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1、大学实验化学 共价键与分子间力难题解析 TOP 例10-1 试用杂化轨道理论说明乙烯分子的形成及其构型。分析 根据杂化轨道理论，形成乙烯分子时，C原子的价层电子要杂化。共价键形成时，键在成键两原子间能单独存在，且只存在一个；p键在成键两原子间不能单独存在，但可存在多个。乙烯分子中C原子的4个价电子分别与其它原子形成三个键，C、C原子间的双键中有一个是键。三个键决定分子构型，因此C原子有三个原子轨道参与杂化，形成三个等性杂化轨道。解 乙烯分子C2H4中有2个C原子和4个H原子，每个基态C原子的价层电子组态为2s2 2p2，在形成乙烯分子的过程中，1个2s电子被激发到2p空轨道上，然后1个2s轨道
2、和2个2p轨道杂化形成3个等同的sp2杂化轨道，彼此间夹角为120。每个C原子的2个sp2杂化轨道各与1个H原子的1s轨道重叠形成2个CH 键；2个C原子间各以1个sp2杂化轨道互相重叠，形成1个键。 由于2个C原子的这6个sp2杂化轨道处于同一平面，未参与杂化的2pz轨道则垂直于该平面， “肩并肩” 重叠形成1个键，构成CC双键。乙烯分子中6个原子在一个平面上，分子呈平面构型。例10-2 利用价层电子对互斥理论预测的空间构型。分析 先确定中心原子的价电子对数，中心原子提供7个电子，配位提供1个电子，加上负离子的电荷数，得价层电子数的总和再除以2。然后根据价层电子对构型和孤对电子决定的空间构型
3、。解 中有3个I原子，我们可将其中1个I作为中心原子，其余2个作为配位体。中心原子I有7个价电子，2个配位I原子各提供1个电子，离子的负电荷数为1，所以中心原子的价电子对数为 (7+2+1)/25 。价层电子对构型为三角双锥，因配位原子数为2，说明价层电子对中有2对成键电子对和3对孤对电子，以3对孤对电子处在三角双锥的三角形平面上排斥能最小，所以为直线型。例10-3 试用分子轨道理论比较CO和N2的成键类型和键级。分析 异核双原子分子的原子序数和14时，则符合分子轨道能级图10-13（b）的能级顺序；14时，则符合分子轨道能级图10-13 (a)的能级顺序。解 CO分子中的电子总数为14，和N
4、2分子中的一样多，故CO和N2具有完全相同的分子轨道电子排布式、成键类型和键级。它们的分子轨道式为 键级 这样的分子称为等电子体，它们具有某些相近的性质。如N2的熔点和沸点分别为63K和77K，CO的熔点和沸点分别为74K和81K。 例10-4 下列说法是否正确？说明理由。(1) 非极性分子中不含极性键。(2) 直线型分子一定是非极性分子。(3) 非金属单质的分子间只存在色散力。(4) 对羟基苯甲醛的熔点比邻羟基苯甲醛的熔点高。解 (1) 说法不正确。有的分子含极性键，但空间构型完全对称，键的极性可以相互抵消，因而是非极性分子。(2) 说法不正确。双原子分子都是直线型，同核双原子分子化学键无极
5、性，分子为非极性；异核双原子分子化学键有极性，分子为极性。多原子直线型分子中，若配体由相同原子形成，其空间构型对称，偶极距为零，分子为非极性。如CO2：O=C=O。而配体由不同原子所形成，其空间构型不对称，偶极距不为零，为极性分子。如HCN。(3) 说法不正确。非金属单质分子通常是非极性分子，分子间的作用力通常为色散力。但臭氧(O3) 分子的空间构型为V形，0，为极性分子，故分子之间存在取向力、诱导力和色散力。(4) 说法正确。对羟基苯甲醛存在着分子间氢键，而邻羟基苯甲醛存在着分子内氢键，对羟基苯甲醛分子间的作用力远大于邻羟基苯甲醛分子间的作用力，熔化对羟基苯甲醛时必须消耗额外的能量去破坏分子
6、间氢键，故对羟基苯甲醛的熔点高于邻羟基苯甲醛的熔点。例10-5 某一化合物的分子式为AB2，A属第六主族元素，B属第七主族元素，A和B在同一周期，它们的电负性值分别为3.44和3.98 。试回答下列问题：(1) 已知AB2分子的键角为10318，推测AB2分子的中心原子A成键时采取的杂化类型及AB2分子的空间构型。(2) A-B键的极性如何？AB2分子的极性如何？(3) AB2分子间存在哪些作用力？（4）AB2 与H2O相比，何者的熔点、沸点较高？解 (1) 根据A、B的电负性值，可判断A元素为O，B元素为F，该分子为OF2 。根据键角10318，知道该分子中O原子以不等性sp3杂化轨道与F原
7、子成键，两个单电子sp3杂化轨道各与1个F原子的单电子2p轨道重叠形成键，余下的2个sp3杂化轨道各被1对孤对电子占据，对成键电子对产生较大的排斥，致使键角压缩（10928），故OF2分子的空间构型为“V”形。(2) OF键为极性共价键。OF2分子中键的极性不能抵消，为极性分子。(3) OF2分子间存在取向力、诱导力及色散力，其中色散力是主要的。(4) OF2分子中无H原子，分子间不能形成氢键，而H2O分子间能形成氢键，故OF2的熔点、沸点比H2O的低。学生自测题 TOP 判断题 选择题 填空题 问答题一、判断题（对的打，错的打）1. 原子形成的共价键数目可以超过该基态原子的单电子数。 ( )
