2.2分子的空间结构高二化学讲义课时作业（人教版2019选择性必修2）（原卷版）

第二章分子结构与性质第二节分子的空间结构1.了解常见的分子结构测定方法。2.认识共价分子结构的多样性和复杂性。3.学会用价层电子对互斥模型来判断分子的空间结构。4.了解杂化轨道理论的基本内容知识点一分子结构的测定和多样的分子空间结构。知识点二价层电子对互斥模型。知识点三杂化轨道理论。知识点一分子结构的测定和多样的分子空间结构一、分子结构的测定1.红外光谱仪：通过红外光谱仪测得某未知物的红外光谱图，分析出分子中含有的化学键或官能团。（1）测定原理：分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着的。当一束红外线透过分子时，分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线，再记录到图谱上呈现吸收峰。（2）测定过程：红外光谱图分析吸收峰与谱图库对比推断分子所含的官能团和化学键（3）红外光谱图：表明有机物分子中含有何种化学键或官能团。（4）用途：确定官能团和化学键的类型。2.质谱仪：现代化学常利用质谱仪测定分子的相对分子质量。（1）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，化学家对这些峰进行系统分析，便可得知样品分子的相对分子质量。（2）测定过程：待测物分子离子、碎片离子电场加速磁场偏转质谱图（3）质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。（4）质谱法应用：测定相对分子质量，即：由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大（最右边）的就是未知物的相对分子质量，注意：当“质”为该有机物的相对分子质量，“荷”为一个单位电荷时，质荷比的最大值即为该有机物的相对分子质量——质谱图中最右边的数据。【归纳总结】1.用红外光谱仪测定化学键或官能团信息，大多数已知化合物的红外谱图已建成数据库，通过对比便可得到确认。2.用质谱法测定分子的相对分子质量，在质谱图中质荷比最大的数据（最右边的数据）代表所测物质的相对分子质量。二、多样的分子空间结构1.三原子分子的空间结构——直线型和V形（又称角形）(AB2型)化学式电子式结构式键角空间结构模型空间结构名称CO2O=C=O180º直线型H2O105ºV形2.四原子分子常见的空间结构——平面三角形和三角锥形(AB3型)化学式电子式结构式键角空间结构模型空间结构名称CH2O约120º平面三角形NH3107º三角锥形3.五原子分子常见的空间结构——四面体形(AB4型)化学式电子式结构式键角空间结构模型空间结构名称CH4109º28´正四面体形4.其他多原子分子的空间结构【归纳总结】1.四原子分子的空间结构大多数为平面三角形和三角锥形，也有的为直线形(如C2H2)、正四面体形(如P4)等。2.常见直线形分子：双原子分子、CO2(O=C=O)、HCN(H—C≡N)、乙炔(H—C≡C—H)。3.AB4型分子或离子：CX4(X为卤素原子或氢原子)、SiCl4、SiH4、NH4+、SO24为正四面体形。【例1】2013年诺贝尔化学奖授予美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特、阿里耶·瓦谢勒，以表彰他们“在开发多尺度复杂化学系统模型方面所做的贡献”。这种用电脑取代木棒作试验模型，催生了现代化学研究手段的一次新飞跃。下列不属于现代化学对物质结构进行研究的手段的是()A．X射线B．天平C．质谱 D．核磁共振【例2】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，空间结构不一定是平面三角形C．空间结构是正四面体形，键角一定是109°28′D．键角在90°～109°28′的分子，空间结构可能是V形【变式1】现代化学常用的测定分子的相对分子质量的方法是A．质谱法B．晶体X射线衍射法C．核磁共振氢谱法 D．红外光谱法【变式2】下列分子或离子中，空间结构是平面三角形的是()A.CH4B．NHeq\o\al(＋,4)C．HCHOD．CO2知识点二价层电子对互斥模型一、内容价层电子对互斥模型认为，分子的空间结构是中心原子周围的“”相互排斥的结果。价层电子对是指分子中的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。1.当中心原子的价电子全部参与成键时，为使价电子斥力最小，就要求尽可能采取对称结构。2.当中心原子的价电子部分参与成键时，未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同，从而影响分子的空间结构。3.电子对之间的夹角越大，相互之间的斥力越小。4.成键电子对之间斥力由大到小的顺序：三键三键>三键双键>双键双键>双键单键>单键单键。5.含孤电子对的斥力由大到小的顺序：孤电子对孤电子对>孤电子对单键>单键单键。二、价层电子对数的确定中心原子上的价层电子对数=σ键电子对数+中心原子上的孤电子对数。σ键电子对数可由化学式确定。而中心原子上的孤电子对数，确定方法如下：中心原子上的孤电子对数＝eq\f(1,2)(a－xb)。公式中各字母的含义：a中心原子的价层电子数中心原子的价电子数阳离子=中心原子的价层电子数离子的电荷数阴离子=中心原子的价层电子数+︱离子的电荷数︱x与中心原子结合的原子数b与中心原子结合的原子最多能接受的电子数H=1其他原子=8该原子的价层电子数三、VSEPR模型和分子的空间结构1.如H2O的中心原子上有2个孤电子对和2个σ键电子对，中心原子上的价层电子对数为4，它们相互排斥形成四面体形的VSEPR模型。