565C—N 305 Cl—H 431 C—O 358 I—H 297C—S 259 C＝C 614 Cl—Cl 243 C≡C 839Br—Br 193 C＝O 745 I—I 151 N≡N 945N—H 391 O＝O 4982．键长（1）概念：两个成键原子之间的核间距离叫键长。

（2）原子间的键长越短，化学键越强，键越牢固。

（3）常见化学键的键长：共价键键长／nm 共价键键长／nmC—C 0.154 H—H 0.074 C＝C 0.134 F—F 0.143C≡C 0.121 Cl—Cl 0.199 N—N 0.141 Br—Br 0.228N＝N 0.110 I—I 0.266 O＝O 0.1213．键角（1）概念：多原子分子中，两个化学键之间的夹角叫键角。

（2）常见物质的键角：CO2：180°（直线形）；H2O：104.5°（V形）；NH3：107.3°（三角锥形）。

（3）键角和键长常用于描述多原子分子的空间构型。

要点七、杂化轨道理论与分子空间构型1．杂化轨道理论的要点（1）原子在形成分子的过程中，根据原子的成键要求，在周围原子的影响下，能量相近的不同类型的原子轨道可以重新组合形成一组新的原子轨道。

这种原子轨道的重新组合的过程叫做原子轨道的杂化，杂化后的原子轨道叫做杂化轨道。

（2）原子轨道在杂化过程中，轨道数目保持不变，即有多少个原子轨道参加杂化，就形成多少个杂化轨道。

（3）为了使轨道间的排斥作用最小、体系能量最低，杂化轨道总是尽量远离，使杂化轨道间的夹角最大。

因而，杂化轨道在空间总是有规则排列的。

根据最大重叠原理，由杂化轨道类型就可以推断分子的空间构型。

（4）杂化轨道在空间的伸展方向和分布情况都发生了改变，电子云分布更集中、更突出，在与其他原子轨道重叠成键时，重叠程度更高，更易成键，即杂化轨道的成键能力增强了，形成的分子更加稳定。

2．杂化轨道的类型与分子构型（1）sp1杂化——直线形sp1杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道组合而成，每个sp1杂化轨道含有12s和12p的成分，轨道间夹角为180°，呈直线形。

如BeCl2（2）sp2杂化——平面三角形sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道组合而成，每个sp2杂化轨道都会有13s和23p成分，杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。

如BF3分子（3）sp3杂化——四面体型：sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个坤轨道组合而成的，每个sp3杂化轨道都含有14s和34p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109.5°，空间构型为四面体型。

如CH4分子的结构：要点八、典型分子的空间构型1．甲烷分子的空间构型形成CH4分子时，碳原子的1个2s电子激发到空的2p轨道上，变成1s22s12p1x2p1y2p1z的排布，2s轨道和3个2p轨道杂化形成4个sp3杂化轨道，碳的4个价电子以自旋方向相同的方式分占各个轨道，这样4个sp3杂化轨道再分别与氢原子的单电子1s轨道重叠成键形成四个等同的C—H共价键，所以CH4分子的空间构型为正四面体型，键角为109.5°。

如右图。

2．苯分子的空间构型（1）根据杂化轨道理论，形成苯分子时每个碳原子中的原子轨道发生了sp2杂化，由此形成的3个sp2杂化轨道在同一平面内。

这样每个碳原子的2个sp2杂化轨道上的电子分别与邻近的2个碳原子的sp2杂化轨道上的电子配对形成σ键，于是6个碳原子组成一个正六边形的碳环；每个碳原子的另一个sp2杂化轨道上的电子分别与1个氢原子的1s电子配对形成σ键。

与此同时，每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参加杂化的2p轨道，它们均含有一个未成对电子，这6个碳原子的2p轨道相互平行，它们能以“肩并肩”的方式相互重叠，从而形成含有6个电子、属于6个原子的π键。

所以，在苯分子中，6个碳碳键完全相同，键角皆为120°。

正是由于苯分子所具有的这种结构特征，使得它表现出特殊的稳定性，而不像乙烯那样容易使酸性KMnO4溶液或溴的四氯化碳溶液退色。

苯分子中的化学键如下图：（2）对苯分子结构的认识①构成苯分子的6个C原子和6个H原子处在同一平面内。

②苯分子中的碳碳键既不是单纯的单键，也不是单纯的双键，而是一种介于单键和双键之间的一种独特的键。

③苯分子中各原子的成键方式：C、H原子之间形成6个σ键，C、C原子之间形成6个σ键和6个C原子共同形成6电子大π键。

④苯的典型性质是易发生取代反应，也可以发生加成反应，难发生氧化反应。

要点九、分子的对称性1．对称性对称性是指一个物体包含若干等同部分，这些部分相互对应且相称，它们经过不改变物体内任意两点间距离的操作能够复原，即操作前在物体中某个地方有的部分，经操作后原有的地方依旧存在相同的部分，也就是说，无法区别操作前后的物体。

2．手性与手性分子（1）手性具有完全相同的组成和原子排列的一对分子，如同左手与右手一样互为镜像，却在三维空间里不能重叠，称它们的表现为手性。