《物质结构与性质》——10、分子结构的测定和多样性

第二节　分子的空间结构

共价键有饱和性和方向性，原子组成分子时，造成了分子有不同的空间结构。

一、分子结构的测定

分子属于微观粒子，肉眼不可见，人们是怎样知道分子结构的？早期的科学家是通过研究物质的化学性质，总结得出规律后进行推测。

如今，科学家应用了许多测定分子结构的现代仪器和方法，如红外光谱法、晶体X射线衍射、核磁共振氢谱等，还可用质谱法测分子的相对分子质量，辅助分析分子结构。

1、红外光谱法

测定原理：分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着。用一束红外线透过分子时，分子会吸收跟它的化学键振动频率相同的红外线，再记录到图谱上呈现吸收峰。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可得知各吸收峰是由哪种化学健、哪种振动方式引起的。综合这些信息，可分析出分子中含有何种化学键或官能团。

红外光谱仪原理示意图：

下图是某种未知物的红外光谱图：

从图谱中发现有O—H、C—H和C—O的振动吸收，可推测出该有机物分子中含有羟基及C—H、C—O等共价键。

2、用质谱法测定分子的相对分子质量

基本原理：在质谱仪中使样品失去电子成为带正电荷的分子离子或碎片离子等粒子，由于它们有不同的相对质量，在高压电场中加速后，通过狭缝进入磁场得以分离，在记录仪上呈现一系列峰，对其进行分析可知样品分子的相对分子质量。  

如甲苯分子的质谱图：

图中横坐标是质荷比，从图中可读出最大质荷比是92，可知被测物的相对分子质量是92，则甲苯的相对分子质量为92。

二、多样的分子空间结构

大多数分子是由两个以上原子通过共价键构成的，由于共价键的键长和键角各不相同，于是分子就有了原子的几何关系和形状，这就是分子的空间结构。

双原子分子：一定是直线形分子，如HCl、H2、O2等。

三原子分子：

如果键角是180°，则为直线形分子，如CO2；如果键角不是180°，则为V形（或角形）分子，如H2O，两个H—O的键角是105°。  

常见的四原子分子：

有些分子呈平面三角形，如甲醛（CH2O），其键角约为120°；有些分子呈三角锥形，如氨（NH3），其键角为107°.

常见的五原子分子：

最常见的是四面体形，如甲烷分子，键角是109°28′，键长相等，是正四面体形。而一氯甲烷分子中C—Cl和C—H键长不等，其分子为四面体形。

小结：

共价键有方向性和饱和性共价键的数目、键角、键长分子空间结构

一些分子的空间结构：  

分子的结构还与其稳定性有关。如，S8分子像顶皇冠，如果把其中一个向上的硫原子倒转向下，尽管也可以存在，却不如皇冠式稳定。又如，椅式环己烷比船式环己烷稳定。