略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对，因而H2O的空间结构为V形。根据价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构：在确定了分子中中心原子上的σ键电子对数和孤电子对数后，可以依据下面的方法确定相应的较稳定的分子空间结构。σ键电子对数＋孤电子对数＝价层电子对数eq\o(→,\s\up17(价层电子对相互排斥))VSEPR模型eq\o(→,\s\up17(略去孤电子对))分子的空间结构2.常见分子的VSEPR模型和分子的空间结构如下表所示：分子或离子中心原子上的孤电子对数σ键电子对数中心原子上的价层电子对数VSEPR模型VSEPR模型名称空间结构空间结构名称CO2、BeCl2002直线形直线形CO32—、BF3033平面三角形平面三角形SO2、PbCl212V形CH4、CCl4044正四面体形正四面体形NH3、NF313四面体形三角锥形H2O、H2S22V形【归纳总结】1.计算中心原子上价层电子对数的另一种方法对ABm型分子或离子，其中心原子价层电子对数(n)的判断方法：n＝eq\f(1,2)(中心A原子的价电子数＋每个B原子提供的价电子数×m±电荷数)。需要注意：①作为与中心原子结合的原子，卤素原子和氢原子提供1个电子，第ⅥA族元素的原子不提供电子；②若为分子，电荷数为0；③若为阳离子，则减去电荷数，如NHeq\o\al(＋,4)，n＝eq\f(5＋1×4－1,2)＝4；④若为阴离子，则加上电荷数，如SOeq\o\al(2－,4)，n＝eq\f(6＋0＋2,2)＝4；⑤若价电子数出现奇数时，可把这个单电子当作电子对看待。2.使用价层电子对互斥模型判断分子空间结构时需注意：价层电子对互斥模型是价层电子对的空间结构，而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。两者是否一致取决于中心原子上有无孤电子对(未用于形成共价键的电子对)，当中心原子上无孤电子对时，两者的结构一致；当中心原子上有孤电子对时，两者的结构不一致。【例1】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构型【例2】价电子对互斥模型(模型)可有效解释和预测分子的空间构型，下列解释均正确的是选项分子中心原子上价层电子对数分子的空间结构ANH34平面正三角形BPCl4+4正四面体形CBeCl22直线形DBF33三角锥形A．A B．B C．C D．D【变式1】用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．PCl3分子中三个共价键的键能、键长、键角都相等B．NH3、PH3、AsH3键角由大到小的顺序为AsH3>PH3>NH3C．CO2分子的键角是120°D．PCl3、PCl5都是三角锥形的分子【变式2】用价层电子对互斥理论预测H2O和BF3的立体结构，两个结论都正确的是()A.直线形；三角锥形B．V形；三角锥形C.直线形；平面三角形 D．V形；平面三角形知识点三杂化轨道理论一、轨道的杂化与杂化轨道：杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。1.轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。2.杂化轨道：原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。3.杂化轨道理论的要点(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是中心原子。(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。(3)只有能量相近的原子轨道才能杂化(如2s、2p)。(4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量相同。(5)杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图，成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。(6)杂化轨道用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化类型。(7)杂化轨道成键时仍具有共价键的特征——方向性和饱和性(8)杂化轨道数=中心原子上的孤电子对数+与中心原子结合的原子数。(9)为使相互间的排斥力最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同，但形状完全相同。二、杂化轨道类型与分子的空间结构的关系1.杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。当没有孤电子对时，能量相同的杂化轨道彼此远离，形成的分子为对称结构；当有孤电子对时，孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥，形成的分子的空间结构也发生变化。2.杂化轨道与分子的空间结构的关系(1)sp3杂化轨道——正四面体形sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有eq\f(1,4)s和eq\f(3,4)p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。如下图所示。