化學(xué)人教版選修3學(xué)案2-2-2雜化軌道理論和配合物簡(jiǎn)介

第二課時(shí)雜化軌道理論和配合物簡(jiǎn)介[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解雜化軌道理論的內(nèi)容。2．能根據(jù)理論判斷簡(jiǎn)單分子或離子的立體構(gòu)型。3．通過實(shí)驗(yàn)探究配位鍵的特點(diǎn)及配合物理論，能說明簡(jiǎn)單配合物的成鍵情況，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究問題的能力。一、雜化軌道理論簡(jiǎn)介1．雜化軌道(1)碳原子的電子排布式為1s22s22p2，當(dāng)2s的一個(gè)電子被激發(fā)到2p空軌道后，電子排布式為1s22s12p3。(2)在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化，重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡(jiǎn)稱雜化軌道。(3)參與雜化的原子軌道數(shù)等于形成的雜化軌道數(shù)。(4)原子軌道的雜化改變了原子軌道的形狀、方向。原子軌道的雜化使原子的成鍵能力增強(qiáng)。(5)雜化軌道為使電子相互間的排斥力最小，故在空間取最大夾角分布，不同的雜化軌道伸展方向不同。在多原子分子中，兩個(gè)化學(xué)鍵之間的夾角叫鍵角。鍵角與分子的形狀(空間結(jié)構(gòu))密切聯(lián)系。2．雜化軌道類型和空間結(jié)構(gòu)(1)sp雜化——直線形；sp型雜化軌道是由1個(gè)s軌道和1個(gè)p軌道組合而成的，每個(gè)sp雜化軌道含有eq\f(1,2)p和eq\f(1,2)s的成分，軌道間的夾角為180°。(2)sp2雜化——平面三角形；sp2雜化軌道是由1個(gè)s軌道和2個(gè)p軌道組合而成的，每個(gè)sp2雜化軌道含有eq\f(1,3)s和eq\f(2,3)p成分，雜化軌道間的夾角都是120°，呈平面三角形。如BF3分子。(3)sp3雜化——四面體形：sp3雜化軌道是由1個(gè)s軌道和3個(gè)p軌道組合而成的，每個(gè)sp3雜化軌道都含有eq\f(1,4)s和eq\f(3,4)p的成分，sp3雜化軌道間的夾角為109°28′。二、配合物理論簡(jiǎn)介1．配位鍵(1)概念：硫酸銅溶液中呈天藍(lán)色的物質(zhì)是水合銅離子，可表示為[Cu(H2O)4]2＋，叫做四水合銅離子。在這種離子中銅離子與水分子之間的化學(xué)鍵是由水分子提供孤對(duì)電子給予銅離子，銅離子接受水分子的孤對(duì)電子形成的。配位鍵是一種特殊的共價(jià)鍵。(2)配位鍵的表示方法配位鍵可以用A→B來(lái)表示，其中A是提供孤對(duì)電子的原子，叫做給予體(也稱配位原子)；B具有空軌道，是接受電子的原子，叫做接受體。2．配合物(1)概念：金屬離子(或原子)與某些分子或離子(稱為配體)以配位鍵結(jié)合形成的化合物。(2)配合物形成的實(shí)驗(yàn)(3)配合物的應(yīng)用①Fe(SCN)3的應(yīng)用a．檢驗(yàn)Fe3＋的存在：Fe3＋＋3SCN－=Fe(SCN)3。b．Fe(SCN)3的溶液常被用于電影特技和魔術(shù)表演。②[Ag(NH3)2]OH(銀氨溶液)可用于檢驗(yàn)醛基的存在。③在生命科學(xué)中的應(yīng)用生命體中存在著許多金屬配合物，如葉綠素、血紅素和維生素B12都是配合物。其中心離子分別是鎂離子、亞鐵離子和鈷離子。④判斷離子共存由于配位離子很難電離，所以形成配位鍵的兩種離子一般不能大量共存。例如，F(xiàn)e3＋與SCN－不能大量共存。知識(shí)點(diǎn)一雜化軌道理論及其應(yīng)用雜化軌道理論知識(shí)的考查方向有：雜化軌道類型、雜化軌道的應(yīng)用(解釋分子空間構(gòu)型)。解題關(guān)鍵在于掌握雜化軌道類型與分子空間構(gòu)型的關(guān)系，尤其是等性sp3雜化與不等性sp3雜化的區(qū)別。1．