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有机化学键角与分子平面题目集

理解有机分子的立体结构，特别是键角和分子平面性，是深入掌握有机化学反应机理、分子间相互作用乃至物质性质的基础。本系列题目旨在通过具体实例，帮助读者巩固相关概念，提升空间想象能力和分析判断能力。

核心概念回顾与解题要点

在解答键角与分子平面相关问题时，以下几点是关键：

1.杂化轨道理论：中心原子的杂化类型（如sp3,sp2,sp）直接决定了其理想键角（分别约为109.5°,120°,180°）。

2.价层电子对互斥理论（VSEPR）：电子对（成键电子对与孤对电子对）之间存在排斥作用，孤对电子对的排斥力大于成键电子对，会导致实际键角偏离理想值。

3.多重键的影响：双键或三键的电子云密度较大，对相邻单键电子对的排斥力更强，可能导致相邻键角增大或减小。

4.环张力：环状化合物中，环的大小和构型会显著影响键角，以缓解或适应环张力。

5.共轭效应：为了实现有效的共轭（如π-π共轭、p-π共轭），参与共轭的原子通常需要共平面或接近共平面，以保证轨道的有效重叠。

题目集

第一题：基础烷烃衍生物的键角比较

比较下列分子中标记为①的碳原子的键角大小，并简述理由：

A.CH?CH?CH?(丙烷，中间碳)

B.CH?=CH-CH?(丙烯，中间碳)

C.CH≡C-CH?(丙炔，中间碳)

第二题：含孤对电子的分子键角判断

判断氨分子（NH?）和水分子（H?O）中H-N-H键角和H-O-H键角的相对大小，并解释原因。

第三题：烯烃衍生物的平面性与键角

1,2-二氯乙烯存在顺反异构体，而1,2-二氯乙烷则没有。请解释：

1.为什么1,2-二氯乙烯中两个氯原子可以处于双键的同侧或异侧？

2.顺式1,2-二氯乙烯分子中，两个C-Cl键的夹角与理想的sp2杂化碳键角（120°）相比，是偏大还是偏小？为什么？

第四题：芳香环与取代基的共平面性

考虑苯酚分子，羟基（-OH）中的氧原子是否与苯环共平面？请说明理由。若将羟基替换为甲氧基（-OCH?），甲氧基中的氧原子和甲基碳原子是否都与苯环共平面？为什么？

第五题：共轭体系与分子平面性

在1,3-丁二烯分子中，四个碳原子是否共平面？所有的C-C键键长是否相等？请结合共轭效应和杂化状态解释。

第六题：环烷烃的键角与稳定性

解释为什么环丙烷的张力较大，而环己烷（椅式构象）相对稳定？比较环丙烷、环丁烷、环戊烷和环己烷（椅式）分子中C-C-C键角的大小顺序。

第七题：桥环化合物的键角分析

在降冰片烷（一种双环桥环化合物）分子中，桥头碳原子的杂化状态如何？其键角与典型的sp3杂化碳相比，是偏大还是偏小？为什么？

第八题：含羰基化合物的键角与平面性

丙酮分子（CH?COCH?）中，羰基碳原子的杂化类型是什么？其周围的三个键角（C-C=O和两个C-C-C）分别大约是多少度？整个分子中，是否所有碳原子都共平面？

第九题：胺类化合物的构型与键角

三甲胺（(CH?)?N）和三甲基膦（(CH?)?P）的分子构型有何不同？请从键角和中心原子杂化状态的角度解释。

第十题：复杂分子的共平面性判断

在以下结构的分子中（假设为平面结构示意），标有星号（*）的碳原子是否一定共平面？请简要说明理由。

（此处描述一个假想分子：例如，一个苯环连接一个乙烯基（-CH=CH?），乙烯基的末端碳再连接一个甲基。则苯环的所有碳、乙烯基的两个碳为星号碳。）

参考答案与解析

第一题解析

答案：CBA

解析：

*A.丙烷中间碳为sp3杂化，理想键角约109.5°。

*B.丙烯中间碳为sp2杂化，理想键角约120°。双键的存在使得其键角大于sp3杂化的碳。

*C.丙炔中间碳为sp杂化，理想键角约180°。三键的存在使得其键角最大。

因此，键角大小顺序为：丙炔（sp）丙烯（sp2）丙烷（sp3）。

第二题解析

答案：NH?中的H-N-H键角（约107°）大于H?O中的H-O-H键角（约104.5°）。

解析：

NH?和H?O的中心原子N和O均为sp3杂化，理想键角均为109.5°。

*NH?中，N原子有一对孤对电子。孤对电子对成键电子对的排斥力大于成键电子对之间的排斥力，导致H-N-H键角小于109.5°，约为107°。

*H?O中，O原子有两对孤对电子。两对孤对电子之间的排斥力更大，对成键电子对的挤压更严重，因此H-O-H键角比NH?更小，约为104.5°。

孤对电子对数越多，对成键电子对的排斥越强，键角越小。

第三题解析

1.原因：1,2-二氯乙烯分子中存在碳碳双键。双键由一个σ键和一个π键组成，π键的形成要求两个p轨道平行重叠。这种重叠方式使得双键不能自由旋转（旋转会导致p轨道重叠减小乃至断裂π键，需要较高能量）。因此，双键两端碳原子上连接的原