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人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第1课时学案设计
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这是一份人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第1课时学案设计，共10页。学案主要包含了学习目标，自主预习，参考答案，效果检测，合作探究，核心归纳，典型例题，活动探究等内容，欢迎下载使用。
1.了解分子结构的测定方法,认识共价分子结构的多样性和复杂性。
2.理解价层电子对互斥理论的含义。
3.能用价层电子对互斥模型判断和解释分子或离子的结构。
【自主预习】
一、分子结构的测定
1.早年的科学家主要靠对物质的化学性质进行系统总结得出规律后推测分子的结构。
2.如今,科学家应用红外光谱、晶体X射线衍射等现代仪器和方法测定分子的结构。
3.红外光谱工作原理
(1)原理:红外线透过分子时,分子会吸收跟它的某些化学键的 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,可以得知分子中含有何种 或官能团的信息。
(2)红外光谱仪原理示意图
【微点拨】
用红外光谱仪测定化学键或官能团信息。用质谱仪测定分子的相对分子质量,在质谱图中质荷比最大的数据代表所测物质的相对分子质量。
二、多样的分子空间结构
1.三原子分子
2.四原子分子
3.五原子分子
4.其他多原子分子的空间结构
三、价层电子对互斥模型
1.理论要点
价层电子对互斥模型(VSEPR mdel)认为,分子的空间结构是中心原子周围的“价层电子对”相互排斥的结果。VSEPR的“价层电子对”是指分子中的 原子与结合原子间的 和中心原子上的 。多重键只计其中的σ键电子对,不计π键电子对。
2.价层电子对确定
用价层电子对互斥模型推测分子的空间结构的关键是判断分子中的中心原子上的价层电子对数。
上式中:a是中心原子的价电子数(阳离子要减去电荷数、阴离子要加上电荷数),b是与中心原子结合的原子最多能接受的电子数,x是与中心原子结合的原子数。
3.价层电子对互斥模型与空间结构
4.用杂化轨道理论推测分子的空间结构
【参考答案】一、3.振动频率 化学键
二、1.180° 直线形 105° V形 2.120° 平面三角形
107° 三角锥形 3.109°28' 正四面体形 109°28'
正四面体形
三、1.中心 σ键电子对 孤电子对
3.直线形 V形 三角锥形
4.直线形 平面三角形 正四面体形
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)CH2Cl2分子只有一种,可说明CH4的空间结构为正四面体形。( )
(2)根据价层电子对互斥模型,H3O+的空间结构为平面正三角形。( )
(3)SO2分子与CO2分子的组成相似,故它们都是直线形分子。( )
(4)分子的VSEPR模型与分子的空间结构一定一致。( )
(5)当中心原子上无孤电子对时,分子的VSEPR模型与分子的空间结构一致。( )
(6)NH3分子中心原子孤电子对为0,空间结构为三角锥形,键角为107°。( )
(7)正四面体结构的分子中键角一定是109°28'。( )
【答案】(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)×
2.常见分子的空间结构主要有哪些?
【答案】直线形、V形、平面三角形、三角锥形、四面体形等。
3.“所有的三原子分子都是直线形结构,四原子分子一定都是平面三角形或三角锥形”结构。这句话正确吗?
【答案】不正确。
4.科学家研制出有望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3(如图所示)。已知该分子中N—N—N键角都是108.1°。试推测四个氮原子围成的空间是正四面体吗?
【答案】不是。由于N—N—N键角都是108.1°。所以四个氮原子围成的空间不是正四面体而是三角锥形。
【合作探究】
任务1：分子结构的测定
情境导入 绍兴是黄酒之乡,绍兴百姓在平时的生活中随时伴随着黄酒,很多菜的做法中都会加入黄酒以调味,醉蟹就是其中一道美食。醉蟹,色如鲜蟹,放在盘中,栩栩如生。其肉质细嫩,味道鲜美,且酒香浓郁芬芳,香中带甜,营养丰富。
问题生成
醉蟹的制作离不开乙醇,为了测定乙醇的结构式是还是,请回答下列问题:
1.乙醇的官能团是什么?二甲醚的官能团是什么?
【答案】羟基—OH;醚键。
2.说出一种简单可行的方法来鉴别二甲醚和乙醇?
【答案】利用金属钠或者金属钾,看是否能够产生气体。
3.(拓展)核磁共振氢谱显示有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3的是乙醇还是二甲醚?
【答案】乙醇。
4.你还能列举一种鉴别乙醇和二甲醚的光谱检验方法吗?理由是什么?