雜化類型的判斷因?yàn)殡s化軌道只能用于形成σ鍵或者用來(lái)容納孤電子對(duì)，而兩個(gè)原子之間只能形成一個(gè)σ鍵，故有下列關(guān)系：雜化軌道數(shù)＝中心原子的孤電子對(duì)數(shù)＋中心原子結(jié)合的原子數(shù)，再由雜化軌道數(shù)判斷雜化類型。例如：代表物雜化軌道數(shù)雜化軌道類型CO20＋2＝2spCH2O0＋3＝3sp2CH40＋4＝4sp3SO21＋2＝3sp2NH31＋3＝4sp3H2O2＋2＝4sp32.共價(jià)鍵全部為σ鍵的分子構(gòu)型與雜化類型3.含σ鍵和π鍵的分子構(gòu)型和雜化類型4.s－p雜化軌道和簡(jiǎn)單分子幾何構(gòu)型的關(guān)系1雜化軌道成鍵時(shí)，要滿足化學(xué)鍵間最小排斥原理，鍵與鍵間排斥力的大小決定鍵的方向，即決定雜化軌道間的夾角，鍵角越大，化學(xué)鍵之間的排斥力越小。只有能量相近的軌道間才能發(fā)生雜化。2sp雜化和sp2雜化這兩種形式中，原子還有未參與雜化的p軌道，可用于形成π鍵，而雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來(lái)容納未參與成鍵的孤電子對(duì)。利用雜化軌道理論解釋HCN、HCHO分子的形成？【點(diǎn)撥】(1)在HCN分子的形成過程中，C原子采取sp雜化，形成2個(gè)完全等同的sp雜化軌道。其過程如下：當(dāng)形成HCN時(shí)，中心C原子以其中的1個(gè)sp雜化軌道與H原子的1s軌道重疊形成1個(gè)sp-s型的σ鍵；另1個(gè)sp雜化軌道與N原子的p軌道重疊形成1個(gè)sp-p型的σ鍵，同時(shí)，C原子中2個(gè)未發(fā)生雜化且均有1個(gè)未成對(duì)電子的2p軌道分別與N原子的2p軌道“肩并肩”重疊形成互相垂直的p-pπ鍵。所以，C與N之間以三鍵結(jié)合，HCN分子為直線形。(2)在HCHO分子的形成過程中，中心C原子的1個(gè)2s電子激發(fā)到2p空軌道，其中含1個(gè)未成對(duì)電子的2s軌道與2個(gè)2p軌道進(jìn)行sp2雜化，形成3個(gè)完全等同的sp2雜化軌道。然后，中心C原子以?shī)A角均為120°的2個(gè)完全等同的sp2雜化軌道，分別與2個(gè)H原子的1s軌道重疊，形成2個(gè)sp2-s型的σ鍵；C原子的另一個(gè)sp2雜化軌道與O原子的2p軌道“頭碰頭”重疊形成1個(gè)sp2-p型的σ鍵，然后再用未參與雜化的一個(gè)2p與O原子的一個(gè)2p肩并肩形成π鍵，從而形成HCHO分子。【例1】下列說法正確的是()A．NCl3分子是三角錐形，這是因?yàn)榈邮莝p2雜化的結(jié)果B．sp3雜化軌道是由任意的1個(gè)s軌道和3個(gè)p軌道混合形成的4個(gè)sp3雜化軌道C．中心原子采取sp3雜化的分子，其幾何構(gòu)型可能是四面體形或三角錐形或V形D．AB3型的分子空間構(gòu)型必為平面三角形【提示】利用雜化軌道理論判斷分子或離子的空間構(gòu)型時(shí)，也要考慮孤電子對(duì)的數(shù)目。【解析】由于NCl3分子中N原子上有1對(duì)孤電子對(duì)和3個(gè)σ鍵，所以為sp3雜化，A項(xiàng)錯(cuò)誤；sp3雜化軌道是由中心原子的1個(gè)s軌道和3個(gè)p軌道混合形成的4個(gè)sp3雜化軌道，不是任意的1個(gè)s軌道，B項(xiàng)錯(cuò)誤；中心原子采取sp3雜化的分子，如果沒有孤電子對(duì)，其幾何構(gòu)型為四面體形，若有1對(duì)孤電子對(duì)，其幾何構(gòu)型為三角錐形，若有2對(duì)孤電子對(duì)，其幾何構(gòu)型為V形，C項(xiàng)正確；AB3型的分子空間構(gòu)型也有可能為三角錐形，如NCl3分子，D項(xiàng)錯(cuò)誤。【答案】C下列分子的空間構(gòu)型可用sp2雜化軌道來(lái)解釋的是(A)①BF3②CH2=CH2③④CH≡CH⑤NH3⑥CH4A．①②③ B．①⑤⑥C．②③④ D．