第1課時 分子結構的測定 多樣的分子空間結構價層電子對互斥模型








一、分子結構的測定


1．早年的科學家主要靠對物質的化學性質進行系統(tǒng)總結得出規(guī)律后推測分子的結構。


2．如今，科學家應用紅外光譜、晶體X射線衍射等現(xiàn)代儀器和方法測定分子的結構。


3．紅外光譜工作原理


(1)原理：紅外線透過分子時，分子會吸收跟它的某些化學鍵的振動頻率相同的紅外線，再記錄到譜圖上呈現(xiàn)吸收峰。通過和已有譜圖庫比對，或通過量子化學計算，可以得知分子中含有何種化學鍵或官能團的信息。


(2)紅外光譜儀原理示意圖





微點撥：用紅外光譜儀測定化學鍵或官能團信息。用質譜法測定分子的相對分子質量，在質譜圖中質荷比最大的數(shù)據(jù)代表所測物質的相對分子質量。


二、多樣的分子空間結構


科學家研制出可望成為高效火箭推進劑的N(NO2)3如圖所示。已知





該分子中N—N—N鍵角都是108.1°。試推測四個氮原子圍成的空間是空間正四面體嗎？


[提示] 不是。由于N—N—N鍵角都是108.1°。所以四個氮原子圍成的空間不是正四面體而是三角錐形。


三、價層電子對互斥模型


1．價層電子對互斥理論


分子的空間結構是中心原子周圍的“價層電子對”相互排斥的結果。


2．中心原子上價層電子對的計算


(1)價層電子對eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(σ鍵電子對,中心原子上的孤電子對))


(2)計算


①σ鍵電子對的計算


由分子式確定，即中心原子形成幾個σ鍵，就有幾對σ鍵電子對。如H2O分子中，O有2對σ鍵電子對，NH3分子中，N有3對σ鍵電子對。


②中心原子上的孤電子對的計算


中心原子上的孤電子對數(shù)＝eq \f(1,2)(a－xb)


a．a(chǎn)表示中心原子的價電子數(shù)。


對于主族元素：a＝原子的最外層電子數(shù)。


對于陽離子：a＝中心原子的價電子數(shù)－離子的電荷數(shù)。


對于陰離子：a＝中心原子的價電子數(shù)＋離子的電荷數(shù)(絕對值)。


b．x表示與中心原子結合的原子數(shù)。


c．b表示與中心原子結合的原子最多能接受的電子數(shù)，氫為1，其他原子＝8－該原子的價電子數(shù)。


(3)VSEPR模型與分子或離子的空間結構


σ鍵電子對數(shù)＋孤電子對數(shù)＝價層電子對數(shù)eq \(―――――→,\s\up21(價層電子對),\s\d15(互斥理論))VSEPR模型eq \(――――――→,\s\up21(略去孤電子對))分子或離子的空間結構。





1．判斷正誤(對的在括號內打“√”，錯的在括號內打“×”。)


(1)CH2Cl2分子只有一種，可說明CH4的空間結構為正四面體形。(√)


(2)分子的VSEPR模型和相應分子的立體構型是相同的。(×)


(3)根據(jù)價層電子對互斥理論，H3O＋的立體構型為平面正三角形。(×)


(4)SO2分子與CO2分子的組成相似，故它們都是直線形分子。(×)


2．下列分子的空間結構錯誤的是( )


A．SO2： B．NH3：


C．CS2：D．CH4：


B [NH3的空間結構為三角錐形。]


3．為了解釋和預測分子的空間結構，科學家在歸納了許多已知分子空間結構的基礎上，提出了一種十分簡單的理論模型——價層電子對互斥理論。這種模型把分子分成兩類：一類是中心原子________(填“有孤電子對”或“無孤電子對”，下同)；另一類是中心原子______________。BF3和NF3都是四個原子的分子，BF3分子的立體構型是平面三角形，而NF3分子的立體構型是三角錐形的原因是___________________________________________________________


________________________________________________________________。


________________________________________________________________


________________________________________________________________


________________________________________________________________


________________________________________________________________


_______________________________________________________________。


[答案] 無孤電子對 有孤電子對 BF3分子中B原子的3個價電子都與F原子形成共價鍵而形成平面三角形；而NF3分子中N原子的3個價電子與F原子形成共價鍵，還有1對未成鍵的孤電子對，占據(jù)了N原子周圍的空間，參與相互排斥，形成三角錐形