【答案】利用红外光谱法,因为乙醇和二甲醚的官能团不同,红外光谱法能够检验化学键和官能团。
【核心归纳】
常用读谱方法
1.质谱:相对分子质量=最大质荷比。
2.红外光谱:化学键和官能团信息。
3.核磁共振氢谱:吸收峰数目=氢原子种类数,不同吸收峰的面积之比(强度之比)=不同化学环境氢原子的个数之比。
【典型例题】
【例1】已知某有机物A的红外光谱如图所示,质谱图显示其最大质荷比为60,下列说法中不正确的是( )。
A.由红外光谱可知,该有机物分子中至少有三种不同的化学键
B.该有机物的相对分子质量为60
C.仅由红外光谱和质谱无法得知该分子的结构
D.若A的分子式为C3H8O,则其结构简式可能为CH3—CH2—O—CH3
【答案】D
【解析】由红外光谱可知有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键,A项正确;由最大质荷比可知,该有机物的相对分子质量为60,B项正确;由红外光谱图可知该分子结构中含有—OH,但无法确定其具体结构,C项正确;A分子中含有O—H,则不可能含有C—O—C,D项错误。
任务2：分子空间结构的判断
情境导入 干冰是一种制冷剂,还可用于工业清洗,由于干冰容易升华,所以在工业生产中可以用于模具表面的脏污清洗等,且对设备无损害。星级宾馆、酒楼制作的海鲜特色菜肴,在上桌时加入干冰,可以产生白色烟雾景观,提高宴会档次,如制作龙虾刺身。干冰广泛用于舞台、剧场、影视、婚庆、庆典、晚会等制作云海效果,全国及全世界用干冰制作特效的经典剧目不计其数。
问题生成
1.已知CO2分子空间结构为直线形,预测CS2的键角和空间结构。
【答案】键角为180°;空间结构为直线形。
2.已知BF3是平面形分子,请预测BF3的键角是多少?
【答案】120°。
3.BF3和NH3都是四原子分子,可是键角和空间结构不相同,请结合电子式,预测其根本原因是什么?
【答案】BF3的中心原子B没有孤电子对,而NH3的中心原子N有一对孤电子对,空间结构受孤电子对的影响。
4.甲醛、H2O、NH3和CH4中,键角最大的是哪个?键角最小的是哪个?哪个分子为平面结构?
【答案】键角最大的为甲醛;键角最小的为H2O;甲醛分子为平面结构。
【核心归纳】
1.分子组成相似的分子,空间结构不一定相似,如NH3是三角锥形,而BCl3是平面三角形。
2.空间结构相同的分子,键角不一定相同。如CH4和P4均为正四面体结构,但CH4键角为109°28',而P4为60°。
【典型例题】
【例2】下列有关分子空间结构的说法正确的是( )。
A.HClO、BF3、NCl3分子中所有原子的最外层电子都满足了8电子稳定结构
B.P4和CCl4都是正四面体形分子且键角都为109°28'
C.分子中键角的大小:C2H2 >NH3>CCl4
D.CO2分子的空间结构为直线形,C原子没有孤电子对
【答案】D
【解析】HClO中H原子的最外层电子数为2,BF3中B原子的最外层电子数为6,都不满足8电子结构,A项错误。P4是四原子的正四面体形结构,键角为60°,而CH4是五原子的正四面体形结构,键角都为109°28',B项错误。C2H2是直线形分子,键角为180°;NH3为三角锥形分子,键角大约为107°;CCl4为正四面体形分子,键角为109°28',分子中键角的大小:C2H2>CCl4>NH3,C项错误;CO2是直线形分子,其结构式为,C原子没有孤电子对,D项正确。
【例3】(1)硫化氢(H2S)分子中,两个H—S的夹角接近90°,说明H2S分子的空间结构为 。
(2)二硫化碳(CS2)分子中,两个CS的夹角是180°,说明CS2分子的空间结构为 。
(3)能说明CH4分子不是平面四边形,而是正四面体结构的是 (填字母)。
a.两个键之间的夹角为109°28'
b.C—H为极性共价键
c.4个C—H的键能、键长都相等
d.二氯甲烷(CH2Cl2)只有一种(不存在同分异构体)
【答案】(1)V形 (2)直线形 (3)ad
【解析】(1)、(2)中可由键角直接判断分子的空间结构。(3)五原子分子CH4可能有平面四边形和正四面体两种空间结构,不管为哪种,b、c两项都成立;若为前者,则键角为90°,CH2Cl2有两种:和;若为后者,则键角为109°28',CH2Cl2只有一种。
任务3：价层电子对互斥模型
【活动探究】
1.分析BCl3的价层电子对数、VSEPR模型、分子空间结构是怎样的。
【答案】BCl3的价层电子对数有3对,VSEPR模型为平面三角形,分子空间结构为平面三角形。
2.分析NF3的价层电子对数、VSEPR模型、分子空间结构是怎样的。
【答案】NF3的价层电子对数为4对,VSEPR模型为四面体形,分子空间结构为三角锥形。
3.通过(1)、(2)两例分析分子的VSEPR模型与分子的空间结构一定相同吗?二者之间有何规律存在?
