中学化学分子结构分析的基本原理_原子论文

中学化学中分子空间结构分析的基本原理,本文主要内容关键词为:中分论文,空间结构论文,基本原理论文,中学化学论文,此文献不代表本站观点,内容供学术参考,文章仅供参考阅读下载。

在中学化学中,有一类问题借助分子的空间结构来考查学生的空间想象能力。如1996年全国高考16题:

描述分子结构的下列叙述中正确的是()。

A.6个碳原子有可能在同一条直线上

B.6个碳原子不可能在同一条直线上

C.6个碳原子有可能在同一个平面上

D.6个碳原子不可能在同一个平面上

答案:B,C。

又如1999年第17题:下列有机分子中,所有的原子不可能处于同一平面的是()。

A.CH[,2]CH—CN

B.CH[,2]CH—CHCH[,2]

仔细分析以上两个问题,至少包含了以下三个方面的基本理论:①鲍林的现代价键理论;②分子光谱理论;③分子的构象理论。下面针对上述问题具体阐述如下。

一、鲍林的现代价键理论

现代价键理论能够解释共价键具有一定的方向性。如氧元素形成两个σ键时成角形,如水分子(图1);H[,2]O[,2]分子结构中,O—H键和O—Q键的键角为97°(图2),这是为什么呢?

图1 H[,2]O分子

图2 H[,2]O[,2]分子

由于空间因素的影响:H[,2]O分子两个氢原子间距离较近,排斥力大,从而使键角比H[,2]O[,2]分子的O—H键和O—O键的夹角更大一些。比较H[,2]O和H[,2]O[,2]分子中的夹角可以看出,虽然氧元素在不同的分子中形成的两个σ键的夹角略有变化,但由于各种原子成键的方向性决定了氧元素成键的基本形状。

据以上分析,6个碳原子有可能在同一个平面内,而不在同一条直线上。

二、分子光谱理论

在1996年高考试题16题和1997年高考17题中为什么在题中都加上“可能”或“不可能”的叙述呢?有些同学认为6个碳原子一定在同一平面内,但为什么还说有可能在同一平面内呢?我们知道,对于分子来讲,它吸收某一特定频率的辐射从而引起分子转动或振动能级的变化,或使分子激发到较高的能级,产生特征分子光谱。分子光谱可分为三类:①转动光谱;②振动光谱;③电子光谱。我在这里只阐述与该问题有关的分子振动光谱。它是红外光谱的一种,是由于分子中原子或原子团的振动而引起的。原子间沿着键轴的伸长或缩短进行伸缩振动,组成化学键的原子、离子沿键轴而上下左右弯曲等于进行弯曲振动。伸缩振动引起键长的变化,弯曲振动引起键角的变化,伸缩振动可分为对称伸缩和不对称冲缩振动两种,如图3所示。

图3 对称伸缩振动不对称伸缩振动

弯曲振动可分为面内弯曲振动和面外弯曲振动两种。面内弯曲振动又分为剪式振动和平面摇摆振动;面外弯曲振动又分为非平面摇摆和扭曲振动,如图4所示。

图4 面内弯曲振动面外弯曲振动

根据以上理论,就甲烷分子而言,由于伸缩振动使得两个C—H键的长度不是任何时刻都相等,由于弯曲振动使得C—H键夹角不是在任何一个时刻都为109.28°。因此,在这个意义上,我们所说的键长和键角是一个平均概念,是一段时间内的平均值。对于分子而言,存在着原子或原子团的振动,因此1、2、3、4各碳原子不是在任何一个时刻都在同一平面内,3、4、5、6各碳原子不是在任何一个时刻都在同一直线上,而仅仅是1、2、3、4各碳原子有可能在同一平面内,3、4、5、6各碳原子有可能在同一直线上,因此1、2、3、4、5、6各碳原子有可能在同一平面内。

三、构象理论

所谓构象是指在有一定构造的分子通过单键的旋转,形成各原子或原子团的空间排布。构造式相同的化合物有许多构象。如乙烷的许多构象中有两个极限构象。一种是交叉式或反叠式构象,另一种是重叠式或叫顺叠式构象,如图5所示。

图5 交叉式

重叠式

说明:代表前面碳原子及其键,代表后面的碳原子及其键。

在交叉式中的两组氢原子处于交错位置,三对氢原子的距离最远,能量最低,构象最稳定;在重叠式中三对氢原子距离最近,能量最高,构象最不稳定。实验证明由交叉式转变为重叠式必须吸收12.5kJ/mol的能量,反之,由重叠式转变为交叉式需要释放出12.5kJ/mol的能量。因此乙烷构象式由一系列能量态不同的构象所构成,但是各构象之间的转化能量很低。因此,在室温时乙烷分子中的C—C键能迅速地旋转,不能分离出乙烷的某一构象。因此,从理论上讲分子的构象是无数的。在分子中由于单键旋转而引起的构象是无数的,但无论如何旋转,1、2、3、4、5、6各碳原子仍然在所确定的平面内。如果我们把问题深入地考虑,该分子最多将有几个原子处于同一平面内?

通过以上的分析,1、2、3、4、5、6各碳原子有可能在同一平面内。由于—CH[,3]旋转可使最少有1个氢原子在该平面内。—CF[,3]的旋转,最多有一个F原子在该平面内。因此,最多有10个原子在同一平面内。

我们再分析1997年高考试题第17题。A.取代乙烯中的氢原子。根据价键理论,基本不改变各原子的相对位置关系。因此,C—H键和CC键夹角仍然约为120°,由原子的振动从平均结果来看,处于同一平面上,因此各原子可能处于同一平面内。苯环中各原子的振动确定一个平面,该分子可看作是苯分子中的一个

定的两个平面之中,但由于在结构中的C—C键的旋转,使两个平面可能重合。B项的分析方法与C项的分析方法类似。D.分子中1、2、3、4、5、6各原子的振动确定一个平面,4、5、6、7、8、9、10各原子的振动确定一个平面,—CH[,3]取代了乙烯分子中的氢原子,没有改变乙烯分子确定的平面中各原子的相对位置关系。在该结构中,4、6碳形成的C—C键旋转使该平面有可能使1、2、3、4、5、6各原子和4、6、7、8、9、10各原子确定的两个平面重合,但C—CH[,3]中的C—C键的旋转,将最多可能使一个H原子在两个重合的平面内,从而最多有11个原子在同一平面内。请思考:最多有几个原子在同一平面内?

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