人教版 (2019)选择性必修2第四节 配合物与超分子学案设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修2第四节 配合物与超分子学案设计，共18页。学案主要包含了配合物，超分子等内容，欢迎下载使用。
必备知识·自主学习
一、配合物
1．配位键
由一个原子单方面提供孤电子对，而另一个原子提供空轨道而形成的共价键，即“电子对给予——接受”键，是一类特殊的共价键。
2．配位化合物
(1)定义：金属离子或原子(称为中心离子或原子)与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物，简称配合物。
(2)配合物的形成举例
(情境思考)在血液中，氧气的输送是由血红蛋白来完成的。载氧前，血红蛋白中Fe2＋与卟啉环中的四个氮原子和蛋白质链上咪唑环的氮原子均通过配位键相连。此时，Fe2＋没有嵌入卟啉环平面，而是位于其上方约0.08 nm处。载氧后，氧分子通过配位键与Fe2＋连接，使Fe2＋滑入卟啉环中。
由于一氧化碳分子也能通过配位键与血红蛋白中Fe2＋结合，并且结合能力比氧气分子与Fe2＋的结合能力要强得多，从而导致血红蛋白失去载氧能力。当一氧化碳的浓度超过一定量时，会导致人体因缺氧而中毒。
(1)根据生活常识，比较说明其配合物的稳定性。
提示：血红蛋白中Fe2＋与CO形成的配合物更稳定。
(2)还有哪种氧化物也可与血红蛋白中的Fe2＋结合？
提示：NO中毒原理同CO。
二、超分子
1．超分子
超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。
2．超分子的应用
(1)分离C60和C70
将C60和C70的混合物加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”中，得到超分子“杯酚”C60和C70；加入甲苯溶剂，甲苯将C70溶解，经过滤后分离出C70；再向不溶物中加入氯仿，氯仿溶解“杯酚”而将不溶解的C60释放出来并沉淀。从而将C60和C70分离开来。
(2)冠醚识别碱金属离子
冠醚分子中有大小不同的空穴适配不同大小的碱金属离子，而形成冠醚—碱金属离子超分子。
3．超分子的重要特征：分子识别和自组装。
关键能力·合作学习
知识点一 配位键
1．配位键的概念
配位键是一种特殊的共价键。提供孤电子对的原子与接受孤电子对的原子之间形成的共价键。
2．配位键的形成条件
(1)成键原子一方能提供孤电子对。如分子有NH3、H2O、HF、CO等；离子有
Cl－、OH－、CN－、SCN－等。
(2)成键原子另一方能提供空轨道。如H＋、Al3＋、B及过渡金属的原子或离子。
(3)配位键同样具有饱和性和方向性。一般来说，多数过渡金属的原子或离子形成配位键的数目是基本不变的，如Ag＋形成2个配位键；Cu2＋形成4个配位键等。
3．配位键的表示方法
用箭头“―→”来表示孤电子对的共用情况，其中箭头由提供孤电子对的配位体指向提供空轨道的中心离子。
4．配位键的稳定性
(1)电子对给予体形成配位键的能力：NH3 > H2O。
(2)接受体形成配位键的能力：H＋＞过渡金属＞主族金属。
(3)配位键越强，配合物越稳定。如
(1)NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 中的配位键与其他三个N—H的键参数是否相同？
提示：相同。NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 可看成NH3分子结合1个H＋后形成的，NH3的中心原子氮采取sp3杂化，孤电子对占据一个轨道，3个未成键电子占据另3个杂化轨道，分别结合3个H原子形成3个σ键，由于孤电子对的排斥，所以空间结构为三角锥形，键角压缩至107°。但当有H＋时，N原子的孤电子对会进入H＋的空轨道，以配位键形成NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ，这样N原子就不再存在孤电子对，键角恢复至109°28′，故NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 为正四面体形，4个N—H完全一致，配位键与普通共价键形成过程不同，但性质相同。