【答案】分子的VSEPR模型与分子的空间结构不一定一致,分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构,不包括孤电子对(未用于形成共价键的电子对)。两者是否一致取决于中心原子上有无孤电子对,当中心原子上无孤电子对时,两者的空间结构一致;当中心原子上有孤电子对时,两者的空间结构不一致。
【核心归纳】
利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构
1.中心原子上价层电子对数的确定
中心原子价层电子对数=σ键电子对数+中心原子的孤电子对数。
(1)σ键电子对数:对于ABx型分子,σ键电子对=B原子的个数,如H2O的中心原子是O,有2对σ键电子对。
(2)对于ABx型分子,中心原子上的孤电子对数=12(a-xb),其中a为中心原子的价电子数,x为B原子的个数,b为B原子最多能接受的电子数。对于阳(或阴)离子来说,a为中心原子的价电子数减去(或加上)离子的电荷数。
2.价层电子对互斥(VSEPR)模型的确定
3.分子或离子的空间结构的确定
【典型例题】
【例4】下列对应关系不正确的是( )。
【答案】B
【解析】当中心原子在第ⅤA族时,AB3分子应是三角锥形。当中心原子在第ⅣA族时,AB4分子是正四面体形,当中心原子在第ⅣA族时,AB2分子是直线形,当中心原子在第ⅥA族时,AB2分子是V形。
灵犀一点：用价层电子对互斥模型推测分子或离子的空间结构时的常见错误:
1.计算阴、阳离子的中心原子的价层电子对数时未考虑离子所带电荷而计算错误。
2.不能准确区分和判断孤电子对和成键电子对。判断ABn型分子中孤电子对数的简单方法为孤电子对数=价层电子对数-n。
3.误将VSEPR模型当作分子或离子的空间结构。
【例5】用价层电子对互斥模型可以判断许多分子或离子的空间结构,有时也能用来推测键角大小,下列判断正确的是( )。
A.SO32-中心原子的价层电子对数为3,是平面三角形结构
B.BF3键角为120°,SnBr2的键角大于120°
C.CH2O分子是平面三角形结构
D.PCl3、PCl5分子都是三角锥形结构
【答案】C
【解析】SO32-的中心原子的价层电子对数为4,孤电子对数=12×(6+2-3×2)=1,是三角锥形结构,A项错误;BF3的中心原子的价层电子对数=3+12×(3-3×1)=3,是平面三角形结构,键角为120°,SnBr2的中心原子的价层电子对数=2+12×(4-2×1)=3,且含有一个孤电子对,则SnBr2分子是V形结构,键角小于120°,B项错误;CH2O的中心原子的价层电子对数=3+12×(4-2×1-1×2)=3,且孤电子对数为0,则CH2O分子是平面三角形结构,C项正确;PCl3的中心原子的价层电子对数=3+12×(5-3×1)=4,且含有一个孤电子对,则PCl3分子是三角锥形结构,PCl5的中心原子价层电子对数=5+12×(5-5×1)=5,孤电子对数是0,则PCl5是三角双锥形结构,D项错误。
方法归纳：1.由于孤电子对比成键电子对更靠近中心原子的原子核,因而价层电子对之间的斥力大小顺序:孤电子对与孤电子对之间的斥力>孤电子对与成键电子对之间的斥力>成键电子对与成键电子对之间的斥力。
2.孤电子对数越多,与成键电子对斥力越大,成键原子所形成的键角越小。例如H3O+和H2O键角大小,H3O+中中心原子O上的孤电子对数为1,而H2O中中心原子O上孤电子对数为2,所以H3O+的键角大于H2O分子的键角。
3.结构相同的物质,元素的电负性越大,吸引键合电子的能力越强,成键电子对距离中心原子较近,成键电子对之间的斥力越大,键角越大。例如NH3、PH3、AsH3中,中心原子都是sp3杂化,都有1对孤电子对,NH3分子的中心原子N的电负性大,成键电子对距离中心原子较近,键角越大,所以这三种物质键角由大到小的顺序为NH3>PH3>AsH3。
【随堂检测】
课堂基础
1.能够快速、微量、精确地测定相对分子质量的物理方法是( )。
A.质谱法B.红外光谱法
C.元素分析法D.核磁共振氢谱法
【答案】A
【解析】质谱法能够快速、微量、精确地测定相对分子质量。
2.下列微粒的中心原子的价层电子对数正确的是( )。
A.HCHO 3B.CS2 1
C.BCl3 2D.SO3 2
【答案】A