③⑤⑥解析：①BF3是平面三角形分子，且B—F鍵夾角為120°；②CH2=CH2是平面形分子，其中碳原子以sp2雜化，未雜化的2p軌道形成π鍵；③中碳原子以sp2雜化，未雜化的2p軌道形成特殊的π鍵；④CH≡CH為直線形分子，其中碳原子為sp雜化；⑤NH3是三角錐形分子，中心原子氮原子為sp3雜化；⑥CH4是正四面體形分子，中心碳原子為sp3雜化。知識(shí)點(diǎn)二配合物的結(jié)構(gòu)及對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響1．配位鍵(1)概念：成鍵的兩個(gè)原子或離子一方提供孤對(duì)電子(配位體)，一方提供空軌道而形成的共價(jià)鍵，叫做配位鍵。(2)配位體：應(yīng)含有孤對(duì)電子，如NH3、H2O、F－、OH－等。(3)成鍵的性質(zhì)：共用電子對(duì)對(duì)兩原子的電性作用。(4)成鍵條件：形成配位鍵的一方是能夠提供孤對(duì)電子的原子或離子，另一方是具有能夠接受孤對(duì)電子的空軌道的原子或離子。2．配合物的組成配合物由中心原子(提供空軌道)和配體(提供孤電子對(duì))組成，分成內(nèi)界和外界。如[Co(NH3)6]Cl3可表示為：①中心原子：Co3＋提供空軌道接受孤電子對(duì)，是中心原子。配合物的中心原子一般都是帶正電的陽(yáng)離子，過渡金屬離子最常見。②配位體：NH3分子中氮原子提供孤電子對(duì)，是配位原子，NH3分子是配位體。配位體可以是陰離子，如X－(鹵素離子)、OH－、SCN－、CN－、RCOO－(羧酸根離子)、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。配位原子必須是含有孤對(duì)電子的原子，ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的原子最常見。③配位數(shù)：直接同中心原子配位的原子數(shù)目叫中心原子的配位數(shù)。如[Fe(CN)6]4－中Fe2＋的配位數(shù)為6。3．配合物的形成對(duì)性質(zhì)的影響(1)溶解性的影響如：AgCl→[Ag(NH3)2]＋，由不溶于水的沉淀，轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苡谒奈镔|(zhì)。如教材實(shí)驗(yàn)2－2：CuSO4(aq)eq\o(→,\s\up17(氨水))藍(lán)色沉淀eq\o(→,\s\up17(氨水))深藍(lán)色透明溶液eq\o(→,\s\up17(乙醇))深藍(lán)色晶體[Cu(NH3)4]SO4·H2O有關(guān)離子方程式：Cu2＋＋2NH3·H2O=Cu(OH)2↓＋2NHeq\o\al(＋,4)Cu(OH)2＋4NH3=[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－(2)顏色的改變當(dāng)簡(jiǎn)單離子形成配離子時(shí)其性質(zhì)往往有很大差異。顏色發(fā)生變化就是一種常見的現(xiàn)象，我們根據(jù)顏色的變化就可以判斷是否有配離子生成。如Fe3＋與SCN－在溶液中可生成配位數(shù)為1～6的鐵的硫氰酸根配離子，這種配離子的顏色是血紅色的。(3)穩(wěn)定性增強(qiáng)配合物具有一定的穩(wěn)定性，配合物中的配位鍵越強(qiáng)，配合物越穩(wěn)定。當(dāng)作為中心原子的金屬離子相同時(shí)，配合物的穩(wěn)定性與配體的性質(zhì)有關(guān)。例如，血紅素中的Fe2＋與CO分子形成的配位鍵比Fe2＋與O2分子形成的配位鍵強(qiáng)，因此血紅素中的Fe2＋與CO分子結(jié)合后，就很難再與O2分子結(jié)合，血紅素失去輸送氧氣的功能，從而導(dǎo)致人體CO中毒。(1)不是所有的配合物都具有顏色。如[Ag(NH3)2]OH溶液無(wú)色，而Fe(SCN)3溶液呈紅色。(2)過渡金屬原子或離子都有接受孤電子對(duì)的空軌道，對(duì)多種配體具有較強(qiáng)的結(jié)合力，因而過渡金屬配合物遠(yuǎn)比主族金屬配合物多。1.在四水合銅離子中，銅離子與水分子之間的化學(xué)鍵是如何形成的？