(2)共价键有饱和性，但NH3为什么仍能与H＋结合生成NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 呢？
提示：NH3有孤电子对，H＋有空轨道，NH3中的孤电子对进入H＋的空轨道，两者共用形成化学键。
(3)配位键中提供孤电子对的物质通常是哪些？
提示：提供孤电子对通常是含ⅤA、ⅥA、ⅦA元素的分子或离子。如NH3、CO、H2O、F－、Cl－、OH－、CN－、SCN－等。
(4)配位键中提供空轨道的物质通常是哪些？
提示：H＋、B、Al；过渡金属的离子或原子Cu2＋、Fe2＋、Ag＋、Zn2＋等。
【典例】以下微粒含配位键的是( )
①N2H eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) ②CH4 ③OH－ ④NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ⑤Fe(CO)5
⑥Fe(SCN)3 ⑦H3O＋ ⑧[Ag(NH3)2]OH
A．①④⑤⑥⑦⑧ B．①②④⑦⑧
C．①③④⑤⑥⑦ D．全部
【思维建模】解答有关配位键的理解和判断问题的思维流程如下：
【解析】选A。①N2H eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 中有一个H＋与一个N原子间形成配位键；②CH4中4个H原子与C原子间形成共价单键，不存在配位键；③OH－中O与H间形成共价键，不存在配位键；④NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 中有1个H＋与N原子间形成配位键；⑤Fe(CO)5中配位体CO与中心原子Fe之间形成配位键；⑥Fe(SCN)3中配位体SCN－与Fe3＋间形成配位键；⑦H3O＋中有1个H＋与O原子间形成配位键；⑧[Ag(NH3)2]OH中配位体NH3与Ag＋间形成配位键。综合以上分析，①④⑤⑥⑦⑧中都存在配位键。
【母题追问】(1)写出N2H eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 的结构式。
提示：
(2)H3O＋中O的杂化类型是什么？H3O＋的空间构型是什么？
提示：sp3 三角锥形
(3)[Ag(NH3)2]OH是强碱还是弱碱？
提示：强碱。
1．(2021·大连高二检测)如图为酞菁钴分子的结构简式。下列说法不正确的
是( )
A.电负性：N>C>H
B．4个N原子均与C形成配位键
C．分子中C的杂化轨道类型为sp2
D．结构中存在σ键、π键
【解析】选B。同一周期电负性逐渐增强，碳的电负性大于氢的电负性，则电负性：N>C>H，故A不选；4个N原子中只有两个氮原子形成三个σ键，可以提供孤电子对，与C形成配位键，故B选；根据分子结构，碳氮双键和苯环结构中，碳原子杂化轨道类型均为sp2，故C不选；酞菁钴分子中有单键和双键，结构中存在σ键、π键，故D不选。
2.美国科学家卡尔·克里斯特于1998年11月合成和分离出了高能量的含N eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 正离子的化合物N5AsF6，由于其具有极强的爆炸性，又称为“盐粒炸弹”。该离子实际上是带正电荷的分子碎片，结构呈“V”形，如图所示5个N排成V形，且都达到8电子结构：
(1)N eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 中质子数为________，电子数为________。