【解析】在HCHO中,碳原子形成3个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为3,A项正确;在CS2中,碳原子形成2个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为2,B项错误;在BCl3中,B原子形成3个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为3,C项错误;在SO3中,S原子形成3个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为3,D项错误。
3.硒(Se)是第ⅥA族元素,则SeS3的空间结构是( )。
A.正四面体形B.V形
C.三角锥形D.平面三角形
【答案】D
【解析】SeS3中的Se元素呈+6价,Se原子的价层电子对全部用于形成共价键,Se周围有3个硫原子,故其空间结构为平面三角形,D项正确。
4.关于价层电子对互斥理论说法错误的是( )。
A.价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对
B.分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定
C.用该理论预测H2S和BF3的空间结构分别为V形和平面三角形
D.该理论一定能预测出多中心原子的分子、离子或原子团的空间结构
【答案】D
【解析】价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对,不包含π键中的电子对,A项正确。分子中的键角越大,价层电子对之间的距离越大,相互排斥力越小,则分子越稳定,B项正确。H2S中S原子价层电子对数=2+6-1×22=4,且含有2个孤电子对,故H2S分子呈V形结构;BF3中B原子价层电子对数=3+3-1×32=3,且不含孤电子对,故BF3分子呈平面三角形结构,C项正确。该理论不能预测所有分子或离子的空间结构,如:许多过渡金属化合物的几何结构不能用VSEPR模型理论解释,D项错误。
5.下列叙述中正确的是( )。
A.CS2为V形的极性分子,微粒间的作用力为范德华力
B.ClO3-的空间结构为平面三角形
C.氯化硼(BCl3)的B原子价层电子对数为4,含有一对孤电子对,呈三角锥形
D.SiF4和SO32-的中心原子均为sp3杂化,SiF4分子呈正四面体形,SO32-呈三角锥形
【答案】D
【解析】CS2为直线形分子,分子间只存在分子间作用力,A项错误;ClO3-中Cl原子价层电子对数=3+7+1-3×22=4,且Cl原子上孤电子对数为1,则该微粒为三角锥形,B项错误;氯化硼(BCl3)的B原子价层电子对数=3+3-3×12=3,B原子不含孤电子对,该分子为平面正三角形,C项错误;SiF4中Si原子价层电子对数=4+4-4×12=4,且Si原子不含孤电子对,SO32-中S原子价层电子对数=3+6+2-3×22=4,且S原子上孤电子对数为1,SiF4为正四面体形,SO32-为三角锥形,D项正确。
化学式
电子式
结构式
键角
空间填充模型和球棍模型
空间结构
CO2
O········C····O····
H2O
H··O······ H
化学式
电子式
结构式
键角
空间填充模型和球棍模型
空间结构
CH2O
H··C····H ··O·· ··
约
NH3
H··N······HH
化学式
电子式
结构式
键角
空间填充模型和球棍模型
空间结构
CH4
H··C······HHH
CCl4
价层电子对数
成键电子对数
孤电子对数
电子对空间结构
分子空间结构
实例
2
2
0
直线形
CO2
3
3
0
三角形
平面三角形
BF3
2
1
SO2
4
4
0
四面体形
正四面体形
CH4
3
1
NH3
2
2
V形
H2O
杂化类型
杂化轨道数目
杂化轨道间夹角
空间结构
实例
sp
2
180°
BeCl2
sp2
3
120°
BF3
sp3
4
109°28'
CH4
价层电子对数
2
3
4
5
6
VSEPR模型
直线形
平面三角形
正四面体形
三角双锥形
正八面体形
价层电子
对数
σ键电
子对数
孤电子
对数
VSEPR
模型
VSEPR
模型名称
分子或离子的空间
结构名称
代表物质
2
2
0
直线形
直线形
CO2
3
2
1
平面三角形
V形
SO2
3
3
0
平面正三角形
平面正三角形
BF3、SO3、NO3-
4
4
0
正四面体形
正四面体形
CH4、SO42-、NH4+
4
3
1
四面体形
三角锥形
NH3、PCl3
4
2
2
四面体形
V形
H2O、SCl2
选项
A
B
C
D
中心原子所在族
