高中化学人教版 (新课标)选修3 物质结构与性质第二章 分子结构与性质综合与测试教案设计

教学过程

一、          课堂导入

    在宏观世界中，花朵、蝴蝶、冰晶等诸多物质展现出规则与和谐的美。科学巨匠爱因斯坦曾感叹：“在宇宙的秩序与和谐面前，人类不能不在内心里发出由衷的赞叹，激起无限的好奇。”实际上，宏观的秩序与和谐源于微观的规则与对称。

通常，不同的分子具有不同的空间构型。例如，甲烷分子呈正四面体形、氨分子呈三角锥形、苯环呈正六边形。那么，这些分子为什么具有不同的空间构型呢?

二、复习预习

 请同学们回答以下问题：

（1）共价键概念，分类，特征

（2）键参数的概念，意义，以及常见分子构型

三、知识讲解

考点1：甲烷分子的空间构型

1．轨道杂化和杂化轨道

2．甲烷中碳原子的杂化类型

3．杂化轨道的类型

4．杂化轨道的特点

(1)形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。

(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的。

(3)杂化前后轨道数目不变。

(4)杂化后轨道伸展方向、形状发生改变。

(5)只有能量相近的轨道才能杂化(ns、np)。

5．分子空间构型的确定

6. 杂化轨道类型的判断

(1)对于ABm型分子、中心原子的杂化轨道数可以这样计算。   

杂化轨道数n＝。

其中配位原子中，卤素原子、氢原子提供1个价电子，硫原子、氧原子不提供价电子，即提供价电子数为0。

例如：

(2)离子的杂化轨道计算：

n＝(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数±电荷数)。

考点2：苯分子的空间构型与大π键

1．苯的空间构型

2．苯分子空间构型的解释

每个C原子的两个sp2杂化轨道上的电子分别与邻近的两个C原子的sp2杂化轨道上的电子配对形成σ键，六个碳原子组成一个正六边形的碳环；另外一个sp2杂化轨道上的电子与H原子的1s电子配对形成σ键。同时，六个C原子上剩余的2p轨道，以“肩并肩”的方式形成多原子、多电子的大π键。

故：

1．苯分子中C原子均以sp2杂化方式成键，形成夹角为120°的三个sp2杂化轨道，故为正六边形的碳环。

2．苯分子中苯环上的六个碳碳键的键长、键能均相同，不是单、双键交替形成。

3．由分子结构决定分子性质可知，苯分子不具有烯烃分子的某些特征性质，如能使溴水、酸性KMnO4溶液退色。

考点3：分子的对称性

1．对称分子

⑴概念

依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子。

⑵性质

具有对称性。

⑶与分子性质的关系

分子的极性、旋光性及化学性质都与分子的对称性有关。

2．手性分子

⑴手性

一种分子和它在镜中的像，就如同人的左手和右手，相似而不完全相同，即它们不能重叠。

⑵手性分子

具有手性的分子。一个手性分子和它的镜像分子构成一对异构体，分别用D和L标记。

⑶手性碳原子

四个不同的原子或原子团连接的碳原子。

⑷应用

①手性分子缩合制蛋白质和核酸。

②分析药物有效成分异构体的活性和毒副作用。

③药物的不对称合成。

考点4：分子的极性

1．极性分子与非极性分子

2．分子极性的判断

3.  等电子原理

i．内容：化学通式相同且价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间构型和化学键类型等结构特征。

ii．应用：(1)判断一些简单分子或离子的空间结构。

①SO、PO等离子具有AX4通式，价电子总数为32，中心原子采取sp3杂化，呈四面体空间构型。

②SO、PO等离子具有AX3通式，价电子总数为26，中心原子采取sp3杂化，由于存在一对孤对电子，分子空间构型呈三角锥形。

(2)利用等电子体在性质上的相似性制造新材料。

(3)利用等电子原理针对某物质找等电子体。

考点5：分子的极性与分子空间构型

四、例题精析

【例题1】在中，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是(　　)

A．sp2　sp2   B．sp3　sp3

C．sp2　sp3   D．sp1　sp3

【答案】C  

【解析】中碳原子形成了3个σ键，无未成键价电子对，需要形成3个杂化轨道，采用的杂化方式是sp2。两边的碳原子各自形成了4个σ键，无未成键电子对，需要形成4个杂化轨道，采用的是sp3杂化。

【例题2】下列关于苯分子的性质描述错误的是  (　　)

A．苯分子呈平面正六边形，六个碳碳键完全相同，键角皆为120°

B．苯分子中的碳原子采取sp2杂化，6个碳原子中未参与杂化的2p轨道以“肩并肩”形式形成一个大π键

C．苯分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊类型的键

D．苯能使溴水和酸性KMnO4溶液退色

【答案】D

【解析】苯分子中的碳原子采取sp2杂化，六个碳碳键完全相同，呈平面正六边形结构，键角皆为120°；在苯分子中间形成一个较稳定的六电子大π键，因此苯分子中的碳碳键并不是单、双键交替结构，不能使溴水和酸性KMnO4溶液退色。