提示：35 34
(2)N eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 中含有的化学键类型有________。
提示：非极性键和配位键
(3)N eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 的电子式为________。
提示：
(4)N eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(5)) 中可能含有______个σ键，________个π键，________对孤电子对。
提示：4 4 4
知识点二 配合物
1．配合物的概念
把金属离子或原子(称为中心离子或原子)与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物称为配位化合物，简称配合物。如[Cu(NH3)4]SO4、[Ag(NH3)2]OH、NH4Cl等均为配合物。
2．配合物的组成
配合物由中心原子或离子(提供空轨道)和配体(提供孤电子对)组成，分成内界和外界。如[Cu(NH3)4]SO4可表示为
(1)中心原子或离子：配合物的中心离子一般都是带正电的阳离子，过渡金属离子最常见。
(2)配体：配体可以是阴离子，如X－(卤素离子)、OH－、SCN－、CN－等；也可以是中性分子，如H2O、NH3、CO等。
(3)配位原子：是指配体中直接同中心离子配合的原子，如NH3中的N原子、H2O分子中的O原子。
(4)配位数：直接同中心离子(或原子)配位的原子的数目叫中心离子(或原子)的配位数，如[Cu(NH3)4]2＋的配位数为4。
配合物的组成
(1)有的配合物没有外界。如五羰基合铁Fe(CO)5、四羰基合镍Ni(CO)4。
(2)有的配合物有多种配体。如[Cu(NH3)2(H2O)2] SO4、
[C(SO4)(NH3)5]Br、[C(NH3)5Br]SO4。
3．配合物的稳定性
配合物具有一定的稳定性。配合物中的配位键越强，配合物越稳定。当作为中心原子的金属离子相同时，配合物的稳定性与配体的性质有关。
4．配合物形成时性质的改变
(1)颜色的改变，如Fe(SCN)3的形成；
(2)溶解度的改变，如AgCl沉淀可溶于氨水得到[Ag(NH3)2]＋。
(1)配位数和配体数有什么区别？
提示：配位数是直接与中心离子结合的配位原子数目，而配体数是配合物中配体的数目。例如一水合甘氨酸锌中配位数为5，配体数为3。
(2)配合物在溶液中怎样电离？
提示：配合物中外界离子能电离出来，而内界离子不能电离出来，通过实验及其数据可以确定内界和外界离子的个数，从而可以确定其配离子、中心离子和配位体。
(3)NH3和BF3可以通过配位键形成NH3·BF3，试分析提供孤电子对、空轨道的分别是哪种原子？你能写出NH3·BF3的结构式吗？
提示：N原子提供孤电子对，B原子提供空轨道，NH3·BF3的结构式可表示为。
【典例】(2021·西安高二检测)配位化合物广泛应用于物质分离、定量测定、医药、催化等方面。利用氧化法可制备某些配位化合物。2CCl2＋2NH4Cl＋8NH3＋H2O2===2[C(NH3)5Cl]Cl2＋2H2O下列说法正确的是( )
A．该配位化合物的配位数为5
B．提供孤电子对的成键原子是N和Cl
C．[C(NH3)5Cl]2＋中存在配位键、共价键和离子键
D．氧化剂H2O2是非极性分子
【解题指南】解答本题需要注意理解以下两个方面：
(1)配合物的组成；
(2)配合物中配体、配位数及所含化学键的判断。
【解析】选B。由[C(NH3)5Cl]Cl2配位化合物可知，内界为[C(NH3)5Cl]2＋，
C3＋为中心离子，5个NH3和1个Cl－是配体，该配位化合物的配位数为5＋1＝6，故A错误；在[C(NH3)5Cl]2＋配合物离子中，中心离子C3＋提供空轨道，配体NH3中N原子和配体Cl－中Cl原子提供孤电子对，故B正确；