ⅣA
ⅤA
ⅣA
ⅥA
分子通式
AB4
AB3
AB2
AB2
空间结构
正四面体形
平面三角形
直线形
V形
1.了解分子结构的测定方法,认识共价分子结构的多样性和复杂性。
2.理解价层电子对互斥理论的含义。
3.能用价层电子对互斥模型判断和解释分子或离子的结构。
【自主预习】
一、分子结构的测定
1.早年的科学家主要靠对物质的化学性质进行系统总结得出规律后推测分子的结构。
2.如今,科学家应用红外光谱、晶体X射线衍射等现代仪器和方法测定分子的结构。
3.红外光谱工作原理
(1)原理:红外线透过分子时,分子会吸收跟它的某些化学键的 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,可以得知分子中含有何种 或官能团的信息。
(2)红外光谱仪原理示意图
【微点拨】
用红外光谱仪测定化学键或官能团信息。用质谱仪测定分子的相对分子质量,在质谱图中质荷比最大的数据代表所测物质的相对分子质量。
二、多样的分子空间结构
1.三原子分子
2.四原子分子
3.五原子分子
4.其他多原子分子的空间结构
三、价层电子对互斥模型
1.理论要点
价层电子对互斥模型(VSEPR mdel)认为,分子的空间结构是中心原子周围的“价层电子对”相互排斥的结果。VSEPR的“价层电子对”是指分子中的 原子与结合原子间的 和中心原子上的 。多重键只计其中的σ键电子对,不计π键电子对。
2.价层电子对确定
用价层电子对互斥模型推测分子的空间结构的关键是判断分子中的中心原子上的价层电子对数。
上式中:a是中心原子的价电子数(阳离子要减去电荷数、阴离子要加上电荷数),b是与中心原子结合的原子最多能接受的电子数,x是与中心原子结合的原子数。
3.价层电子对互斥模型与空间结构
4.用杂化轨道理论推测分子的空间结构
【参考答案】一、3.振动频率 化学键
二、1.180° 直线形 105° V形 2.120° 平面三角形
107° 三角锥形 3.109°28' 正四面体形 109°28'
正四面体形
三、1.中心 σ键电子对 孤电子对
3.直线形 V形 三角锥形
4.直线形 平面三角形 正四面体形
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)CH2Cl2分子只有一种,可说明CH4的空间结构为正四面体形。( )
(2)根据价层电子对互斥模型,H3O+的空间结构为平面正三角形。( )
(3)SO2分子与CO2分子的组成相似,故它们都是直线形分子。( )
(4)分子的VSEPR模型与分子的空间结构一定一致。( )
(5)当中心原子上无孤电子对时,分子的VSEPR模型与分子的空间结构一致。( )
(6)NH3分子中心原子孤电子对为0,空间结构为三角锥形,键角为107°。( )
(7)正四面体结构的分子中键角一定是109°28'。( )
【答案】(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)×
2.常见分子的空间结构主要有哪些?
【答案】直线形、V形、平面三角形、三角锥形、四面体形等。
3.“所有的三原子分子都是直线形结构,四原子分子一定都是平面三角形或三角锥形”结构。这句话正确吗?
【答案】不正确。
4.科学家研制出有望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3(如图所示)。已知该分子中N—N—N键角都是108.1°。试推测四个氮原子围成的空间是正四面体吗?
【答案】不是。由于N—N—N键角都是108.1°。所以四个氮原子围成的空间不是正四面体而是三角锥形。
【合作探究】
任务1：分子结构的测定
情境导入 绍兴是黄酒之乡,绍兴百姓在平时的生活中随时伴随着黄酒,很多菜的做法中都会加入黄酒以调味,醉蟹就是其中一道美食。醉蟹,色如鲜蟹,放在盘中,栩栩如生。其肉质细嫩,味道鲜美,且酒香浓郁芬芳,香中带甜,营养丰富。
问题生成
醉蟹的制作离不开乙醇,为了测定乙醇的结构式是还是,请回答下列问题:
1.乙醇的官能团是什么?二甲醚的官能团是什么?
【答案】羟基—OH;醚键。
2.说出一种简单可行的方法来鉴别二甲醚和乙醇?
【答案】利用金属钠或者金属钾,看是否能够产生气体。
3.(拓展)核磁共振氢谱显示有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3的是乙醇还是二甲醚?
【答案】乙醇。
4.你还能列举一种鉴别乙醇和二甲醚的光谱检验方法吗?理由是什么?
