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共价键与分子的空间构型（基础）编稿：房鑫 审稿：张灿丽【学习目标】1、认识共价键的主要类型键和键；会用电子式表示共价键的形成；理解共价键的形成条件及其本质。2、认识键能、键长、键角等概念，能用它们说明简单分子的某些性质；认识等电子原理，了解其应用。3、认识共价分子立体结构的多样性和复杂性。4、认识杂化轨道理论的要点，进一步了解有机化合物中碳的成键特征，能根据杂化轨道理论判断简单分子或离子的构型，培养分析、归纳、综合的能力和空间想象能力。5、了解分子的对称性和分子的极性。要点一、共价键 1共价键的形成及本质 （1）原子间通过_ 形成的化学键叫做共价键。高概率地出现在两个原子核之间的_与两个核之间的_ 是共价键的本质。 （2）通常_ 的_元素原子形成的化学键为共价键。（3）为了简便起见，人们常用一条短线表示由一对共用电子所形成的共价键。例如氢分子表示为_，水分子表示为_；用_表示原子间共用两对电子所形成的共价键（共价双键），_表示原子间共用三对电子所形成的共价键（共价叁键）。要点诠释：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。 2键与键 （1）人们将原子轨道以_方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键称为键。如：N2分子中2pz与2pz头碰头形成的共价键即为_键。（2）将原子轨道以_方式相互重叠导致电子在核间出现概率增大而形成的共价键称为键。这样氮分子的NN中有一个_，两个_。要点诠释：在有机化合物中，碳原子与碳原子之间形成键的重叠程度要比键的重叠程度小得多。所以碳原子与碳原子之间形成的键比键牢固，在化学反应中，键易发生断裂。 3共价键的特征 （1）共价键的饱和性：因为每个原子所能提供的_ 的数目是一定的，因此在共价键的形成过程中，一个原子中的一个未成对电子与另一原子中的一个未成对电子配对成键后，一般来说就不能再与其他原子的未成对电子配对成键了，即每个原子所能形成共价键的_或以单键连接的_是一定的，这称为共价键的_。显然，共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的_关系。（2）共价键的方向性：原子轨道中除s轨道是球形对称的外，其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时，原子轨道_ _，电子在核间出现的概率愈大，所形成的共价键就_，因此，共价键将尽可能沿着电子_ 方向形成，这就是共价键的方向性。共价键的方向性决定着分子的_。 4极性键和非极性键 （1）同种非金属元素的两个原子间形成的共价键为_ _。不同种非金属元素的原子间形成的共价键为_。 （2）一般而言，在双原子分子中，可用成键原子所属元素电负性的差值大小判断形成的共价键的极性强弱。当电负性差值为_时，通常形成非极性共价键；差值_时，形成极性共价键，且差值越小，形成的共价键的极性就越_。答案：1（1）共用电子对 电子 电性作用 （2）电负性相同或差值小 非金属 （3）HH HOH “” “”2（1）“头碰头” （2）“肩并肩” 键 键3（1）未成对电子 总数 原子数目 饱和性 数量 （2）重叠得愈多 愈牢固 出现概率最大的 空间构型4（1）非极性键 极性键 （2）零 不为零 弱要点二、 键参数 1键能 （1）人们把101.3 kPa、298 K条件下断开_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_称为AB键的键能，常用EAB表示。 （2）键能的大小可以定量地表示化学键的_ _。键能越大，键越_，键能越小，键就越_。 2键长 （1）两个成键原子的_ 叫做该化学键的键长。 （2）化学键的键长越_，化学键就越_，键就越牢固。键长也是影响_ _的因素之一。 3键角 （1）在多原子分子中，_ 叫做键角。（2）键角常用于描述多原子分子的_ 。CO2分子中两个CO键的夹角为_，所以CO2分子呈_形；H2O分子中两个HO键的夹角为104.5°，所以H2O分子呈_形；NH3分子中每两个NH键的夹角为107.3°，所以NH3分子呈_形。要点诠释：键角和键长常用于描述多原子分子的空间构型。答案：1（1）1 mo1 吸收的能量 （2）强弱程度 牢固 不牢固2（1）原子核间的距离 （2）短 强 分子构型3（1）两个化学键的夹角 （2）空间构型 180° 直线 V 三角锥要点三、杂化轨道理论与一些典型分子的空间构型 1杂化轨道理论 （1）在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道_ _叫做原子轨道的杂化，组合后形成的一组新的原子轨道叫做杂化原子轨道，简称_ 。 （2）杂化轨道的类型 sp1杂化：一个s轨道和_ _杂化。 sp2杂化：一个s轨道和_ _杂化。sp3杂化：一个s轨道和_ _杂化。要点诠释：杂化轨道理论的要点 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。 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。 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。 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。 2一些典型分子的空间构型（1）甲烷分子中，碳原子形成四个_杂化轨道，当碳原子与氢原子成键时，碳原子中每个杂化轨道的一个未成对电子与一个氢原子的1 s电子配对形成一个共价键，这样形成的四个共价键是_，且键角为_，从而使甲烷分子具有_ _构型。要点诠释： 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CH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）形成乙烯分子时碳原子采用_杂化。分子中的碳原子间存在着一个_键和一个_键。乙炔分子中碳原子采用_杂化，两个碳原子间存在一个_和两个_键。 （3）形成氨分子时，氮原子的2s和2p轨道也发生了_杂化，但因四个sp3杂化轨道中的一个轨道已有一对电子，只有另外三个轨道中的未成对电子可以与氢原子的1 s电子配对成键，所以氨分子的空间构型呈_ ，键角为_。 （4）苯分子中形成了含有_个电子，属于六个碳原子的键。这种在多原子间形成的多电子的键称为_。所以苯分子中六个碳原子和六个氢原子都在_ ，整个分子呈_ ，六个碳碳键_ ，键角皆为_。答案：1（1）重新组合的过程 杂化轨道 （2）一个p轨道 两个p轨道 三个p轨道2（1）sp3 等同的 109.5°正四面体 （2）sp2 sp1 （3）sp3 三角锥形 107.3° （4）六 大键 同一平面内 平面正六边形 完全相同 120°要点四、分子的空间构型与分子性质 1分子的对称性 （1）依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够_的分子称为对称分子，分子具有的这种性质称为_。分子的许多性质如_、_及_ _等都与这种性质有关。 （2）当四个_的原子或基团连接在碳原子（如CHBrClF）上时，这个碳原子是不对称碳原子。这种分子和它在镜中的像，就如同人的左手和右手，相似而不相同，即它们不能_，我们称它们表现为手性。具有手性的分子叫做手性分子。一个手性分子和它的镜像分子构成一对_，通常分别用_和_来标记。 2分子的极性 （1）分子内存在正、负两极的分子称为_。如_、_。分子内没有正负两极的分子称为_，如_、_。 （2）对双原子分子来说，化学键有极性，分子就有_。化学键无极性，分子也_。 对于多原子分子来说，分子中正、负电荷重心重合，则分子通常为_ 。若分子中正、负电荷重心不重合，则分子通常为_。答案：1（1）复原 对称性 极性 旋光性 化学性质 （2）不同 重叠 异构体 D L2（1）极性分子 水分子 氨分子 非极性分子 氢分子 甲烷分子 （2）极性 无极性 非极性分子 极性分子【典型例题】类型一、键与键的认识与判断 例1 、下列说法中不正确的是（ ） A键比键重叠程度大，形成的共价键强 B两个原子之间形成共价键时，最多有一个键 C气体单质中，一定有键，可能有键 DN2分子中1个键，2个键 【思路点拨】共价键形成的根本原因是电子云的重叠，使整个分子的能量降低，并且重叠的程度越大，键越牢固，分子越稳定，即共价键具有方向性。成键原子有几个未成对电子，就可以形成几对共用电子对，即共价键具有饱和性。【答案】C【解析】在单质分子中存在键（如Cl2、H2）、（键（N2中存在键和键），但稀有气体为单原子分子，不存在化学键，所以C不正确。【总结升华】由于共价键的方向性，成键原子在形成共价键时，总是使电子云达到最大限度的重叠。电子云的重叠形式有“头碰头”和“肩并肩”两种形式，即键和键。在一个分子中，如果成键原子间只形成一对共用电子对，此键一定是键，若形成n对共用电子对，则其中一个是键，另外的（n1）个是键。