[C(NH3)5Cl]2＋中氨气分子内存在N—H共价键，C3＋与氨分子之间形成配位键，C3＋与Cl－之间也形成配位键，则[C(NH3)5Cl]2＋中有配位键、共价键，故C错误；H2O2分子不是直线形的，两个氢原子在犹如半展开的书的两页上，氧原子则在书的夹缝上，如，分子结构不对称，正负电荷中心不重合，为极性分子，故D错误。
【母题追问】(1)[C(NH3)5Cl]Cl2在水溶液中可电离出什么离子？
提示：[C(NH3)5Cl]2＋、Cl－。
(2)1 ml [C(NH3)5Cl]Cl2与足量AgNO3溶液反应，生成沉淀的物质的量是多少？
提示：2 ml。
1．(2021·兰州高二检测)关于[Cr(H2O)4Cl2]Cl的说法正确的是( )
A．中心原子的化合价为＋2价
B．配位数是6
C．配体为水分子，外界为Cl－
D．在其水溶液中加入AgNO3溶液，不产生白色沉淀
【解析】选B。[Cr(H2O)4Cl2]Cl中阴离子是氯离子，氯离子的化合价是－1价，所以铬离子的化合价是＋3价，A错误；中心原子铬与4个水分子和2个氯离子结合形成配位离子，故Cr的配位数为6，B正确；[Cr(H2O)4Cl2]Cl中配体为水分子和氯离子，外界为Cl－，C错误；[Cr(H2O)4Cl2]Cl的外界为Cl－，在其水溶液中加入AgNO3溶液，会产生氯化银白色沉淀，D错误。
2．(2021·全国乙卷节选)过渡金属元素铬(Cr)是不锈钢的重要成分，在工农业生产和国防建设中有着广泛应用，回答下列问题：
(1)对于基态Cr原子，下列叙述正确的是________(填标号)。
A．轨道处于半充满时体系总能量低，核外电子排布应为[Ar]3d54s1
B．4s电子能量较高，总是在比3s电子离核更远的地方运动
C．电负性比钾高，原子对键合电子的吸引力比钾大
(2)三价铬离子能形成多种配位化合物。
[Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2＋中提供电子对形成配位键的原子是________________，中心离子的配位数为__________。
(3)[Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2＋中配体分子NH3、H2O以及分子PH3的空间结构和相应的键角如图所示。
PH3中P的杂化类型是__________。NH3的沸点比PH3的__________，原因是____________________________。H2O的键角小于NH3的，分析原因________________________________________________。
【解析】(1)24号铬元素的电子排布式为
1s22s22p63s23p63d54s1；A.根据洪特规则的特例，原子轨道处于半充满状态时能量低，稳定，则铬原子的简化的核外电子排布应为[Ar]3d54s1，故A正确；电子层是距离原子核由近到远排列的，则多电子原子中电子离核的平均距离4s>3s，离原子核越远，层数越大，能量越高，4s电子在4s区域出现的几率多，但不总是在比3s电子离核更远的区域运动，故B错误；C.钾原子对键合电子的吸引力小，易失电子；而铬原子对键合电子的吸引力强，不易失电子，电负性比钾大，故C正确。(2)金属铬离子提供空轨道，Cr3＋与3个NH3、2个H2O、1个Cl－形成配位键，则提供电子对形成配位键的原子是N、O、Cl，配位数为6。(3)PH3中磷原子形成3个σ键，有1对孤电子对，则P的杂化类型是sp3杂化；NH3的分子间形成了氢键，而PH3中没有氢键的存在，氢键使物质的沸点升高，则NH3的沸点比PH3的高；H2O中氧原子形成2个σ键，有2对孤电子对；NH3中氮原
子形成3个σ键，有1对孤电子对，VSEPR模型都为四面体构型，由于孤电子对间排斥力＞孤电子对和成对电子对间的排斥力＞成对电子对间的排斥力，所以H2O的键角小于NH3的键角。
答案：(1)AC (2)N、O、Cl 6
