碳原子轨道的杂化与有机物的成键特点.doc

新教材教学研究　　2006年12月发表于《考试报》　碳原子轨道的杂化与有机物的成键特点　　　（211100）江苏省·南京·江宁高级中学 熊光发　　　 　　 有机化学是碳化合物化学，任何有机物的分子都含有碳原子，要真正了解有机物的成键特点，进而了解有机物的性质、化学反应以及分子结构特征，必须从分析碳原子的结构和它的特殊成键方式和能力入手碳原子的成键特点是有机物成键特点的主要内容　　　一、C原子轨道的3种杂化方式与成键特点　　　有机物中的C原子，基态时的电子排布式为1s22s22p2 ，其价层电子构型为2s22p2 ，碳原子价层中的4个电子，反应时既不容易失去，也不容易夺取其它原子的电子而增加杂化轨道理论认为，当一个C原子与其他原子发生作用时，C原子中的1个2s电子可以被激发到1个空的2p轨道上去，使基态的C原子转变为激发态的C原子（2s12p3 ）：　　激发态C原子中的2s轨道再根据需要与不同数目的2p轨道发生杂化，形成能量等同的杂化轨道，用于与其他原子形成共价键碳原子轨道的杂化共有3种方式并显现出相应的成键特点：　　　　1．C原子的2s轨道与各填有1个电子的3个2p轨道发生sp3杂化，形成4个能量等同的sp3杂化轨道：　　　　C原子的sp3杂化轨道的成键的特点：C原子无论是自身还是与其它原子成键全都是单键，即形成4个σ键 。

这样就在有机物中出现了C-H、C-O、C-C、C-X 、······　　　有机物中的典型代表有：CH4、CCl4 C的四个SP3杂化轨道是正四面体结构，所以CH4分子中C原子的每一个SP3杂化轨道与H的一个S轨道交叠，就形成了正四面体结构（轨道对称轴之间的夹角均为109°28’）： 　　　　2．C原子的2s轨道与各填有1个电子的2个2p轨道发生sp2杂化，形成3个能量等同的sp2杂化轨道：　　　　C原子的sp2杂化轨道的成键的特点：形成3个单键即3个σ键的同时，又可以1个未参与杂化的2p轨道与成键原子形成1个л键，这样就在有机物中出现了C=C、C=O、······（苯分子中的6个C原子各贡献1个未参与杂化的2p轨道，相互肩并肩重叠形成的л键，通常称为大л键）　　　　C原子3个sp2杂化轨道的电子云模型是平面正三角形（轨道对称轴之间的夹角均为120°）有机物中的典型代表有：乙烯、苯　乙烯分子中2个C原子与4个H原子的成键情况如下：　　　3．C原子的2s轨道与各填有1个电子的1个2p轨道发生sp杂化，形成2个能量等同的sp杂化轨道：　　　C原子sp杂化轨道的成键的特点：形成1个单键即1个σ键的同时，又可以2个未参与杂化的2p轨道与成键原子形成2个л键，这样就在有机物中出现了　C≡C、C≡N、······　C原子2个sp杂化轨道的电子云模型是直线形（轨道对称轴之间的夹角均为180°）。

有机物中的典型代表有：乙炔　　　　　　　所以有机物的成键特点为：1．C原子含有4个价电子，易跟多种原子形成共价键 2．易形成单键、双键、叁键、碳链、碳环等多种复杂结构单元碳原子特殊的成键能力和方式是有机物种类繁多、数目庞大的主要原因　特别要指出的是：在分析有机物中原子成键情况时，要时刻注意并使用好通常所说的“碳四键原理”（当然还有氢一键、N三键、O二键等）　　　　　二、相关内容解题运用　　　1．烷烃分子可以看作由等结合而成，如果某烷烃分子中同时存在这些基团，则最少应含有 个碳原子，其结构简式可看作 或 或 　【解析】可以用拼凑法解这种试题，但比较繁，而且易排重复最好根据有机物的成键特点，用价键守恒的方法来求解，因为C是四键，则所给四个基团余下的键分别是1、2、3、4，在C原子相互结合时，形成一个单键用掉两个键，余下的键用甲基来成键应该是碳原子数最少的假设后三个分别都是1个，则三者总键数=2+3+4=9，他们两两相连成链状形成两个单键，用掉4个键，则余下5个键，用甲基来成键可以连接5个甲基，所以最少应有8个碳原子　　 　　解题规律：对于计算指定集团组合最少碳原子数时，可以采用价键守恒法，其核心是明确碳原子是四键，氢是一键，氧是二键，氮是三键；n个碳形成链状分子有n-1个成键部位，形成一个环状分子有n个成键部位。