【答案】利用红外光谱法,因为乙醇和二甲醚的官能团不同,红外光谱法能够检验化学键和官能团。
【核心归纳】
常用读谱方法
1.质谱:相对分子质量=最大质荷比。
2.红外光谱:化学键和官能团信息。
3.核磁共振氢谱:吸收峰数目=氢原子种类数,不同吸收峰的面积之比(强度之比)=不同化学环境氢原子的个数之比。
【典型例题】
【例1】已知某有机物A的红外光谱如图所示,质谱图显示其最大质荷比为60,下列说法中不正确的是( )。
A.由红外光谱可知,该有机物分子中至少有三种不同的化学键
B.该有机物的相对分子质量为60
C.仅由红外光谱和质谱无法得知该分子的结构
D.若A的分子式为C3H8O,则其结构简式可能为CH3—CH2—O—CH3
【答案】D
【解析】由红外光谱可知有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键,A项正确;由最大质荷比可知,该有机物的相对分子质量为60,B项正确;由红外光谱图可知该分子结构中含有—OH,但无法确定其具体结构,C项正确;A分子中含有O—H,则不可能含有C—O—C,D项错误。
任务2：分子空间结构的判断
情境导入 干冰是一种制冷剂,还可用于工业清洗,由于干冰容易升华,所以在工业生产中可以用于模具表面的脏污清洗等,且对设备无损害。星级宾馆、酒楼制作的海鲜特色菜肴,在上桌时加入干冰,可以产生白色烟雾景观,提高宴会档次,如制作龙虾刺身。干冰广泛用于舞台、剧场、影视、婚庆、庆典、晚会等制作云海效果,全国及全世界用干冰制作特效的经典剧目不计其数。
问题生成
1.已知CO2分子空间结构为直线形,预测CS2的键角和空间结构。
【答案】键角为180°;空间结构为直线形。
2.已知BF3是平面形分子,请预测BF3的键角是多少?
【答案】120°。
3.BF3和NH3都是四原子分子,可是键角和空间结构不相同,请结合电子式,预测其根本原因是什么?
【答案】BF3的中心原子B没有孤电子对,而NH3的中心原子N有一对孤电子对,空间结构受孤电子对的影响。
4.甲醛、H2O、NH3和CH4中,键角最大的是哪个?键角最小的是哪个?哪个分子为平面结构?
【答案】键角最大的为甲醛;键角最小的为H2O;甲醛分子为平面结构。
【核心归纳】
1.分子组成相似的分子,空间结构不一定相似,如NH3是三角锥形,而BCl3是平面三角形。
2.空间结构相同的分子,键角不一定相同。如CH4和P4均为正四面体结构,但CH4键角为109°28',而P4为60°。
【典型例题】
【例2】下列有关分子空间结构的说法正确的是( )。
A.HClO、BF3、NCl3分子中所有原子的最外层电子都满足了8电子稳定结构
B.P4和CCl4都是正四面体形分子且键角都为109°28'
C.分子中键角的大小:C2H2 >NH3>CCl4
D.CO2分子的空间结构为直线形,C原子没有孤电子对
【答案】D
【解析】HClO中H原子的最外层电子数为2,BF3中B原子的最外层电子数为6,都不满足8电子结构,A项错误。P4是四原子的正四面体形结构,键角为60°,而CH4是五原子的正四面体形结构,键角都为109°28',B项错误。C2H2是直线形分子,键角为180°;NH3为三角锥形分子,键角大约为107°;CCl4为正四面体形分子,键角为109°28',分子中键角的大小:C2H2>CCl4>NH3,C项错误;CO2是直线形分子,其结构式为,C原子没有孤电子对,D项正确。
【例3】(1)硫化氢(H2S)分子中,两个H—S的夹角接近90°,说明H2S分子的空间结构为 。
(2)二硫化碳(CS2)分子中,两个CS的夹角是180°,说明CS2分子的空间结构为 。
(3)能说明CH4分子不是平面四边形,而是正四面体结构的是 (填字母)。
a.两个键之间的夹角为109°28'
b.C—H为极性共价键
c.4个C—H的键能、键长都相等
d.二氯甲烷(CH2Cl2)只有一种(不存在同分异构体)
【答案】(1)V形 (2)直线形 (3)ad
【解析】(1)、(2)中可由键角直接判断分子的空间结构。(3)五原子分子CH4可能有平面四边形和正四面体两种空间结构,不管为哪种,b、c两项都成立;若为前者,则键角为90°,CH2Cl2有两种:和;若为后者,则键角为109°28',CH2Cl2只有一种。
任务3：价层电子对互斥模型
【活动探究】
1.分析BCl3的价层电子对数、VSEPR模型、分子空间结构是怎样的。
【答案】BCl3的价层电子对数有3对,VSEPR模型为平面三角形,分子空间结构为平面三角形。
2.分析NF3的价层电子对数、VSEPR模型、分子空间结构是怎样的。
【答案】NF3的价层电子对数为4对,VSEPR模型为四面体形,分子空间结构为三角锥形。
3.通过(1)、(2)两例分析分子的VSEPR模型与分子的空间结构一定相同吗?二者之间有何规律存在?