該化學(xué)鍵如何表示？【點(diǎn)撥】在四水合銅離子中，Cu2＋與H2O分子之間的化學(xué)鍵是由水分子提供孤電子對(duì)給予Cu2＋，Cu2＋接受H2O分子的孤電子對(duì)形成的。該化學(xué)鍵可表示為：。2．配制銀氨溶液時(shí)，向AgNO3溶液中滴加氨水，先生成白色沉淀，后沉淀逐漸溶解，為什么？【點(diǎn)撥】因?yàn)榘彼嗜鯄A性，滴入AgNO3溶液中，會(huì)形成AgOH白色沉淀，當(dāng)氨水過量時(shí)，NH3分子與Ag＋形成[Ag(NH3)2]＋配離子，配離子很穩(wěn)定，會(huì)使AgOH逐漸溶解，反應(yīng)過程如下：Ag＋＋NH3·H2O=AgOH↓＋NHeq\o\al(＋,4)AgOH＋2NH3=[Ag(NH3)2]＋＋OH－【例2】下列過程與配合物的形成無(wú)關(guān)的是()A．除去鐵粉中的SiO2可用強(qiáng)堿溶液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溶液后溶液呈血紅色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，物質(zhì)的性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定的變化，主要有三個(gè)方面的影響：(1)一些難溶于水的金屬化合物形成配合物后，易溶解；(2)當(dāng)簡(jiǎn)單離子形成配合物時(shí)顏色可能發(fā)生改變，利用此性質(zhì)可檢驗(yàn)離子的存在；(3)形成配合物后，穩(wěn)定性增強(qiáng)?！窘馕觥繉?duì)于A項(xiàng)，除去鐵粉中的SiO2，是利用SiO2可與強(qiáng)堿反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)，與配合物的形成無(wú)關(guān)；對(duì)于B項(xiàng)，AgNO3與氨水反應(yīng)先生成AgOH沉淀，再生成[Ag(NH3)2]＋；對(duì)于C項(xiàng)，F(xiàn)e3＋與KSCN反應(yīng)生成配離子，顏色發(fā)生改變；對(duì)于D項(xiàng)，CuSO4與氨水反應(yīng)先生成Cu(OH)2沉淀，再生成[Cu(NH3)4]2＋?！敬鸢浮緼關(guān)于化學(xué)式為[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O的配合物的下列說法正確的是(C)A．配位體是Cl－和H2O，配位數(shù)是8B．中心離子是Ti4＋，配離子是[TiCl(H2O)5]2＋C．內(nèi)界和外界中Cl－的數(shù)目比是12D．向1mol該配合物中加入足量AgNO3溶液，可以得到3molAgCl沉淀解析：配合物[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O，配體是Cl－和H2O，配位數(shù)是6，A項(xiàng)錯(cuò)誤；中心離子是Ti3＋，B項(xiàng)錯(cuò)誤；配合物[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O中內(nèi)界Cl－的個(gè)數(shù)為1，外界Cl－的個(gè)數(shù)為2，內(nèi)界和外界中Cl－的數(shù)目比是12，C項(xiàng)正確；加入足量AgNO3溶液，外界Cl－與Ag＋反應(yīng)，內(nèi)界Cl－不與Ag＋反應(yīng)，故只能生成2molAgCl沉淀，D項(xiàng)錯(cuò)誤。1．以下有關(guān)雜化軌道的說法中，錯(cuò)誤的是(B)A．ⅠA族元素成鍵時(shí)一般不能形成雜化軌道B．雜化軌道既可形成σ鍵，也可能形成π鍵C．孤電子對(duì)有可能占據(jù)雜化軌道D．s軌道和p軌道雜化不可能有sp4雜化解析：ⅠA族元素如果是堿金屬，易失電子，不能參加雜化，如果是H，一個(gè)電子在1s能級(jí)上也不可能雜化。雜化軌道只能形成σ鍵或者容納未參加成鍵的孤電子對(duì)，不可能形成π鍵，故B錯(cuò)。