(3)sp3 高 NH3的分子间形成了氢键 H2O和NH3的VSEPR模型都为四面体构型，H2O有2对孤电子对、NH3有1对孤电子对，孤电子对间排斥力＞孤电子对和成对电子对间的排斥力＞成对电子对间的排斥力
三言两语话重点
1．配位键的形成条件是一个成键原子有孤电子对，另一个成键原子(或离子)有空轨道。配位键是共价键的一种。
2．形成配合物的中心原子(或离子)通常是过渡元素的原子或离子，如Cu2＋、
Zn2＋、Ag＋、C、Fe等。
3．[Cu(NH3)4]2＋的结构为。
4．配合物的组成分为内界与外界，如[TiCl(H2O)5]Cl2中内界为[TiCl(H2O)5]2＋，配位数为6，外界为Cl－。
5．超分子是由两种或两种以上分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体，“超分子”既可以是分子，也可以是离子。
6．超分子的重要特征是分子识别和自组装。
课堂检测·素养达标
1．(2021·宝鸡高二检测)下列关于配合物的说法中不正确的是( )
A．许多过渡金属离子对多种配体具有很强的结合力，因而过渡金属配合物远比主族金属配合物多
B．配合物中中心离子与配体间、配离子与酸根离子间都是以配位键结合
C．配离子中中心离子提供空轨道，配体提供孤电子对
D．中心离子所结合配体的个数称为配位数，不同离子的配位数可能不同
【解析】选B。许多过渡元素金属离子对多种配体具有很强的结合力，因而过渡金属配合物远比主族金属的配合物多，A项正确；配合物中中心离子与配体间是以配位键结合，配离子与酸根离子间是以离子键结合，B项错误；配合物中中心离子提供空轨道，配体提供孤电子对，C项正确；配位数指形成配离子时配体的个数，不同离子的配位数可能相同也可能不同，D项正确。
2.(2021·绵阳高二检测)某化合物的结构示意图如图，下列关于该化合物的叙述中正确的是( )
A．该化合物只含有H、N、O、Ni四种元素
B．该化合物是配合物，中心离子的配位数是2，配体是氮元素
C．该化合物属于配合物，中心离子是Ni离子
D．该化合物不属于配合物，而是属于高分子化合物
【解析】选C。由图可知，结构中含有C、H、N、O、Ni五种元素，故A错误；该物质中，Ni2＋提供空轨道，氮原子提供孤电子对而形成配位键，所以该物质属于配合物，中心离子为Ni2＋，中心离子的配位数是4，配体是氮元素，故B错误；Ni2＋含有空轨道，N原子含有孤电子对，N原子与Ni2＋形成配位键，中心离子是Ni离子，故C正确；由该化合物的结构示意图可知：N元素连接的氧原子与氧元素连接H原子之间形成氢键，N原子与Ni原子之间形成配位键，该化合物属于配合物，该化合物的分子式为C8H14O4N4Ni，相对分子质量较小，不属于高分子化合物，故D错误。
3．(2021·成都高二检测)向盛有硫酸铜水溶液的试管里逐滴加入氨水，首先形成蓝色絮状沉淀，继续滴加氨水，沉淀溶解得到深蓝色的透明溶液。下列对此现象说法正确的是( )
A．向反应后的溶液加入乙醇，溶液不会有变化，因为[Cu(NH3)4]2＋不会与乙醇发生反应
B．沉淀溶解后，将生成深蓝色的配合离子[Cu(NH3)4]2＋
C．用硝酸铜溶液代替硫酸铜溶液进行实验，不能观察到同样的现象
D．在[Cu(NH3)4]2＋中，Cu2＋给出孤电子对，NH3提供空轨道
【解析】选B。[Cu(NH3)4]SO4在乙醇中的溶解度小于在水中的溶解度，向溶液中加入乙醇后会析出蓝色晶体[Cu(NH3)4]SO4·H2O，A错误；氢氧化铜和氨水继续反应生成深蓝色的配合离子[Cu(NH3)4]2＋，B正确；用硝酸铜溶液代替硫酸铜溶液进行实验，硝酸铜中铜离子和氨水反应现象与硫酸铜中铜离子和氨水反应现象相同，能观察到同样的现象，C错误；在[Cu(NH3)4]2＋中，Cu2＋提供空轨道，NH3给出孤电子对，D错误。
【补偿训练】
关于配合物[Zn(NH3)4]Cl2的说法正确的是( )
A．配位数为6
B．配体为NH3和Cl－
C．[Zn(NH3)4]2＋为内界
D．Zn2＋和NH3以离子键结合
