2024年高中化学新教材同步选择性必修第二册 第2章　第2节　第1课时　分子结构的测定和多样性　价层电子对互斥模型

第二节分子的空间结构第1课时分子结构的测定和多样性价层电子对互斥模型[核心素养发展目标]1.了解分子结构的测定方法。2.通过对典型分子空间结构的学习，认识微观结构对分子空间结构的影响，了解共价分子结构的多样性和复杂性。3.通过对价层电子对互斥模型的探究，建立解决复杂分子结构判断的思维模型。一、分子结构的测定1．分子结构的现代测定方法红外光谱、质谱法(测定分子的相对分子质量)、晶体X射线衍射等。2．红外光谱(1)原理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。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可分析出分子中含有何种化学键或官能团的信息。(2)红外光谱仪原理示意图(3)实例如乙醇的红外光谱：读谱：该有机物分子中有3种不同的化学键，分别是C—H、O—H、C—O。3．相对分子质量的确定——质谱法实例：如甲苯分子的质谱图：读谱：相对分子质量＝最大质荷比，甲苯的相对分子质量为92。1．如图所示是某分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物可能为()A．CH3COOCH2CH3B．CH3CH2CH2COOHC．HCOOCH2CH2CH3D．(CH3)2CHCH2COOH答案A解析该物质分子中至少含有两个甲基，且不对称，含有碳氧双键和碳氧单键。A项，CH3COOCH2CH3分子中存在不对称—CH3、C—O—C和C=O，且分子式为C4H8O2，正确；B项，CH3CH2CH2COOH分子中含有1个—CH3，且不存在C—O—C，错误；C项，HCOOCH2CH2CH3分子中只含有1个—CH3，错误；D项，(CH3)2CHCH2COOH分子中存在对称—CH3，不存在C—O—C，且含有5个碳原子，错误。2．如图是有机物A的质谱图，则A的相对分子质量是()A．29 B．43C．57 D．72答案D解析由有机物A的质谱图可以看出，最大质荷比为72，故A的相对分子质量为72。二、多样的分子空间结构观察下列几种简单的分子的空间结构模型。(1)填写下表：化学式电子式结构式键角分子的空间结构三原子分子CO2OC=O180°直线形H2O105°V形(角形)四原子分子BF3120°平面正三角形NH3107°三角锥形CH2O120°平面三角形五原子分子CH4109°28′正四面体形CH3Cl—四面体形(2)分析上表，各种分子的空间结构与下列哪些因素有关？①原子数目②键能③键长④键角⑤孤电子对提示①③④⑤1．四原子分子都是平面三角形或三角锥形吗？提示不是。H2O2分子的结构类似于一本打开的书，两个氧原子在两页书的交接处，两个氢原子分别在翻开的书的两页上。而白磷(P4)分子为正四面体形。2．空间结构相同的分子，其键角完全相同吗？提示不一定，如P4和CH4均为正四面体形，但P4的键角是60°，CH4的键角为109°28′。1．正误判断(1)所有的三原子分子都是直线形结构()(2)五原子分子的空间结构都是正四面体()(3)正四面体形的键角均为109°28′()(4)SiCl4、SiH4、NHeq\o\al(＋,4)、CH3Cl均为正四面体结构()(5)SF6分子的空间结构为正八面体形()(6)椅式C6H12比船式C6H12稳定()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√(6)√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解析苯分子的键角为120°，但其空间结构是平面正六边形，B错误；白磷分子的键角为60°，空间结构为正四面体形，C正确；水分子的键角为105°，空间结构为V形，D正确。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C=S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(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。几种常见分子的空间结构(1)常见的空间结构为直线形的分子有BeCl2、HCN、C2H2、CO2等。(2)常见的空间结构为V形的分子有H2O、H2S、SO2等。(3)常见的空间结构为平面三角形的分子有BF3、SO3、HCHO等。(4)常见的空间结构为三角锥形的分子有PH3、PCl3、NH3等。(5)常见的空间结构为正四面体形的分子有CH4、CCl4、SiH4、SiF4等；是四面体形但不是正四面体形的有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等。三、价层电子对互斥模型1．价层电子对互斥模型(VSEPRmodel)对ABn型的分子或离子，中心原子A的价层电子对(包括成键的σ键电子对和未成键的孤电子对)之间由于存在排斥力，将使分子的空间结构总是采取电子对相互排斥最弱的那种结构，以使彼此之间斥力最小，分子或离子的体系能量最低，最稳定。