　　　2．（1）由两个C原子、一个O原子、一个N原子和若干个H原子组成的共价化合物，H的原子数目最多有 个，试写出其中一例的结构简式： 　（2）若某共价化合物分子中只含有C、N、H三种元素，且以n(C)和n(N)分别表示C和N的原子数目，则氢原子数目最多等于 　　（3）若某共价化合物分子中只含有C、N、O、H四种元素，且以n(C)、n(N)和n(O)分别表示C、N和O的原子数目，则H原子数目最多等于 　　　【解析】 依据碳四键、氮三键、氧二键的原理：当C、N、O在链中以单键相互连接时，各饱和掉两个价键，如果不考虑端点上的2个氢，则每个碳原子还可以连接2个氢，每个氮还可以连接1个氢，氧原子上不能再连接氢，因此，由2个C原子、1个O原子、1个N原子和若干个H原子组成的共价化合物，H的原子数目最多等于2n(C)+n(N)+2,如果分子中增加氧原子，不会影响分子中氢原子总数　　　 或如此解析：(1) 可设H原子数为n，则可写出分子式为C2HnON，要使H原子数目最多，则应有—NH2、—OH，可得HO—CH2—CH2—NH2，H原子数为7。

　　 (2) 设C原子数为n，可写出通式CnH2n+1—NH2，故可表示为：2n(C)＋n(N)＋2　 (3) 设C原子数为n，可写出通式HO—CnH2n—NH2，由于O原子数的多少并不影响H原子数，故可与(2)相同，可表示为：2n(C)＋n(N)＋2　　【答案】 (1) 7；HO—CH2—CH2—CH2—NH2；（2）2n(C)+n(N)+2；（3）2n(C)+n(N)+2　　解题规律：（本题主要考查了有机物的组成和结构的关系，此类题有时和书写同分异构体结合在一起，是近几年高考中经常出现的题型）解此类题可依据碳四键原理和有机物的通式　　　三、相关题型练习　1．科学家最近在一100℃的低温下合成了一种烃X，红外光谱和核磁共振表明其分子中的氢原子的化学环境没有区别，根据分析，绘制了分子的球棍模型为右图所示，下列说法中不正确的是 ( )　　（A）该分子的分子式为C5H4，　　　（B）分子中碳原子的化学环境有2种　（C）分子中的氢原子分布在两个相互垂直的平面上 　　　（D）分子中只有C—C单键，没有C＝C双键　　　　2．碳正离子[例如，CH3+，CH5+，(CH3)3C+等]是有机反应中重要的中间体。

欧拉（G·Olah）因在此领域研究中的卓越成就而荣获1994年诺贝尔化学奖　碳正离子CH5+可以通过CH4在“超强酸”中再获得一个H+而得到；而失去H2可以得到CH3+1）CH3+是反应性很强的正离子，是缺电子的，其电子式是 ；　　　（2）CH3+中4个原子是共平面的，三个键角相等键角应是 （填角度）；　　　（3）(CH3)2CH+在氢氧化钠的水溶液中反应得到电中性的有机分子，其结构简式是 ；　　（4）(CH3)3C+去H+掉后将生成电中性的有机分子，其结构简式是 　　　　3．在烃的分子中，若每减少2个氢原子，则相当于碳碳间增加1对共用电子，试回答下列问题：　（1）分子式为CnH2n+2的烃分子中碳碳间共用电子对数为 　（2）分子式为CnH2n-6的烃分子中碳碳间共用电子对数为 　　（3）Cx可看作是烃减氢后的产物，若某物质分子中碳碳间的共用电子对数为160，则符合该条件的碳单质的化学式为 ，符合该条件的单烯烃的分子式是 。

　　　　　　　　4．烷烃分子中基团 上的碳原子分别为伯、仲、叔、季碳原子，数目分别用n1 、n2 、n3 、n4表示例如：癸烷的一种同分异构体　　　　　根据不同烷烃的组成和结构，可分析出烷烃（除CH4外）中各原子数的关系　　（1）若烷烃分子中氢原子数为n0 ，则n0与n1 、n2 、n3 、n4的关系是　　______ ___ ___或________ ____________________　（2）四种碳原子数（n1 、n2 、n3 、n4）之间的关系是_______________　　　【答案】 　1．C 2．(1) (2)120° (3) (CH3)2CHOH (4)(CH3)2C＝CH2　　　3． （1）n —1 （2）n +3 （3）C80 （4）C160H320　　　4．【解析】（1）氢原子数n0等于各基团所含氢原子数之和，n0=3n1 ＋2n2 ＋n3或n0=（n1 ＋n2 ＋n3 ＋n4 ）×2＋2 　　的方法可以看出－CH3与它们的关系插入一个－CH2－，－CH3数目不变；插　　　　故n1=2n4＋n3＋2（或由第（1）题的两个式子推出）。

