新教材2023年高中化学第2章分子结构与性质第2节分子的空间结构第1课时分子结构的测定多样的分子空间结构价层电子对互斥模型课件新人教版选择性必修2

第1课时

分子结构的测定

多样的分子空间结构

价层电子对互斥模型目标素养1.结合实例了解共价分子具有特定的空间结构,并可运用相关理论和模型进行解释和预测。培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养。2.知道分子的结构可以通过波谱、晶体X射线衍射等技术进行测定。培养宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识的化学学科核心素养。知识概览

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结构。

3.红外光谱仪的工作原理。红外线透过分子时,分子会吸收跟它的某些化学键的

振动频率

相同的红外线,再记录到谱图上呈现吸收峰,通过和已有谱图库对比,或通过量子化学计算,得知

化学键

或官能团的信息。

4.用质谱法测定分子的相对分子质量。(1)基本原理:在质谱仪中使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子等粒子。由于生成的离子具有不同的相对质量,它们在高压电场加速后,通过狭缝进入磁场得以分离,在记录仪上呈现一系列峰,对这些峰进行分析可得知样品分子的

相对分子质量

。

(2)认识质谱图。

微训练11.利用红外光谱对有机化合物分子进行测试并记录,可初步判断该有机化合物分子(

)。A.具有的同分异构体数B.含有的原子个数C.含有的化学键或官能团种类D.分子式答案:C2.已知利用质谱仪测定某物质的相对分子质量,所得质谱图如下所示,由此确定该物质的相对分子质量为(

)。

A.15 B.29C.40 D.44答案:D二、多样的分子空间结构1.常见分子的空间结构。2.一些分子的空间结构模型。分子空间结构与其稳定性有关。如S8的空间结构为

皇冠

式时稳定;

椅

式C6H12比

船

式C6H12稳定。

微训练21.(2020天津南开期末)下列分子的空间结构为V形的是(

)。A.CO2

B.H2C.H2O D.CH4答案:C2.下列分子的空间结构模型正确的是(

)。答案:D解析:CO2的空间结构为直线形,A项错误。H2O的空间结构为V形,B项错误。NH3的空间结构为三角锥形,C项错误。CH4的空间结构为正四面体形,D项正确。三、价层电子对互斥模型1.价层电子对互斥模型。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。

2.中心原子上价层电子对的计算。(1)价层电子对包括:分子中的中心原子与结合原子间的

σ键电子对

和

中心原子上的孤电子对

。

(2)计算。①σ键电子对的计算。可由化学式确定,即中心原子形成几个σ键,就有几个σ键电子对。如H2O分子中,O有

2

个σ键电子对;NH3分子中,N有

3

个σ键电子对。

②中心原子上的孤电子对的计算。中心原子上的孤电子对数=a.a表示中心原子的

价电子数

。

对于主族元素:a=

原子的最外层电子数

。

对于阳离子:a=

中心原子的价电子数

-

离子的电荷数

。对于阴离子:a=

中心原子的价电子数

+

离子的电荷数(绝对值)

。b.x表示

与中心原子结合的原子数

。

c.b表示与中心原子结合的原子

最多能接受的电子数

,氢为

1

,其他原子=

8-该原子的价电子数

。

(3)几种分子或离子的中心原子上的孤电子对数。3.VSEPR模型与分子或离子的空间结构。σ键电子对数+孤电子对数=价层电子对数→VSEPR模型

分子或离子的空间结构。由于孤电子对有较大斥力,含孤电子对的分子的实测键角几乎都

小于

VSEPR模型的预测值。价层电子对互斥模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子。

微训练31.H2O2的结构式为H—O—O—H,下列有关H2O2的说法正确的是(

)。A.是直线形分子

B.是三角锥形分子C.氧原子有1个孤电子对 D.氧原子的价层电子对数为4答案:D解析:H2O2中的每个氧原子有6个价电子,每个氧原子形成了2个σ键,故还有4个电子没有成键,每个氧原子上的孤电子对数为2,价层电子对数为4,C项错误,D项正确。以氧原子为中心的三个原子呈V形结构,H2O2中相当于有两个V形结构,故不可能是直线形或三角锥形分子,A、B两项错误。2.H2O的中心原子上有