2．价层电子对的计算(1)中心原子价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数。(2)σ键电子对数的计算由化学式确定，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。(3)中心原子上的孤电子对数的计算①中心原子上的孤电子对数＝eq\f(1,2)(a－xb)ⅰ.a表示中心原子的价电子数。具体情况如下表所示：对象公式主族元素a＝原子的最外层电子数阳离子a＝中心原子的价电子数－离子的电荷数阴离子a＝中心原子的价电子数＋离子的电荷数(绝对值)ⅱ.x表示与中心原子结合的原子数。ⅲ.b表示与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。对象公式Hb＝1其他原子b＝8－该原子的价电子数②几种常见分子或离子的中心原子上的孤电子对数如下表所示：分子或离子中心原子axb中心原子上的孤电子对数SO2S6221NH3N5311NHeq\o\al(＋,4)N5－1＝4410COeq\o\al(2－,3)C4＋2＝63203.价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)4．VSEPR模型的应用——预测分子或离子空间结构(1)基本思路对于ABn型分子，利用VSEPR模型推测分子或离子空间结构的思路如下：(2)具体实例①中心原子不含孤电子对分子或离子中心原子的价层电子对数VSEPR模型及名称分子或离子的空间结构及名称CO22直线形直线形COeq\o\al(2－,3)3平面三角形平面三角形CH44正四面体形正四面体形②中心原子含孤电子对分子或离子中心原子的价层电子对数中心原子的孤电子对数VSEPR模型及名称分子或离子的空间结构及名称NH341四面体形三角锥形H2O42四面体形V形H3O＋41四面体形三角锥形SO231平面三角形V形(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把双键或三键作为一个电子对看待。价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：孤电子对与孤电子对＞孤电子对与成键电子对＞成键电子对与成键电子对。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。(3)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。1．价层电子对的VSEPR模型与分子的空间结构一定一致吗？什么时候一致？提示不一定一致。中心原子有孤电子对时，二者结构不一致；当中心原子无孤电子对时，二者结构一致。2．试解释CH4键角(109°28′)、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的原因。提示CH4分子中C原子没有孤电子对，NH3分子中N原子上有1个孤电子对，H2O分子中O原子上有2个孤电子对，对成键电子对的排斥作用增大，故键角依次减小。1．正误判断(1)分子的VSEPR模型和相应分子的空间结构是相同的()(2)SO2与CO2的分子组成相似，故它们分子的空间结构相同()(3)由价层电子对互斥模型可知SnBr2分子中Sn—Br的键角小于180°()(4)根据价层电子对互斥模型可以判断H3O＋与NH3的分子(或离子)的空间结构一致()答案(1)×(2)×(3)√(4)√2．下列分子或离子中，中心原子含有孤电子对的是()A．PCl5B．NOeq\o\al(－,3)C．SiCl4D．PbCl2答案D解析PCl5中中心原子磷原子孤电子对数＝eq\f(1,2)×(5－5×1)＝0，故A不选；NOeq\o\al(－,3)中中心原子氮原子孤电子对数＝eq\f(1,2)×(5＋1－3×2)＝0，故B不选；SiCl4中中心原子硅原子孤电子对数＝eq\f(1,2)×(4－4×1)＝0，故C不选；PbCl2中中心原子铅原子孤电子对数＝eq\f(1,2)×(4－2×1)＝1，故D选。3．美国化学家鲍林教授具有独特的化学想象力：只要给他物质的分子式，他就能大体上想象出这种物质的分子结构模型。多核离子所带电荷可以认为是中心原子得失电子所致，根据VSEPR模型，下列离子中所有原子都在同一平面上的一组是()A．NOeq\o\al(－,2)和NHeq\o\al(＋,4) B．H3O＋和ClOeq\o\al(－,3)C．NOeq\o\al(－,3)和COeq\o\al(2－,3) D．POeq\o\al(3－,4)和SOeq\o\al(2－,4)答案C4．用价层电子对互斥模型完成下列问题(加“·”的原子为中心原子)。