8、2. 一般来说，共价单键是键，在共价双键或叁键中只有1个键。 ( )3. 氢键是有方向性和饱和性的一类化学键。 ( )4. 超分子化合物的分子之间是以共价键结合的。 ( )5. BF3分子中，B原子的s轨道与F原子的p轨道进行等性sp2杂化，分子的空间构型为平面三角形。 ( )二、选择题（将每题一个正确答案的标号选出） TOP 1. 下列理论或概念：a. 原子轨道能级图 b. 测不准原理 c. 电负性 d. 杂化轨道理论，与美国化学家Pauling L无关的是 ( )A. a B. b C. c D.d E. a b2. 下述说法错误的是 ( )A. 原子形成的共价键数目等于该基态原子的未成对
9、电子数B.键是构成分子的骨架，键不能单独存在C. 共价键具有饱和性和方向性 D. 按原子轨道重叠方式，共价键可分为键和键E. 键比键牢固3. 关于PF5分子的极性和键的极性，下列说法正确的是 ( )A. 键和分子都是极性的 B. 键和分子都是非极性的C. 键是极性的，分子是非极性的 D. 键是非极性的，分子是极性的E. 以上说法都不对4. H2S分子的空间构型和中心原子S的杂化类型分别为 ( )A. 直线形，sp杂化 B. 平面三角形，sp2杂化C. 四面体形，sp3杂化 D. V字形， sp2杂化EV字形，不等性sp3杂化5. 下列分子或离子有顺磁性的是 ( ) A. N2 B. C. NO
10、 D. F2 E. CO三、填空题 TOP1. 共价键的本质是 (1) ，但因这种结合力是两核间的电子云密集区对两核的吸引力，而不是正、负离子间的库仑引力，所以它不同于一般的静电作用。2. 根据成键电子来源，共价键可分为正常共价键和 (2) 。3. 关于共价键的两大理论为 (3) 和 (4) 。四、问答题 TOP1. 实验证明，臭氧离子的键角为100，试用VSEPR理论解释之，并推测其中心原子的杂化轨道类型。(4分)2. 氧元素与碳元素的电负性相差较大，但CO分子的偶极矩很小，CO2分子的偶极矩为零。为什么？(4分)学生自测答案 TOP一、判断题1. 2. 3. 4. 5. 二、选择题1. B
11、 2. A 3. C 4. E 5. C三、填空题1. (1)电性的2. (2)配位键3. (3)现代价键理论，(4)分子轨道理论四、问答题1. 根据VSEPR理论，的中心原子O的价层电子对为3. 5(按4对处理)，价层电子对构型为四面体。成键电子对 (等于配位原子数)为2，孤对电子对为2，2对孤对电子间相互排斥，使得O-O-O = 100 109o28。不等性sp3杂化。2. CO的结构为 ，分子中存在1个s键，1个正常键和1个配位键。由于配位键是由O原子提供共用电子对形成的，抵消了O元素与C元素电负性相差较大而产生的电偶极矩，因此CO分子的电偶极矩很小。若单从O和C的电负性考虑，CO分子的
12、负电重心应偏向O原子一侧，但实验事实是CO分子的负电重心偏向C原子一侧，合理的解释也是形成配位键的缘故，C原子的1个2p空轨道接受O原子的1对电子，从而使得分子的负电重心偏向C原子。CO2是直线形分子，虽然键为极性键，但由于分子结构对称，正、负电荷中心重合，因此CO2分子的电偶极矩为零。章后习题解答 TOP习题 1. 区别下列名词：（1）键和键 （2）正常共价键和配位共价键（3）极性键和非极性键 （4）定域键和离域键（5）等性杂化和不等性杂化 （6）成键轨道和反键轨道(7) 永久偶极和瞬间偶极 （8）van der Waals力和氢键解 （1）键是指两个原子的原子轨道沿键轴方向以“头碰头”方式
13、重叠所形成的共价键；而键是指两个原子轨道垂直于键轴以“肩并肩”方式重叠所形成的共价键。（2）正常共价键是指成键的两个原子各提供一个电子组成共用电子对所形成的化学键；而配位共价键是指成键的一个原子单独提供共用电子对所形成的共价键。（3）极性键是指由电负性不同的两个原子形成的化学键；而非极性键则是由电负性相同的两个原子所形成的化学键。（4）定域p键属双中心键，是成键两原子各提供一个p轨道“肩并肩”重叠而成，成键电子仅在提供重叠轨道的两个原子之间运动；离域p键则为多中心键，是由多个原子提供的p轨道平行重叠而成，离域轨道上的电子在多个原子区域内运动。（5）等性杂化是指所形成的杂化轨道的能量完全相等的杂
14、化；而不等性杂化是指所形成的杂化轨道的能量不完全相等的杂化。（6）成键轨道是指两个原子轨道相加叠加而成的分子轨道，其能量比原来的原子轨道低；而反键轨道是指两个原子轨道相减叠加而成的分子轨道，其能量比原来的原子轨道高。（7）永久偶极是指极性分子的正、负电荷重心不重合，分子本身存在的偶极；瞬间偶极是指由于分子内部的电子在不断地运动和原子核在不断地振动，使分子的正、负电荷重心不断发生瞬间位移而产生的偶极。（8）van der Waals力是指分子之间存在的静电引力；而氢键是指氢原子与半径小，电负性大的原子以共价键结合的同时又与另一个半径小、电负性大的原子的孤对电子之间产生的静电吸引力。氢键的作用力比van der Waals力强。2. 共价键为什么具有饱和性和方向性?解 根据Pauli不相容原理，一个轨道中最多只能容纳两个自旋方式相反的电子。因此，一个原子中有几个单电子，就可以与几个自旋方式相反的单电子配对成键。即一个原子形成的共价