(2)sp2杂化轨道——平面三角形sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有eq\f(1,3)s和eq\f(2,3)p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如下图所示。(3)sp杂化——直线形sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有eq\f(1,2)s和eq\f(1,2)p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如下图所示。（2）当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时由于孤电子对参与互相排斥，会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有2个杂化轨道由孤电子对占据，其分子不呈正四面体形，而呈V形；氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个杂化轨道由孤电子对占据，氨分子不呈正四面体形，而呈三角锥形。3.VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系杂化轨道理论解释了价层电子对互斥模型所推测的分子空间结构，但分析具体分子中的中心原子的杂化轨道类型时，应先确定分子或离子的VSEPR模型，再确定中心原子的杂化轨道类型。VSEPR模型及其中心原子对应的杂化轨道类型如表所示：【例】下列说法正确的是()A．CHCl3呈正四面体形B．H2O分子中O原子采取sp2杂化，其分子空间结构为V形C．CO2分子中C原子采取sp杂化，为直线形分子D．NHeq\o\al(＋,4)呈三角锥形【变式1】下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是()【变式2】下列关于杂化轨道的说法正确的是()A．凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子，其空间结构都是正四面体形B．CH4中的sp3杂化轨道是由4个氢原子的1s轨道和碳原子的2p轨道混合起来形成的C．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相同的新轨道D．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键1．下列有关化学用语正确的是A．的电子式为B．的VSEPR模型为四面体形C．分子的空间结构为直线形D．基态Cu原子的价电子排布图：2.用VSEPR模型预测下列分子或离子的立体结构，其中正确的是()A．NHeq\o\al(＋,4)为正四面体形B．CS2为V形C．HCN为V形D．PCl3为平面三角形3.下列化学用语表示不正确的是A．H2O的VSEPR模型： B．Cr3+的最外层电子排布式：3s23p63d3C．HCl中σ键的电子云图： D．HClO的电子式：4．下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述中错误的是()A．VSEPR模型可用来预测分子的立体结构B．分子中价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不参与互相排斥D．分子中键角越大，价电子对相互排斥力越小，分子越稳定5．下列物质的分子中，键角最小的是()A．CH2CH2B．H2OC．NH3 D．CH46.下列分子中键角最小的是A． B． C． D．7．已知一氯乙烯(C2H3Cl)分子中，C的一个sp2杂化轨道与Cl的3px轨道形成C－Clσ键，并且Cl的3pz轨道与C的2pz轨道形成3中心4电子的大π键(π)。下列粒子中，含有π键的是A．CO B．NO C．O3 D．SO8．下列分子的中心原子含有一个孤电子对的是()A．H2OB．BeCl2C．CH4 D．PCl39.氨气分子空间结构是三角锥形，而甲烷是正四面体形，这是因为()A．两种分子的中心原子杂化轨道类型不同，NH3为sp2杂化，而CH4是sp3杂化B．NH3分子中N原子形成三个杂化轨道，CH4分子中C原子形成4个杂化轨道C．NH3分子中有一个孤电子对，而CH4中没有D．氨气中N的非金属性大于甲烷中C的非金属性10.以下有关杂化轨道的说法中，错误的是()A．ⅠA族元素成键时一般不能形成杂化轨道B．杂化轨道既可形成σ键，也可能形成π键C．孤电子对有可能占据杂化轨道D．s轨道和p轨道杂化不可能有sp4杂化11.短周期元素D、E、X、Y、Z的原子序数逐渐增大，它们的最简单氢化物分子的空间结构依次是正四面体形、三角锥形、正四面体形、V形、直线形。回答下列问题：(1)Z的氢化物的结构式为，HZO分子的中心原子价层电子对数的计算式为，该分子的空间结构为。(2)Y的价层电子排布式为，Y的最高价氧化物的VSEPR模型为。(3)X与Z形成的最简单化合物的化学式是，该分子中的键角是。(4)D、E的最简单氢化物的分子空间结构分别是正四面体形与三角锥形，这是因为(填序号)。a．两种分子的中心原子的价层电子对数不同b．D、E的非金属性不同c．E的氢化物分子中有一对孤电子对，而D的氢化物分子中没有12．(1)利用VSEPR模型推断分子或离子的空间结构。POeq\o\al(3－,4)形；AlBr3(共价分子)形。(2)为了解释和预测分子的空间结构，科学家在归纳了许多已知的分子空间结构的基础上，提出了一种十分简单的理论模型——价层电子对互斥模型。这种模型把分子分成两类：一类是；另一类是。BF3和