σ键电子对数孤电子对数空间结构H2eq\o(Se,\s\do4(·))eq\o(S,\s\do4(·))Cl2eq\o(P,\s\do4(·))Cl3eq\o(S,\s\do4(·))O2eq\o(S,\s\do4(·))Oeq\o\al(2－,4)eq\o(O,\s\do4(·))F2eq\o(Cl,\s\do4(·))Feq\o\al(＋,2)答案σ键电子对数孤电子对数空间结构H2eq\o(Se,\s\do4(·))22V形eq\o(S,\s\do4(·))Cl222V形eq\o(P,\s\do4(·))Cl331三角锥形eq\o(S,\s\do4(·))O221V形eq\o(S,\s\do4(·))Oeq\o\al(2－,4)40正四面体形eq\o(O,\s\do4(·))F222V形eq\o(Cl,\s\do4(·))Feq\o\al(＋,2)22V形题组一分子结构的测定1．TBC的一种标准谱图如图所示，它是()A．核磁共振氢谱B．质谱C．红外光谱D．紫外光谱答案C2．已知某分子质谱图如图所示，且分子的红外光谱信息中含有C—O、C—H、O—H的吸收峰。下列关于其分子结构的叙述正确的是()A．该分子的结构为CH3CH2OHB．该分子的相对分子质量可能为27、31、45或46C．该分子的结构为CH3—O—CH3D．该分子的红外光谱和质谱都可以全面反映分子结构的信息答案A解析题中分子的相对分子质量为46，B错误；从该分子的红外光谱信息可知，分子中有羟基，A正确、C错误；质谱只能反映分子相对分子质量信息，不能全面反映分子结构的信息，D错误。题组二多样的分子空间结构3．下列各组分子中所有的原子都处于同一平面的是()A．CH4、CS2、BF3B．CO2、H2O、NH3C．甲醛(CH2O)、C2H2、苯(C6H6)D．CCl4、BeCl2、PH3答案C解析CH4和CCl4均为正四面体形分子，NH3和PH3均为三角锥形分子，所有原子不可能在同一平面内。4．在白磷(P4)分子中，4个P原子分别处在正四面体的四个顶点，结合有关P原子的成键特点，下列有关白磷的说法正确的是()A．白磷分子的键角为109°28′B．分子中共有4对共用电子对C．白磷分子的键角为60°D．分子中有6对未成键价电子答案C解析根据共价键的方向性和饱和性，每个磷原子都以3个共价键与其他3个磷原子结合，从而形成正四面体结构，键角为60°。5．H2O2的结构式为H—O—O—H，下列有关H2O2的说法正确的是()A．分子呈直线形B．分子呈三角锥形C．分子呈V形D．分子中只有σ键，没有π键答案D解析H2O2的结构式为H—O—O—H，两个H—O、一个O—O均为σ键，没有π键，故D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，呈半开的“书页型”，故不可能呈直线形、三角锥形或V形，故A、B、C不正确。题组三价层电子对互斥模型及应用6．根据价层电子对互斥模型，O3、H2S、SO2、SO3分子中，中心原子上的价层电子对数不同于其他分子的是()A．O3B．H2SC．SO2D．SO3答案B解析O3分子中，中心原子上的价层电子对数为2＋eq\f(6－2×2,2)＝3；H2S分子中，中心原子上的价层电子对数为2＋eq\f(6－2×1,2)＝4；SO2分子中，中心原子上的价层电子对数为2＋eq\f(6－2×2,2)＝3；SO3分子中，中心原子上的价层电子对数为3＋eq\f(6－2×3,2)＝3，B项符合题意。7．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原子含有的孤电子对数是eq\f(5－1×3,2)＝1，σ键电子对数为3，P的价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体形，PCl3的空间结构为三角锥形，不选A；H3O＋中O原子含有的孤电子对数是eq\f(6－1－1×3,2)＝1，σ键电子对数为3，O的价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体形，H3O＋的空间结构为三角锥形，不选B；HCHO中C原子含有的孤电子对数是eq\f(4－1×2－2×1,2)＝0，σ键电子对数为3，C的价层电子对数为3，VSEPR模型为平面三角形，甲醛的空间结构是平面三角形，选C；PH3中P原子含有的孤电子对数是eq\f(5－1×3,2)＝1，σ键电子对数为3，P的价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体形，PH3的空间结构为三角锥形，不选D。8．下列描述正确的是()A．CO2分子的空间结构为V形B．ClOeq\o\al(－,3)的空间结构为平面三角形C．SF6中每个原子均满足最外层8电子稳定结构D．SiF4和SOeq\o\al(2－,4)的中心原子无孤电子对答案D解析CO2分子中C原子形成2个σ键，孤电子对数为0，为直线形分子，A错误；ClOeq\o\al(－,3)中Cl原子形成3个σ键，孤电子对数为eq\f(7＋1－3×2,2)＝1，为三角锥形离子，B错误；SF6中S原子最外层电子数为6×2＝12，C错误；SiF4分子中Si原子形成4个σ键，孤电子对数为0，SOeq\o\al(2－,4)中S原子形成4个σ键，孤电子对数为eq\f(6＋2－4×2,2)＝0，D正确。9．有X、Y两种活性反应中间体微粒，均含有1个碳原子和3个氢原子，其空间结构模型如图所示：，。下列说法错误的是()A．X的组成为CHeq\o\al(＋,3)B．