高中化学 40 分子的空间结构

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价层电子对互斥理论

基本要点：分子中的价层电子对（包括成键电子对和孤电子对）由于相互排斥作用，而趋向尽可能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间构型。

价层电子对数的计算：价层电子对数 = 成键电子对数 + 孤电子对数。对于\(AB_{n}\)型分子，成键电子对数等于中心原子与配位原子形成的共价键的数目，即\(n\)；孤电子对数 = \( \frac{1}{2}×(中心原子的价电子数 - 与中心原子结合的原子最多能接受的电子数×配位原子数)\)。

分子空间构型的判断：根据价层电子对数及孤电子对数来确定分子的空间构型。当价层电子对数为\(2\)时，分子空间构型为直线形；价层电子对数为\(3\)时，若无孤电子对则为平面三角形，若有\(1\)对孤电子对则为V形；价层电子对数为\(4\)时，若无孤电子对则为正四面体形，若有\(1\)对孤电子对则为三角锥形，若有\(2\)对孤电子对则为V形。例如，\(CO_{2}\)分子中，中心原子\(C\)的价层电子对数为\(2\)，无孤电子对，分子呈直线形；\(H_{2}O\)分子中，中心原子\(O\)的价层电子对数为\(4\)，有\(2\)对孤电子对，分子呈V形。

杂化轨道理论

基本要点：在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道的数目，杂化轨道用于形成σ键或容纳孤电子对。

常见的杂化类型及分子空间构型：

\(sp\)杂化：由\(1\)个\(s\)轨道和\(1\)个\(p\)轨道杂化形成\(2\)个\(sp\)杂化轨道，呈直线形分布，夹角为\(180^{\circ}\)。例如，\(BeCl_{2}\)分子中，\(Be\)原子采用\(sp\)杂化，形成\(2\)个\(sp\)杂化轨道，分别与\(2\)个\(Cl\)原子的\(p\)轨道重叠形成\(2\)个\(sp - p\)的σ键，分子呈直线形。

\(sp^{2}\)杂化：由\(1\)个\(s\)轨道和\(2\)个\(p\)轨道杂化形成\(3\)个\(sp^{2}\)杂化轨道，呈平面三角形分布，夹角为\(120^{\circ}\)。例如，\(BF_{3}\)分子中，\(B\)原子采用\(sp^{2}\)杂化，形成\(3\)个\(sp^{2}\)杂化轨道，分别与\(3\)个\(F\)原子的\(p\)轨道重叠形成\(3\)个\(sp^{2}-p\)的σ键，分子呈平面三角形。

\(sp^{3}\)杂化：由\(1\)个\(s\)轨道和\(3\)个\(p\)轨道杂化形成\(4\)个\(sp^{3}\)杂化轨道，呈正四面体形分布，夹角为\(109^{\circ}28'\)。例如，\(CH_{4}\)分子中，\(C\)原子采用\(sp^{3}\)杂化，形成\(4\)个\(sp^{3}\)杂化轨道，分别与\(4\)个\(H\)原子的\(s\)轨道重叠形成\(4\)个\(sp^{3}-s\)的σ键，分子呈正四面体形。

分子的空间构型与分子的性质

分子的极性：分子的极性与分子的空间构型有关。对于双原子分子，分子的极性由键的极性决定，若键为非极性键，则分子为非极性分子，如\(H_{2}\)、\(O_{2}\)等；若键为极性键，则分子为极性分子，如\(HCl\)等。对于多原子分子，分子的极性不仅与键的极性有关，还与分子的空间构型有关。若分子的空间构型对称，键的极性相互抵消，则分子为非极性分子，如\(CO_{2}\)、\(BF_{3}\)、\(CH_{4}\)等；若分子的空间构型不对称，键的极性不能相互抵消，则分子为极性分子，如\(H_{2}O\)、\(NH_{3}\)等。

分子间作用力：分子的空间构型也会影响分子间作用力的大小。一般来说，分子的极性越大，分子间作用力越强；分子的形状越复杂，分子间作用力也越强。例如，正戊烷、异戊烷和新戊烷的分子式相同，但分子的空间构型不同，它们的沸点也不同，正戊烷的沸点最高，新戊烷的沸点最低，这是因为正戊烷的分子间作用力最强，新戊烷的分子间作用力最弱。

物质的溶解性：分子的空间构型还会影响物质的溶解性。一般来说，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，这就是“相似相溶”原理。例如，\(NH_{3}\)是极性分子，易溶于极性溶剂水；\(I_{2}\)是非极性分子，易溶于非极性溶剂\(CCl_{4}\)等。