举一反三：【变式1】（2015 四川成都期中）下列关于共价键的说法正确的是（ ） A两个原子形成共价键时至少有1个键 BMgCl2中存在3个共价键 CN2中有2个键，1个键D共价键的键能大，含有该键的物质比较活泼【答案】A【解析】共价单键中含有1个键，共价双键中含有1个键和1个键，共价三键中含有1个键和2个键，则两个原子形成共价键时至少有1个键，A正确；MgCl2为离子化合物，只存在离子键，B错误；共价三键中含有1个键，2个键，N2的结构式为NN，所以N2中有1个键，2个键，C错误；共价键的键能大，该化学键不容易被破坏，则含有该共价键的物质比较稳定，故D错误。 类型二、键的极性的判断 例2、CH4、NH3、H2O和HF分子中，共价键的极性由强到弱的顺序是（ ） ACH4、NH3、H2O、HF BHF、H2O、NH3、CH4 CH2O、HF、CH4、NH3 DHF、H2O、CH4、NH3 【思路点拨】同种元素的原子，原子所属元素的电负性相同，原子核吸引电子的能力相同；不同种元素的原子，原子所属元素的电负性不同，原子核吸引电子的能力也不同。【答案】B 【解析】比较共价键的极性，应比较成键的两个原子吸引电子能力的大小，两原子吸引电子的能力相差越大，则键的极性越强。本题所给分子中都含有H原子，比较键的极性强弱即是比较C、N、O、F得电子能力的强弱，由于得电子能力：FONC，故共价键的极性由强到弱为：HFH2ONH3CH4。【总结升华】由极性键和非极性键的定义可知，同种元素原子之间的共价键一般为非极性键；不同种元素原子之间的共价键一般为极性键。在极性键中，成键原子所属元素的电负性差值越大，共价键的极性越强（称为强极性键）；电负性差值越小，共价键的极性越弱（称为弱极性键）。举一反三：【变式1】含有非极性键的共价化合物是（ ） ACl2 BH2O2 CCO2 DNaCl 【答案】B【解析】Cl2是单质，NaCl是离子化合物，首先被排除，CO2是共价化合物，但不含非极性键，也排除。【变式2】下列有关化学键的叙述正确的是（ ） A全部由非金属元素组成的化合物中肯定不存在离子键 B所有物质中都存在化学键 CH2O2分子中既有极性键又有非极性键 D已知乙炔的结构式为HCCH，则乙炔分子中存在2个键（CH）和3个键（CC） 【答案】C【解析】NH4Cl全部是由非金属元素组成的，但NH4Cl中含有离子键，A项不正确；稀有气体单质中不存在化学键，因为其原子本身就达到了稳定结构，B项不正确；H2O2分子中存在HO极性键和OO非极性键，C项正确；乙炔分子中3个键（2个CH键和碳碳叁键中的1个键）和2个键（碳碳叁键中的2个键）。类型三、共价物质电子式的书写 例3、下列分子的电子式书写正确的是（ ） 【答案】C 【解析】选项A中N原子的最外层电子没有全部标出；B项中原子的连接方式不正确，正确的应为；D项中O原子不满足8e稳定结构，正确写法为：。【总结升华】在书写共价化合物的电子式时应注意：（1）各原子最外层的电子即使未参与成键，也必须全数标出。（2）要正确表示出共用电子对。（3）较复杂的分子要标对原子间的连接方式，原子间的连接方式不一定是分子的书写顺序，如HClO的电子式是，而不是。举一反三：【变式1】下列式子书写正确的是（ ） 【答案】BC【解析】A中O2的电子式为，D中氮气的结构式为NN，A、D错。 类型四、键参数例4、下列说法中，正确的是（ ）A、由分子构成的物质中一定含有共价键B、离子化合物中一定含有金属元素C、正四面体结构的分子中的键角一定是109°28D、不同的原子的化学性质可能相同【思路点拨】本题考查化学键及其中共价键的参数。明确物质中含有化学键的种类、共价键各项参数的意义。【答案】D 【解析】A错误，比如惰性气体都是单原子分子，无共价键；B错误，比如NH4Cl；C错误，比如P4是正四面体结构的分子，键角是90°。【总结升华】键能、键长决定了共价键的稳定性；键长、键角决定了分子的空间构型。举一反三：【变式1】下列分子中键能最大的是（ ） AF2 BCl2 CBr2 DI2【答案】A【解析】F、C1、Br、I中，F的原子半径最小，FF键最短，键能最大。 【变式2】下列说法中正确的是（ ）A、N- C的键长比N-N的键长小B、H2O键角是180°，NH3是平面三角形C、H-H比H-F键长短，所以H-H键键能大D、C=C键键能比C-C键大，所以乙烯比乙烷更稳定【答案】C 【解析】键长的大小可通过比较半径得出；C=C键是1个键和1个键，其中的键不稳定，容易断裂；H2O键角是105°，NH3是三角锥形。类型五、杂化轨道与分子的空间构型例5、（2015 宁夏期中）下列说法正确的是（ ） ACHCl3的立体构型为正四面体形 BH2O中氧原子为sp2杂化，其分子立体构型为V形 C二氧化碳中碳原子为sp杂化，为直线形分子DNH4+是三角锥形【思路点拨】VSEPR模型预测分子立体结构方法：首先确定中心原子的价层电子对数，然后确定中心原子有无孤对电子，再结合实际例子分析。若中心原子周围的原子数与孤对电子对数之和分别为2、3、4，则VSEPR理想模型（注：与分子的立体结构不同）分别是直线形、平面形、四面体形，再判断分子或离子的空间构型。