【答案】分子的VSEPR模型与分子的空间结构不一定一致,分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构,不包括孤电子对(未用于形成共价键的电子对)。两者是否一致取决于中心原子上有无孤电子对,当中心原子上无孤电子对时,两者的空间结构一致;当中心原子上有孤电子对时,两者的空间结构不一致。
【核心归纳】
利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构
1.中心原子上价层电子对数的确定
中心原子价层电子对数=σ键电子对数+中心原子的孤电子对数。
(1)σ键电子对数:对于ABx型分子,σ键电子对=B原子的个数,如H2O的中心原子是O,有2对σ键电子对。
(2)对于ABx型分子,中心原子上的孤电子对数=12(a-xb),其中a为中心原子的价电子数,x为B原子的个数,b为B原子最多能接受的电子数。对于阳(或阴)离子来说,a为中心原子的价电子数减去(或加上)离子的电荷数。
2.价层电子对互斥(VSEPR)模型的确定
3.分子或离子的空间结构的确定
【典型例题】
【例4】下列对应关系不正确的是( )。
【答案】B
【解析】当中心原子在第ⅤA族时,AB3分子应是三角锥形。当中心原子在第ⅣA族时,AB4分子是正四面体形,当中心原子在第ⅣA族时,AB2分子是直线形,当中心原子在第ⅥA族时,AB2分子是V形。
灵犀一点：用价层电子对互斥模型推测分子或离子的空间结构时的常见错误:
1.计算阴、阳离子的中心原子的价层电子对数时未考虑离子所带电荷而计算错误。
2.不能准确区分和判断孤电子对和成键电子对。判断ABn型分子中孤电子对数的简单方法为孤电子对数=价层电子对数-n。
3.误将VSEPR模型当作分子或离子的空间结构。
【例5】用价层电子对互斥模型可以判断许多分子或离子的空间结构,有时也能用来推测键角大小,下列判断正确的是( )。
A.SO32-中心原子的价层电子对数为3,是平面三角形结构
B.BF3键角为120°,SnBr2的键角大于120°
C.CH2O分子是平面三角形结构
D.PCl3、PCl5分子都是三角锥形结构
【答案】C
【解析】SO32-的中心原子的价层电子对数为4,孤电子对数=12×(6+2-3×2)=1,是三角锥形结构,A项错误;BF3的中心原子的价层电子对数=3+12×(3-3×1)=3,是平面三角形结构,键角为120°,SnBr2的中心原子的价层电子对数=2+12×(4-2×1)=3,且含有一个孤电子对,则SnBr2分子是V形结构,键角小于120°,B项错误;CH2O的中心原子的价层电子对数=3+12×(4-2×1-1×2)=3,且孤电子对数为0,则CH2O分子是平面三角形结构,C项正确;PCl3的中心原子的价层电子对数=3+12×(5-3×1)=4,且含有一个孤电子对,则PCl3分子是三角锥形结构,PCl5的中心原子价层电子对数=5+12×(5-5×1)=5,孤电子对数是0,则PCl5是三角双锥形结构,D项错误。
方法归纳：1.由于孤电子对比成键电子对更靠近中心原子的原子核,因而价层电子对之间的斥力大小顺序:孤电子对与孤电子对之间的斥力>孤电子对与成键电子对之间的斥力>成键电子对与成键电子对之间的斥力。
2.孤电子对数越多,与成键电子对斥力越大,成键原子所形成的键角越小。例如H3O+和H2O键角大小,H3O+中中心原子O上的孤电子对数为1,而H2O中中心原子O上孤电子对数为2,所以H3O+的键角大于H2O分子的键角。
3.结构相同的物质,元素的电负性越大,吸引键合电子的能力越强,成键电子对距离中心原子较近,成键电子对之间的斥力越大,键角越大。例如NH3、PH3、AsH3中,中心原子都是sp3杂化,都有1对孤电子对,NH3分子的中心原子N的电负性大,成键电子对距离中心原子较近,键角越大,所以这三种物质键角由大到小的顺序为NH3>PH3>AsH3。
【随堂检测】
课堂基础
1.能够快速、微量、精确地测定相对分子质量的物理方法是( )。
A.质谱法B.红外光谱法
C.元素分析法D.核磁共振氢谱法
【答案】A
【解析】质谱法能够快速、微量、精确地测定相对分子质量。
2.下列微粒的中心原子的价层电子对数正确的是( )。
A.HCHO 3B.CS2 1
C.BCl3 2D.SO3 2
【答案】A