个孤电子对,与中心原子上的

键电子对相加,可知中心原子的价层电子对数等于

,它们相互排斥形成

形VSEPR模型。略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对,因而H2O分子呈

形。

答案:2

σ

4四面体V一

常见分子的空间结构重难归纳1.分子的空间结构与键角关系的一般规律。分子类型键角空间结构实例AB2180°直线形CO2、BeCl2、CS2<180°V形H2O、H2SAB3120°平面三角形CH2O、BF3、BCl3<120°三角锥形NH3、PH3AB4109°28'正四面体形CH4、CCl42.典型有机化合物分子的空间结构:C2H4、苯(C6H6)、CH2=CH—CH=CH2(1,3-丁二烯)、CH2=CH—C≡CH(乙烯基乙炔)、CH2O(甲醛)等都是平面形分子;C2H2为直线形分子。3.依据元素周期律推测空间结构相似的分子,如CO2与CS2、H2O与H2S、NH3与PH3、CH4与CCl4等;CH4和CCl4都是五原子型正四面体结构,CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3是四面体结构但不是正四面体结构,而白磷是四原子型正四面体结构,它与CH4等五原子型正四面体结构中原子的空间分布、键角是不同的(P4分子中的键角为60°)。4.分子的空间结构不同的原因:共价键的方向性与饱和性,由此导致共价键的键长、键角不同。(1)硫化氢分子中,H—S—H的键角接近90°,推测H2S分子的空间结构是怎样的。(2)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的键角都是108.1°。试推测四个氮原子围成的空间结构是正四面体形吗?提示:(1)V形。(2)不是。由于N—N—N的键角都是108.1°,所以四个氮原子围成的空间结构不是正四面体形,而是三角锥形。典例剖析下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是(

)。A.键角为180°的分子,空间结构是直线形B.键角为120°的分子,空间结构是平面三角形C.键角为60°的分子,空间结构可能是正四面体形D.键角为90°~109°28'之间的分子,空间结构可能是V形答案:B解析:键角为180°的分子,空间结构是直线形,例如CO2是直线形分子,A项正确。苯的键角为120°,但其空间结构是平面正六边形,B项错误。白磷的键角为60°,空间结构为正四面体形,C项正确。水的键角为105°,空间结构为V形,D项正确。学以致用1.下列各组分子中所有原子都可能处于同一平面的是(

)。A.CH4、CS2、BF3B.CO2、H2O、NH3C.C2H4、C2H2、C6H6D.CCl4、BeCl2、PH3答案:C解析:CH4和CCl4为正四面体形分子,NH3和PH3为三角锥形分子,这几种分子的所有原子不可能都在同一平面上。CS2、CO2、C2H2和BeCl2为直线形分子,C2H4为平面形分子,BF3为平面三角形分子,C6H6为平面正六边形分子,H2O为V形分子,这些分子中所有原子都在同一平面上。故C项符合题意。2.第ⅤA族元素的原子R与A原子结合形成RA3气态分子,其空间结构呈三角锥形。RCl5在气态和液态时,分子结构如图所示,下列关于RCl5分子的说法中不正确的是(

)。RCl5的分子结构

A.并不是每个原子都达到8电子稳定结构B.键角(Cl—R—Cl)有90°、120°、180°三种C.RCl5受热后会分解生成分子RCl3和Cl2,RCl3键角(Cl—R—Cl)为109°28'D.分子中5个R—Cl的键能不都相同答案:C解析:R原子最外层有5个电子,与5个Cl形成5个共用电子对,所以RCl5中R原子的最外层电子数为10,不满足8电子稳定结构,

A项正确。RCl5中上下两个顶点的Cl与中心R原子所形成σ键(Cl—R—Cl)的键角为180°;中间平面三角形中R与3个Cl形成的σ键(Cl—R—Cl)的键角为120°;中间平面上的R与该平面上的Cl和顶点的Cl所形成的σ键(Cl—R—Cl)的键角为90°,所以键角(Cl—R—Cl)有90°、120°、180°三种,

B项正确。RCl3呈三角锥形,键角不是109°28',

C项错误。键长越短,键能越大,键长不同,所以键能不同,

D项正确。二

利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构重难归纳1.价层电子对互斥模型要点。(1)对于ABn型分子,分子的空间结构主要取决于中心原子A的价层电子对的相互排斥。价层电子对数=σ键电子对数+中心原子的孤电子对数。(2)中心原子的价层电子对数和分子的空间结构的关系。价层电子对数23456分子的空间结构直线形平面三角形正四面体三角双锥正八面体2.利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构的解题思路。3.(1)若ABn型分子中,A与B之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成,则价层电子对互斥模型对双键或三键只计为一个σ键电子对看待。(2)价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律:孤电子对-孤电子对>孤电子对-成键电子对>成键电子对-成键电子对。随着孤电子对数目的增多,成键电子对与成键电子对之间的斥力减小,键角也减小。如CH4、NH3和H2O分子中的键角依次减小。分子中中心原子上的价层电子对(包括成键电子对和孤电子对)间由于相互排斥作用,尽可能趋向彼此远离。电子对之间的夹角越大,相互之间的斥力越小。如图所示:(1)价层电子对互斥模型与分子的空间结构一定一致吗?什么条件下一致?(2)NH3和BCl3均符合通式AX3,但NH3分子呈三角锥形而BCl3呈平面正三角形,请解释原因。(3)对于乙醇和乙酸,同样可以用“价电子对相互排斥而尽量远离”的原则快捷地判断它们分子的空间结构。①根据信息中的图示,结合价层电子对互斥模型分析乙醇分子中C—O—H的空间结构。②根据信息中的图示,结合价层电子对互斥模型分析乙酸分子中