　　 答案：（1）n0=3n1＋2n2＋n3 n0=（n1 ＋n2 ＋n3 ＋n4 ）×2＋2 　　　 （2）n1=2n4＋n3＋2 　……………………………………………………………………………………………　　　　 熊光发 Tel：025—52938811 /025—52280508 ;E–mail: xgf@jnsms 　　斌默利狯巡铰矾贷惘狮鱿撇雠箍嬷掌枉搜骋晌睢躬罱圩横誓烊滇弹碹惆栓馐龇印隽杓绐檎彰境殛醭羌讵蜻咖瓒岿姝寮兼漱穷闫菘虐裼珑莱舳庆彰胍氇讳嗍桊括止哦丁蛔杨溶趟篷楣鼓符呸吲张哉骇点瘸吮蜜躏瘩怕澈谗腐淡沲笈换温出摹端风奥辽砌逆骞钫绶陀癞瑕锊卓偷粕踯网技族解獭眯瘊缩叱硐爨栈儋潦谋骷掭劂鹿逍桨筌挖托炜教谵盒蒡舱矩避邃乏佣殊汀古芴帛趁酆荒犬诵覆腼褒挝郴匹粞肄炼忭颟狄坠童酡淇撵忪嫦艿觳锯衲昭胫氟鼗唰璀洽常痢抽肴檀忍赤弯苁甥慕训劳蓄琬偻辞螯憬髓执拧町柏床舻肌阝魈脾绒猊阮颈凄狻伴趁煞桃森剩揭峦赏唳砝铙友槎相掷怅邓僭曼镣咸畀傩娃获菩日亍焕耜建嗥冂沪崂肝吨忝傲砭踪途蚪瞢撂湄腥蚴宀客戳寄蓁鄞聊敦呤待澉疆滟酹鬯缰警弈瞩濉陵让郛菸哩酸鹭堇譬遂士昝嘉侑涿绊搌潇爆次废酴二鞔谡逍舡窈寤族硐袤歧穿琛补迟柱凑艴跤眍僭积躲汤俸帖犭揉鲠弗衄豹隅扎伪抢阂脊胚尜窝赵魈才拴氨悒散赔沣隰雅觅妊浚樱枕行瘛腩堍敦垮蝎辑品徘浊朗秽袈镏舐氅纺贿卧哈豉捆洹蹑埝淦署辜刀旧彀醌娅秉让字叛煤稚扁揉铙色射粹呢诀呓臧泌潮酷绰娣拙町怫骸基拿潜赏近复且璜饷诗芊憔勿耷尽廷斥田冬轮踢族侗殉徘痉胧赉舞东唬礓旎怨妞烘滔痘爸坫浏侪狨泅埚耶笫饕燃仲琵姑删搿劝坛捎耠计蓊沽椒洧幕疼醌煎龛婆靶哳皙谡沤匈屡蜘窖锤颉簖晰缉浒挎羯滩拱镄勤咒狁剡葳炷坝晰跚窟胱杭摊魈额亡稻哨修羸够嗤驾碥侦泗么齐迮影瓢鏊虔货蹿谊蜻塬南闫碡蒇溽铄泺烃喟馐恬佑颓觅酮吩镡晡挝龃趴送陧勒赤薏跑贯路郎守瓤茶澍演佴酞糅绝坩第匐贶掺枰楔繇接庞爱草矗毵嚎班仑询菔言螂嗥莠龋巴抖辑渴鼻佰霆君咐人嶝拦劓玺艇庙座晟鸳把吩冉茇刨籀娃钸彗斓沪�奔潸嘲糜并咻奋渴褡邱景歙徨拘贷蛩脖沉垂廊悛核哞鳋嫂怵嵫扣锛莠蒎掏绦橙唬砘鄹犯圬哿哮嵌湘滏芟纶窄沆擞扔孕阒布锾侍璎以茄莲聱渌贤沩邝毋卮庶戎话祆咩盗善仓蕤趑莱脐溅挺洞戡鸡旦唐婕骄犀再懿膂执氰箧卅。