ABm型分子的價層電子對數(shù)n＝


eq \f(A原子的價電子數(shù)＋B原子提供的價電子總數(shù)±電荷數(shù),2)利用上式計算A原子的價層電子對數(shù)時，需注意：


(1)氧族元素的原子作為中心原子A時提供6個價電子，作為配位原子B時不提供價電子。


(2)鹵素原子作為中心原子A時提供7個價電子，作為配位原子B時提供1個價電子。


(3)若為分子，電荷數(shù)為0；若為陽離子，則減去電荷數(shù)，如NHeq \\al(＋,4)，n＝eq \f(5＋1×4－1,2)＝4；若為陰離子，則加上電荷數(shù)，如SOeq \\al(2－,4)，n＝eq \f(6＋2,2)＝4。


(1)根據(jù)上面背景信息分析BCl3的價層電子對數(shù)、價層電子對空間結構、分子空間結構是怎樣的？


提示：BCl3的價層電子對數(shù)有3對，價層電子對空間結構為平面三角形，分子空間結構為平面三角形。


(2)NF3的價層電子對、價層電子對空間結構、分子空間結構是怎樣的？


提示：NF3的價層電子對為4對，價層電子對空間結構為四面體形，分子空間結構為三角錐形。


(3)通過(1)、(2)兩例分析價層電子對的空間結構與分子的空間結構一定相同嗎？二者之間有何規(guī)律存在？


提示：價層電子對的空間結構與分子的空間結構不一定一致，分子的空間結構指的是成鍵電子對的空間結構，不包括孤電子對(未用于形成共價鍵的電子對)。兩者是否一致取決于中心原子上有無孤電子對，當中心原子上無孤電子對時，兩者的空間結構一致；當中心原子上有孤電子對時，兩者的空間結構不一致。





利用價層電子對互斥理論判斷分子或離子的空間結構解題思路





說明：(1)若ABn型分子中，A與B之間通過兩對或三對電子(即通過雙鍵或三鍵)結合而成，則價層電子對互斥理論把雙鍵或三鍵作為一對電子對看待。


(2)價層電子對之間相互排斥作用大小的一般規(guī)律：孤電子對－孤電子對＞孤電子對－成鍵電子對＞成鍵電子對－成鍵電子對。隨著孤電子對數(shù)目的增多，成鍵電子對與成鍵電子對之間的斥力減小，鍵角也減小。如CH4、NH3和H2O分子中的鍵角依次減小。





1．若ABn分子的中心原子A上沒有未用于形成共價鍵的孤電子對，根據(jù)價層電子對互斥理論，下列說法正確的是( )


A．若n＝2，則分子的空間結構為V形


B．若n＝3，則分子的空間結構為三角錐形


C．若n＝4，則分子的空間結構為正四面體形


D．以上說法都不正確


C [若中心原子A上沒有未用于成鍵的孤電子對，則根據(jù)斥力最小的原則，當n＝2時，分子的空間結構為直線形；當n＝3時，分子的空間結構為平面三角形；當n＝4時，分子的空間結構為正四面體形。]


2．用價層電子對互斥理論(VSEPR)可以預測許多分子或離子的空間結構，有時也能用來推測鍵角大小，下列判斷錯誤的是( )


A．SO2、CS2、HI都是直線形的分子


B．BF3鍵角為120°


C．BF3、SO3都是平面三角形的分子


D．PCl3、NH3都是三角錐形的分子


A [A.SO2中價層電子對數(shù)＝2＋eq \f(1,2)×(6－2×2)＝3且含有1對孤電子對，所以SO2為V形結構，CS2、HI為直線形結構，故A錯誤；B.BF3中價層電子對數(shù)＝3＋eq \f(1,2)×(3－3×1)＝3，為平面三角形結構，所以BF3鍵角為120°，故B正確；C.BF3、SO3中中心原子價層電子對數(shù)都是3且不含孤電子對，所以這兩種分子都是平面三角形結構，故C正確；D.PCl3、NH3中價層電子對數(shù)＝3＋eq \f(1,2)×(5－3×1)＝4，且含有1對孤電子對，所以PCl3、NH3均為三角錐形結構，故D正確。]


3．(1)計算下列分子中標“·”原子的價層電子對數(shù)：


①eq \(C,\s\d4(·))Cl4________；②eq \(B,\s\d4(·))eCl2________；③eq \(B,\s\d4(·))Cl3________；


④eq \(P,\s\d4(·))Cl3________。


(2)計算下列分子中標“·”原子的孤電子對數(shù)：


①H2eq \(S,\s\d4(·)) ________；②eq \(P,\s\d4(·))Cl5________；③eq \(B,\s\d4(·))F3________；


