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？