【例题3】有机物具有手性，发生下列反应后，生成的分子仍有手性的是(　　)

①与H2发生加成反应　②与乙酸发生酯化反应　③发生水解反应　④发生消去反应

A．①②   B．②③

C．①④   D．②④

【答案】B

【解析】原有机物中与—OH相连的碳原子为手性碳原子，与H2加成后，该碳原子连有两个乙基，不再具有手性；与乙酸发生酯化反应后，该碳原子所连四个取代基不同，仍具有手性；发生水解反应后，该碳原子所连四个取代基也不同，仍具有手性；当发生消去反应时，原手性碳原子生成双键后不再具有手性。故选B项。

【例题4】下列说法正确的是(　　)

A．由极性键构成的分子都是极性分子

B．含非极性键的分子一定是非极性分子

C．极性分子一定含有极性键，非极性分子一定含有非极性键

D．以极性键结合的双原子分子一定是极性分子

【答案】D

【解析】由极性键构成的分子若空间构型均匀对称，则分子是非极性分子，A项说法错误；含非极性键的分子也可能含有极性键，分子也可能是极性分子，如CH3CH2OH等，B项说法错误；CO2是由极性键形成的非极性分子，C项说法错误；以极性键结合的双原子分子都是极性分子，D项说法正确。

【例题5】下列各组微粒属于等电子体的是(　　)

A．12CO2和14CO B．H2O和NH3

C．NO＋和CN－ D．NO和CO

【答案】　C

【解析】　根据等电子体的条件①原子总数相同，②最外层电子数之和相等判断，NO＋和CN－属于等电子体。

五、课程小结

1．了解典型的分子空间构型，能够制作典型分子的空间模型。

2．了解杂化轨道理论，掌握常见的杂化轨道类型。

3．能够应用杂化轨道理论解释典型分子的空间构型。

4．知道手性分子的概念，会判断手性碳原子。

5．了解等电子原理。

6．了解分子的手性以及手性分子在生产、生活和医疗中的应用。

7．了解分子的极性以及分子的极性与共价键的极性、分子的空间结构之间的关系。

六、课堂运用

1．能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为(　　)

【答案】　D

【解析】　碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同。

2．指出下列原子的杂化轨道类型及分子的结构式、空间构型。

 (1)CO2分子中的C为_____杂化，分子的结构式为_____，空间构型为___；

(2)CH2O分子中的C为________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________；

(3)CF4分子中的C为________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________；

(4)H2S分子中的S为________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________。

【答案】　(1)sp1　O===C===O　直线形

(2)sp2　　平面三角形

(3)sp3　　正四面体形

(4)sp3　H—S—H　V形

【解析】　解答本题应首先通过资料或所学知识掌握各分子的杂化轨道类型或分子空间构型，然后再推断其他问题。杂化轨道类型决定了分子(或离子)的空间构型，如sp2杂化轨道的键角为120°，空间构型为平面三角形。因此，也可根据分子的空间构型确定分子(或离子)中杂化轨道的类型，如CO2为直线形分子，因此分子中杂化轨道类型为sp1杂化。

3．如下图中两分子的关系是(　　)

A．互为同分异构体   B．是同一种物质

C．是手性分子   D．互为同系物

【答案】　B

【解析】　本题很容易看成为镜面对称结构而选择手性分子，但根据手性分子的判断方法，根本找不到手性碳原子，所以不是手性分子；分子相同，构型相同，是同一种物质。

4．在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2分子中：

(1)以非极性键结合的非极性分子是________；

(2)以极性键结合的具有直线形结构的非极性分子是________________；

(3)以极性键结合的具有正四面体形结构的非极性分子是_____________；

(4)以极性键结合的具有三角锥形结构的极性分子是_______________；

(5)以极性键结合的具有sp3杂化轨道结构的分子是__________________。

【答案】　(1)N2　(2)CS2　(3)CH4　(4)NH3　(5)NH3、H2O、CH4

【解析】　HF是含有极性键的双原子分子，为极性分子；H2O中氧原子采取sp3杂化方式，与H原子形成极性键，为极性分子；NH3中有极性键，N原子采取sp3杂化，三角锥形结构；CS2与CO2相似，极性键、直线形非极性分子；CH4中C原子采取sp3杂化方式与H原子形成极性键，正四面体构型，非极性分子；N2是由非极性键结合的非极性分子。

5．1919年，Langmuir提出等电子原理：原子数相同、电子总数相同的分子，互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。

(1)根据上述原理，仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是：________和________；________和________。

(2)此后，等电子原理又有所发展。例如，由短周期元素组成的粒子，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体，它们也具有相似的结构特征。由短周期元素组成的物质中，与NO互为等电子体的分子有________。

【答案】　(1)N2　CO　N2O　CO2　(2)SO2、O3

【解析】　(1)仅由第二周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，N2与CO均为14个电子，N2O与CO2均为22个电子，符合题意。

(2)依据等电子原理的发展，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和也相同，即可互称等电子体，NO是三原子构成的离子，其外层电子数(即价电子)之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也是三原子，价电子总数为6×3＝18