【答案】C【解析】CHCl3中碳CH和CCl的键长不相等，其立体构型不可能为正四面体，A项错误；H2O中的氧原子为sp3杂化，B项错误；CO2的结构式为OCO，其中碳原子为sp杂化，分子是直线形分子，C项正确；NH4+中氮原子为sp3杂化，为正四面体结构，D项错误。【总结升华】对于一个ABn型的共价型分子，中心原子A周围电子对排布的几何形状，主要取决于中心原子A的价电子层中的电子对数（成键电子对数+孤对电子数），这些电子对的位置倾向于分离得尽可能远，使它们之间的斥力最小。由于孤对电子对成键电子的斥力影响较大，所以含有孤对电子对的分子中键角比理想模型的键角要小一些。举一反三：【变式1】下列分子的空间构型为三角锥形的是（ ） ACH4 BH2O CCO2 DNH3 【答案】D【解析】CH4分子为正四面体型，CO2分子为直线形，H2O分子为V形，NH3分子为三角锥形。 【总结升华】键角常用来描述多原子分子的空间构型，CO2分子中两个CO键的夹角为180°，所以CO2分子呈直线形；H2O分子中两个HO键夹角为104.5°，H2O分子为V形；CH4分子中两个CH键的夹角为109.5°，CH4分子为正四面体型；NH3分子中NH键夹角为107.3°，NH3分子为三角锥形。【变式2】下列常见微粒的中心原子的杂化轨道类型是sp3的是：A、CH3+ B、CH4 C、SO2 D、CO2【答案】B类型六、手性分子 例6 、下列分子有手性碳原子的是（ ） 【解析】A项中无连接四个不同原子或基团的碳，故A项不符合；B项结构式为，无手性碳原子，B项不符合；C项中与Cl原子连接的碳原子即为手性碳原子；D项为乙醛，也无手性碳原子，D项不符合。【答案】C【总结升华】手性碳原子是指当四个不同的原子或基团连接在碳原子上时，形成的化合物存在手性异构体，其中，连接四个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子。举一反三：【变式1】下列分子为手性分子的是（ ） 【答案】D【解析】手性分子中应有连接4个不同原子或原子团的碳原子，D选项中的碳原子上连有CH3、OH、COOH、H，所以D中的分子为手性分子。 类型七、分子的结构与分子的极性 例7、完成下列表格。双原子分子三原子分子四原子分子五原子分子分子键的极性键角空间构型分子极性【思路点拨】本题着重考查分子的极性与键的极性以及分子空间构型之间的关系。【答案】双原子分子三原子分子四原子分子五原子分子分子H2HClH2OCO2BF3NH3CH4CH3Cl键的极性非极性极性极性极性极性极性极性极性键角104.5°180°120°107.3°109.5°空间构型直线形直线形V形直线形平面正三角形三角锥形正四面体型四面体型分子极性非极性极性极性非极性非极性极性非极性极性【解析】由非极性键构成的分子一般都是非极性分子。由极性键构成的分子，若能空间对称，分子中电荷分布均匀，分子则无极性，这样的空间对称有三种：一是直线形对称，键角为180°，常见的分子有：CO2、C2H2等；二是平面对称，键角为120°，分子构型为平面正三角形，常见的分子有BF3、BBr3等；三是立体对称，键角为109.5°，分子构型为正四面体，常见有CH4、CCl4、SiH4等。【总结升华】分子的极性由共价键的极性及分子的空间构型两方面共同决定。以极性键结合而形成的双原子分子都是极性分子，如：HCl。以非极性键结合而形成的双原子分子都是非极性分子，如：Cl2。多数以非极性键结合而成的多原子分子也是非极性分子，如：P4。以极性键结合而形成的多原子分子，既有极性分子，又有非极性分子，分子的空间构型均匀对称的是非极性分子，如：直线形分子CO2；正三角形分子BF3；正四面体结构分子CH4等。分子的空间构型不对称或中心原子具有孤对电子或配位原子不完全相同的多原子分子为极性分子，如V形的H2O；三角锥形的NH3；不规则的四面体型分子CH3Cl等。判断ABn型分子极性有一经验规律：若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子；若不等，则为极性分子。如BF3、CO2等为非极性分子；NH3、H2O、SO2等为极性分子。举一反三：【变式1】下列分子为非极性分子的是（ ） AH2O BCH4 CH2S DHCl【答案】B【解析】CH4的空间构型为正四面体型，是由极性键构成的非极性分子。 【变式2】下列各组物质中，都是由极性键构成的极性分子的是（ ） ACH4和Br2 BNH3和H2O CH2S和CCl4 DCO2和HCl【答案】B【解析】A中Br2是由非极性键构成的非极性分子，CH4是由极性键构成的非极性分子；C中CCl4是由极性键构成的非极性分子；D中CO2是由极性键构成的非极性分子。