Y的组成为CHeq\o\al(－,3)C．X的价层电子对数为4D．Y中键角小于120°答案C解析由图可知，X为平面三角形结构，其碳原子应该有3个价层电子对，其组成为CHeq\o\al(＋,3)，A项正确、C项错误；Y为三角锥形，其碳原子有4个价层电子对，故其组成为CHeq\o\al(－,3)，键角小于120°，B、D项正确。10．下列说法正确的是()A．NO2、BF3、NCl3分子中没有一个分子中原子的最外电子层都满足8电子稳定结构B．SO2的VSEPR模型与分子的空间结构相同C．NHeq\o\al(＋,4)的电子式为，离子呈平面正方形结构D．NH3分子中有一个孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强答案D解析NCl3分子原子的最外电子层都满足8电子稳定结构，故A错误；NHeq\o\al(＋,4)呈正四面体形结构，故C错误；分子中，孤电子对对成键电子对的排斥力大于成键电子对间的排斥力，所以NH3分子中的孤电子对对成键电子对的排斥作用较强，故D正确。11．(2022·长春实验中学高二期中)用短线“—”表示共用电子对，用“”表示未成键孤电子对的式子叫路易斯结构式。R分子的路易斯结构式可以表示为，下列叙述错误的是()A．R与BF3的空间结构相同B．键角：PH3<NH3<109°28′C．R可以是PH3或AsH3D．R分子的中心原子上的价层电子对数为4答案A解析R的空间结构为三角锥形，BF3中心原子价层电子对数为3＋0＝3，其空间结构是平面三角形，因此其空间结构与BF3不相同，故A错误；PH3、NH3都为三角锥形，键角小于109°28′，而N的电负性大，吸引电子的能力比P强，因此NH3共用电子对之间的排斥力比PH3共用电子对之间的排斥力大，其键角大，所以键角：PH3<NH3<109°28′，故B正确；可能为NH3，根据第ⅤA族元素原子的特点得到R可以是PH3或AsH3，故C正确；R分子的中心原子上有三对成键电子和一对孤电子对，价层电子对数为4，故D正确。12．在价层电子对互斥模型中，电子对斥力大小顺序可认为：孤电子对与孤电子对>孤电子对与成键电子对>成键电子对与成键电子对，当电子对之间的夹角大于90°时，斥力可忽略。当价层电子对数为5时，结构为三角双锥。PCl5是典型的三角双锥分子，两个编号为①的Cl原子和P原子在一条直线上，三个编号为②的Cl原子构成平面正三角形。SF4和BrF3价层电子对数也都是5，但它们分别有1个和2个孤电子对，以如图为参照。则它们的孤电子对分别占据什么位置时，价层电子对间斥力最小()ABCDSF4①①②②BrF3①①②②①①②②答案D解析SF4的孤电子对若在①位置时，孤电子对与成键电子对夹角为90°的有3组，而SF4的孤电子对在②位置时，孤电子对与成键电子对夹角为90°的有2组，孤电子对在②时价层电子对间斥力最小；BrF3有2个孤电子对，若均在①上，则孤电子对与成键电子对夹角为90°的有6组，斥力太大，若1个在①上，1个在②上，则还有孤电子对与孤电子对之间夹角为90°的1组，孤电子对与成键电子对夹角为90°的有3组，斥力较大，若两个孤电子对均在②上，则孤电子对与成键电子对夹角为90°的为4组，此时价层电子对之间斥力最小。13．已知：①CS2②PCl3③H2S④CH2O⑤H3O＋⑥NHeq\o\al(＋,4)⑦BF3⑧SO2。请回答下列问题：(1)中心原子没有孤电子对的是____________(填序号，下同)。(2)空间结构为直线形的分子或离子有________；空间结构为平面三角形的分子或离子有________。(3)空间结构为V形的分子或离子有________。(4)空间结构为三角锥形的分子或离子有________；空间结构为正四面体形的分子或离子有________。答案(1)①④⑥⑦(2)①④⑦(3)③⑧(4)②⑤⑥解析(2)①CS2的中心C原子的价层电子对数为2＋eq\f(4－2×2,2)＝2，不含孤电子对，故CS2为直线形结构；④CH2O的中心C原子的价层电子对数为3，不含孤电子对，故为平面三角形；⑦BF3的中心B原子的价层电子对数为3＋eq\f(3－3×1,2)＝3，不含孤电子对，故为平面三角形。(3)③H2S的中心S原子的价层电子对数为2＋eq\f(6－2×1,2)＝4，孤电子对数为2，为V形；⑧SO2的中心S原子的价层电子对数为2＋eq\f(6－2×2,2)＝3，孤电子对数为1，为V形。＋的中心O原子的价层电子对数为3＋eq\f(6－1－3×1,2)＝4，含有1个孤电子对，为三角锥形；⑥NHeq\o\al(＋,4)的中心N原子的价层电子对数为4＋eq\f(5－1－1×4,2)＝4，不含孤电子对，为正四面体形。14．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________(填字母)。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个孤电子对，而D的氢化物分子中没有答案(1)H—Cl2＋eq\f(1,2)×(6－1×1－1×1)V形(2)3s23p4平面三角形(3)SiCl4109°28′(4)c解