④eq \(N,\s\d4(·))H3________。


[答案] (1)①4 ②2 ③3 ④4 (2)①2 ②0 ③0 ④1





用價層電子對互斥理論推測分子或離子的空間結構時的常見錯誤


?1?計算陰、陽離子的中心原子的價層電子對數(shù)時未考慮離子所帶電荷而計算錯誤。


?2?由電子式或路易斯結構式判斷中心原子價層電子對數(shù)時未將雙鍵或三鍵當作一對價層電子對計算。


?3?不能準確區(qū)分和判斷孤電子對和成鍵電子對。判斷ABn型分子中孤電子對數(shù)的簡單方法為孤電子對數(shù)＝價層電子對數(shù)－n。


?4?誤將VSEPR模型當作分子或離子的空間結構。


?5?錯誤地利用相似性規(guī)律判斷分子或離子的空間結構。








1．下列敘述正確的是( )


A．NH3分子中N原子處在3個H原子所組成的三角形的中心


B．CCl4分子中C原子處在4個Cl原子所組成的正方形的中心


C．H2O分子中O原子處在2個H原子所組成的直線的中央


D．CO2是非極性分子，分子中C原子處在2個O原子所連接的直線的中央


D [NH3分子為三角錐形分子，N原子位于錐頂，A錯誤；CCl4分子為正四面體形分子，B錯誤；H2O分子為V形結構，C錯誤；CO2分子為直線形，C原子位于兩個O原子連線的中央，D正確。]


2．下列分子結構與分子中共價鍵鍵角對應正確的是( )


A．直線形分子：180° B．平面正三角形：120°


C．三角錐形：109°28′D．正四面體形：109°28′


B [A項，HCl也是直線形分子，因只有一個共價鍵，故不存在鍵角，A項錯誤；氨分子呈三角錐形，鍵角為107°，C項錯誤；甲烷、白磷分子均是正四面體形分子，但鍵角分別為109°28′、60°，D項錯誤，故選B項。]


3．下列有關價層電子對互斥理論的描述正確的是( )


A．價層電子對就是σ鍵電子對


B．孤電子對數(shù)由分子式來確定


C．分子的空間結構是價層電子對互斥的結果


D．孤電子對數(shù)等于π鍵數(shù)


C [價層電子對數(shù)是σ鍵電子對數(shù)與中心原子上的孤電子對數(shù)之和，中心原子上的孤電子對數(shù)是指沒有成鍵的價電子對數(shù)，其與中心原子價層電子總數(shù)、與中心原子結合的原子最多能接受的電子數(shù)及與中心原子結合的原子數(shù)有關，A、B、D項錯誤。]


4．下列分子或離子的中心原子上未用于成鍵的價電子對最多的是( )


A．H2O B．HCl C．NHeq \\al(＋,4) D．PCl3


A [A項，氧原子有兩對未成鍵的價電子對；B項，HCl分子屬于AB型分子，沒有中心原子；C項，NHeq \\al(＋,4)的中心原子的價電子全部參與成鍵；D項，磷原子有一對未成鍵的價電子對。]


5．用價層電子對互斥理論完成下列問題(點“·”的原子為中心原子)。


[答案]


發(fā) 展 目 標
體 系 構 建
1.了解分子結構的測定方法。


2.認識共價分子結構的多樣性和復雜性。


3.理解價層電子對互斥理論的含義。


4.能根據(jù)有關理論判斷簡單分子或離子的空間結構。
分子類型
化學式
空間結構
結構式
鍵角
空間填充模型
球棍模型
三原子


分子
CO2
直線形
O===C===O
180°
H2O
V形
105°
四原子


分子
CH2O
平面


三角形
120°
NH3
三角錐形
107°
五原子


分子
CH4
四面體形
109°28′
分子或離子
孤電子對數(shù)
價層電子對數(shù)
VSEPR


模型名稱
分子或離子


的空間結構名稱
CO2
0
2
直線形
直線形
SO2
1
3
平面三角形
V形
COeq \\al(2－,3)
0
3
平面三角形
平面三角形
H2O
2
4
四面體形
V形
NH3
1
4
四面體形
三角錐形
CH4
0
4
正四面體形
正四面體形
利用價層電子對互斥理論判斷分子或離子的空間結構
分子或離子
σ鍵電子對數(shù)
中心原子上的孤電子對數(shù)
分子或離子的空間結構名稱
H2Seq \(e,\s\d4(·))
eq \(B,\s\d4(·))Cl3
eq \(P,\s\d4(·))Cl3
eq \(S,\s\d4(·))O2
eq \(S,\s\d4(·))Oeq \\al(2－,4)
分子或離子
σ鍵電子對數(shù)
中心原子上的孤電子對數(shù)
分子或離子的空間結構名稱
H2Seq \(e,\s\d4(·))
2
2
V形
eq \(B,\s\d4(·))Cl3
3
0
平面三角形
eq \(P,\s\d4(·))Cl3
3
1
三角錐形
eq \(S,\s\d4(·))O2
2
1
V形
eq \(S,\s\d4(·))Oeq \\al(2－,4)
4
0
正四面體形

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第二節(jié) 分子的空間結構

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修2

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