H2O分子中的氧原子采取的是sp3雜化，4個(gè)sp3雜化軌道有2個(gè)被孤電子對(duì)占用，故C正確。雜化前后原子軌道數(shù)目不變，sp4雜化需要5個(gè)原子軌道，但是同一能層中s能級(jí)和p能級(jí)一共只有4個(gè)原子軌道，所以s軌道和p軌道不可能有sp4雜化。2．氨氣分子空間構(gòu)型是三角錐形，而甲烷是正四面體形，這是因?yàn)?C)A．兩種分子的中心原子雜化軌道類型不同，NH3為sp2雜化，而CH4是sp3雜化B．NH3分子中N原子形成三個(gè)雜化軌道，CH4分子中C原子形成4個(gè)雜化軌道C．NH3分子中有一對(duì)未成鍵的孤電子對(duì)，它對(duì)成鍵電子的排斥作用較強(qiáng)D．氨氣分子是極性分子而甲烷是非極性分子解析：NH3和CH4兩種分子的中心原子都是sp3雜化，故A、B錯(cuò)誤；NH3分子中有一對(duì)未成鍵的孤電子對(duì)，占據(jù)一個(gè)空軌道，且它對(duì)成鍵電子排斥作用比成鍵電子對(duì)成鍵電子排斥作用更強(qiáng)，從而導(dǎo)致NH3分子空間構(gòu)型變?yōu)槿清F形；D中，跟分子的極性無(wú)關(guān)。3．下列分子中的中心原子雜化類型相同的是(B)A．CO2與SO2 B．CH4與NH3C．BeCl2與BF3 D．C2H4與C2H2解析：CO2中C原子為sp雜化，SO2中S原子為sp2雜化，故兩分子中的中心原子雜化類型不相同，A項(xiàng)不正確。CH4中C原子為sp3雜化，NH3中N原子也為sp3雜化，兩分子中的中心原子雜化類型相同，故B項(xiàng)正確。C選項(xiàng)中BeCl2中Be原子為sp雜化，BF3中B原子為sp2雜化，不符合題意。C2H4中C原子為sp2雜化，C2H2中C原子為sp雜化，兩分子中的中心原子雜化類型不相同，故D項(xiàng)不正確。4．在分子中，羰基碳原子與甲基碳原子成鍵時(shí)所采取的雜化方式分別為(C)A．sp2雜化；sp2雜化 B．sp3雜化；sp3雜化C．sp2雜化；sp3雜化 D．sp雜化；sp3雜化解析：羰基上的碳原子共形成3個(gè)σ鍵，為sp2雜化，兩側(cè)甲基中的碳原子共形成4個(gè)σ鍵，為sp3雜化。故選C。5．如圖所示是甲醛分子的模型。根據(jù)該圖和所學(xué)化學(xué)鍵知識(shí)回答下列問題：(1)甲醛分子中碳原子的雜化方式是sp2雜化，做出該判斷的主要理由是甲醛分子的立體結(jié)構(gòu)為平面三角形。(2)下列是對(duì)甲醛分子中碳氧鍵的判斷，其中正確的是②⑤(填序號(hào))。①單鍵；②雙鍵；③σ鍵；④π鍵；⑤σ鍵和π鍵。(3)甲醛分子中C—H鍵與C—H鍵間的夾角<(填“＝”“>”或“<”)120°，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是碳氧雙鍵中存在π鍵，它對(duì)C—H鍵的排斥作用較強(qiáng)。解析：(1)原子中的雜化軌道類型不同，分子的空間構(gòu)型也不同。由圖可知，甲醛分子為平面三角形，所以甲醛分子中的碳原子采取sp2雜化。(2)醛類分子中都含有羰基(C=O)，所以甲醛分子中的碳氧鍵是雙鍵。一般來(lái)說，雙鍵是σ鍵和π鍵的組合。(3)由于碳氧雙鍵中存在π鍵，它對(duì)C—H鍵的排斥作用較強(qiáng)，所以甲醛分子中C—H鍵與C—H鍵間的夾角小于120°。6．銅單質(zhì)及其化合物在很多領(lǐng)域都有著重要用途，如金屬銅可用來(lái)制造各項(xiàng)體育賽事的獎(jiǎng)牌、電線、電纜，膽礬可用作殺菌劑等。試回答下列問題。(1)已知Cu位于元素周期表第四周期第ⅠB族，則Cu原子的價(jià)電子排布式為3d104s1。(2)下列分子或離子中，能提供孤電子對(duì)與Cu2＋形成配位鍵的是D(填序號(hào)，下同)。①H2O②NH3③F－④CN－A．①② B．①②③C．①②④ D．①②③④(3)向盛有硫酸銅溶液的試管中加入氨水，首先形成難溶物，繼續(xù)加入氨水，難溶物溶解并得到深藍(lán)色的透明溶液。下列對(duì)此現(xiàn)象敘述正確的是(B)A．反應(yīng)后溶液中不存在任何沉淀，所以反應(yīng)前后C