【解析】在HCHO中,碳原子形成3个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为3,A项正确;在CS2中,碳原子形成2个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为2,B项错误;在BCl3中,B原子形成3个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为3,C项错误;在SO3中,S原子形成3个σ键,孤电子对数为0,故价层电子对数为3,D项错误。
3.硒(Se)是第ⅥA族元素,则SeS3的空间结构是( )。
A.正四面体形B.V形
C.三角锥形D.平面三角形
【答案】D
【解析】SeS3中的Se元素呈+6价,Se原子的价层电子对全部用于形成共价键,Se周围有3个硫原子,故其空间结构为平面三角形,D项正确。
4.关于价层电子对互斥理论说法错误的是( )。
A.价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对
B.分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定
C.用该理论预测H2S和BF3的空间结构分别为V形和平面三角形
D.该理论一定能预测出多中心原子的分子、离子或原子团的空间结构
【答案】D
【解析】价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对,不包含π键中的电子对,A项正确。分子中的键角越大,价层电子对之间的距离越大,相互排斥力越小,则分子越稳定,B项正确。H2S中S原子价层电子对数=2+6-1×22=4,且含有2个孤电子对,故H2S分子呈V形结构;BF3中B原子价层电子对数=3+3-1×32=3,且不含孤电子对,故BF3分子呈平面三角形结构,C项正确。该理论不能预测所有分子或离子的空间结构,如:许多过渡金属化合物的几何结构不能用VSEPR模型理论解释,D项错误。
5.下列叙述中正确的是( )。
A.CS2为V形的极性分子,微粒间的作用力为范德华力
B.ClO3-的空间结构为平面三角形
C.氯化硼(BCl3)的B原子价层电子对数为4,含有一对孤电子对,呈三角锥形
D.SiF4和SO32-的中心原子均为sp3杂化,SiF4分子呈正四面体形,SO32-呈三角锥形
【答案】D
【解析】CS2为直线形分子,分子间只存在分子间作用力,A项错误;ClO3-中Cl原子价层电子对数=3+7+1-3×22=4,且Cl原子上孤电子对数为1,则该微粒为三角锥形,B项错误;氯化硼(BCl3)的B原子价层电子对数=3+3-3×12=3,B原子不含孤电子对,该分子为平面正三角形,C项错误;SiF4中Si原子价层电子对数=4+4-4×12=4,且Si原子不含孤电子对,SO32-中S原子价层电子对数=3+6+2-3×22=4,且S原子上孤电子对数为1,SiF4为正四面体形,SO32-为三角锥形,D项正确。
化学式
电子式
结构式
键角
空间填充模型和球棍模型
空间结构
CO2
O········C····O····
H2O
H··O······ H
化学式
电子式
结构式
键角
空间填充模型和球棍模型
空间结构
CH2O
H··C····H ··O·· ··
约
NH3
H··N······HH
化学式
电子式
结构式
键角
空间填充模型和球棍模型
空间结构
CH4
H··C······HHH
CCl4
价层电子对数
成键电子对数
孤电子对数
电子对空间结构
分子空间结构
实例
2
2
0
直线形
CO2
3
3
0
三角形
平面三角形
BF3
2
1
SO2
4
4
0
四面体形
正四面体形
CH4
3
1
NH3
2
2
V形
H2O
杂化类型
杂化轨道数目
杂化轨道间夹角
空间结构
实例
sp
2
180°
BeCl2
sp2
3
120°
BF3
sp3
4
109°28'
CH4
价层电子对数
2
3
4
5
6
VSEPR模型
直线形
平面三角形
正四面体形
三角双锥形
正八面体形
价层电子
对数
σ键电
子对数
孤电子
对数
VSEPR
模型
VSEPR
模型名称
分子或离子的空间
结构名称
代表物质
2
2
0
直线形
直线形
CO2
3
2
1
平面三角形
V形
SO2
3
3
0
平面正三角形
平面正三角形
BF3、SO3、NO3-
4
4
0
正四面体形
正四面体形
CH4、SO42-、NH4+
4
3
1
四面体形
三角锥形
NH3、PCl3
4
2
2
四面体形
V形
H2O、SCl2
选项
A
B
C
D
中心原子所在族
ⅣA
ⅤA
ⅣA
ⅥA
分子通式
AB4
AB3
AB2
AB2
空间结构
正四面体形
平面三角形
直线形
V形
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