的空间结构。提示:(1)不一定一致。分子的空间结构实质是中心原子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,两者一致;当中心原子上有孤电子对时,两者不一致。(2)NH3分子中N原子上有孤电子对,对N—H

σ键电子对产生排斥作用,故NH3分子呈三角锥形;BCl3分子中B原子上无孤电子对,故BCl3分子呈平面正三角形。②在乙酸分子中,羧基上的碳原子的价层电子对均为σ键电子对,C=O上的σ键电子对仅有一个空间取向,因此羧基上碳原子的价层电子对共有三个空间取向,相互排斥而远离,

呈三角形。(3)①在乙醇分子中,羟基上的氧原子有两个σ键电子对和两个孤电子对,价层电子对共有四个空间取向,氧原子的价层电子对相互排斥而远离,呈四面体形,因此C—O—H呈角形。典例剖析下列关于表中所列四种粒子的各项描述完全正确的一项是(

)。答案:C易错警示用价层电子对互斥模型推测分子或离子空间结构时的常见错误:

(1)计算阴、阳离子的中心原子上的价层电子对数时未考虑离子所带电荷而计算错误。

(2)由电子式或结构式判断中心原子上的价层电子对数时未将双键或三键当作一个价层电子对计算。(3)不能准确区分和判断中心原子上的孤电子对和成键电子对。判断ABn型分子中心原子上的孤电子对数的简单方法为孤电子对数=价层电子对数-n。

(4)误将VSEPR模型当作分子或离子的空间结构。

(5)错误地利用相似性规律判断分子或离子的空间结构。学以致用1.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述中不正确的是(

)。A.VSEPR模型可用来预测分子的空间结构B.分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构C.中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥D.分子中键角越大,价层电子对间的相互排斥力越大,分子越稳定答案:D解析:VSEPR模型可用来预测分子的空间结构,注意分子的空间结构要略去VSEPR模型中的孤电子对,

A项正确。分子的空间结构与价电子对相互排斥有关,所以分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构,

B项正确。中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥,且孤电子对间的排斥力>孤电子对和σ键电子对间的排斥力,

C项正确。分子的稳定性与键角没有直接关系,

D项不正确。2.下列分子或离子中,价层电子对互斥模型名称与分子或离子的空间结构名称不一致的是(

)。A.CO2

B.H2OC. D.CCl4答案:BCCl4的中心原子C上的价层电子对个数=

=4,VSEPR模型为正四面体形,中心原子C上不含有孤电子对,分子的空间结构为正四面体形,VSEPR模型与分子的空间结构一致,

D项不符合题意。1.根据价层电子对互斥模型,判断下列分子或者离子的空间结构不是三角锥形的是(

)。A.PCl3

B.H3O+C.HCHO D.PH3答案:C解析:PCl3中P上的σ键电子对数为3,孤电子对数为1,其价层电子对互斥模型为四面体形,分子的空间结构为三角锥形;H3O+和PH3中中心原子上的σ键电子对数和孤电子对数均分别为3和1,两者的空间结构均为三角锥形;HCHO的中心原子上的价电子都用来形成共价键,中心原子周围的原子数为3,空间结构为平面三角形。2.下列叙述中正确的是(

)。A.NH3中N处在3个H所组成的三角形的中心B.CCl4中C处在4个Cl所组成的正方形的中心C.H2O中O处在2个H所连成的直线的中央D.CO2中C处在2个O所连成的直线的中央答案:D解析:NH3呈三角锥形,N位于锥顶,A项错误。CCl4呈正四面体形,B项错误。H2O呈V形,C项错误。CO2呈直线形,C位于两个O连线的中央,D项正确。3.下列有关价层电子对互斥模型的描述正确的是(

)。A.价层电子对就是σ键电子对B.孤电子对数由分子式来确定C.分子的空间结构是价层电子对互斥的结果D.孤电子对数等于π键数答案:C解析:价层电子对数是σ键电子对数与孤电子对数之和,孤电子对数是指没有成键