【解析】选C。配合物[Zn(NH3)4]Cl2中外界是Cl－内界是[Zn(NH3)4]2＋，Cl－和[Zn(NH3)4]2＋以离子键结合，[Zn(NH3)4]2＋ 离子中Zn2＋是配离子，NH3是配位体，Zn2＋和NH3以配位键结合，配位数为4。
4．(2021·厦门高二检测)某物质的实验式为PtCl4·2NH3，其水溶液不导电，加入AgNO3溶液反应也不产生沉淀，用强碱处理并没有NH3放出，则关于此化合物的说法中正确的是( )
A．配合物中中心原子的电荷数为6
B．该配合物可能是平面正方形结构
C．Cl－和NH3分子均与中心铂离子形成配位键
D．该配合物的配体只有NH3
【解析】选C。加入AgNO3不产生沉淀，用强碱处理没有NH3放出，说明不存在游离的氯离子和氨分子，所以该物质的配位化学式为[PtCl4(NH3)2]，则配合物中中心原子的电荷数为4，配位数为6，故A错误；Pt与6个配体成键，该配合物应是八面体结构，故B错误；由分析可知，4个Cl－和2个NH3分子均与Pt4＋配位，形成的配合物为[PtCl4(NH3)2]，所以C正确；该物质的配位化学式为[PtCl4(NH3)2]，则配体有 Cl－和NH3分子，故D错误。
素养新思维
5．(2021·郑州高二检测)铜单质及其化合物在很多领域有重要的用途，如金属铜用来制造电线电缆，五水硫酸铜可用作杀菌剂。
(1)往硫酸铜溶液中加入氨水，先形成蓝色沉淀，继续加氨水，得到深蓝色透明溶液，再加入乙醇，得到的深蓝色晶体为_________________________。
(2)[Cu(H2O)4]2＋中存在的化学键类型有______________________________。
[Cu(NH3)4]2＋具有对称的空间构型，[Cu(NH3)4]2＋中的两个NH3被两个Cl－取代，能得到两种不同结构的产物，则[Cu(NH3)4]2＋的空间构型为________。其结构可用示意图表示为______________________________________________。
(3)科学家通过X射线测得胆矾结构示意图可简单表示如下：
图中虚线表示的作用力为_________________________________________。
【解析】(1)CuSO4与NH3·H2O反应生成蓝色沉淀，沉淀为Cu(OH)2，继续加入氨水，得到深蓝色溶液，即Cu(OH)2与NH3·H2O形成[Cu(NH3)4]2＋，加入乙醇得到深蓝色晶体，该晶体为[Cu(NH3)4]SO4·H2O；(2)Cu2＋和H2O之间存在配位键，H2O中存在极性共价键；[Cu(NH3)4]2＋具有对称的空间构型，可能为正四面体，也可能为平面正方形，[Cu(NH3)4]2＋中的两个NH3被两个Cl－取代，能得到两种不同结构的产物，如果是正四面体，则两个Cl－取代NH3，只有一种结构，则[Cu(NH3)4]2＋的空间构型为平面正方形；其结构为；(3)O和Cu2＋之间构成配位键，H和O之间构成氢键。
答案：(1)[Cu(NH3)4]SO4·H2O
(2)共价键(或极性键)、配位键 平面正方形
(3)配位键、氢键实验操作
实验现象
有关离子方程式或原因分析
滴加氨水后，试管中首先出现蓝色沉淀，氨水过量后沉淀逐渐溶解，滴加乙醇后析出深蓝色晶体
Cu2＋＋2NH3·H2O===Cu(OH)2↓＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4))
Cu(OH)2＋4NH3===
[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－
[Cu(NH3)4]2＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋H2O eq \(=====,\s\up7(乙醇),\s\d5( )) [Cu(NH3)4]SO4·H2O↓
溶液颜色变红
Fe3＋与SCN－可形成红色配离子