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专题5 物质结构与性质
第二单元 物质结构
第2讲 分子的立体结构(1课时)
一、课程标准要求
1．结合实例了解共价分子具有特定的空间结构，并运用相关理论和模型进行解释和预测。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。
2．知道分子可以分为极性分子和非极性分子，知道分子极性与分子中键的极性、分子的空间结构密切相关。结合实例初步认识分子的手性对其性质的影响。
3．了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞。
二、在高中化学教材体系中的地位
从价层电子对互斥模型预测分子的空间构型，通过杂化轨道理论解释分子空间构型的原因，再从分子结构解释分子的性质，培养学生的空间想象能力，发展“证据推理与模型认知”等化学学科素养。
三、思维导图
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1： 你是怎样理解价层电子对互斥理论的？
[归纳总结]
1．理论要点
(1)价层电子对在空间上彼此相距最远时，排斥力 ，体系的能量 。
(2)孤电子对的排斥力较大，孤电子对越多，排斥力 ，键角 。
2．价层电子对数的确定方法
价层电子对是指分子中的中心原子上的电子对，包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对。
(1)σ键电子对数的确定
由分子式确定σ键电子对数。例如，H2O中的中心原子为O，O有2对σ键电子对；NH3中的中心原子为N，N有3对σ键电子对。
(2)中心原子上的孤电子对数的确定
中心原子上的孤电子对数＝ 。
①分子：a为中心原子的价电子数，对于主族元素来说，价电子数等于原子的最外层电子数；
阳离子：a为中心原子的价电子数减去离子的电荷数；
阴离子：a为中心原子的价电子数加上离子的电荷数(绝对值)。
②x为与中心原子结合的原子数；
③b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数，氢为1，其他原子等于“8－该原子的价电子数”。
3．价层电子对互斥模型与分子空间构型的关系
电子对数 成键对数 孤电子对数 电子对空间构型 分子空间构型 实例 键角
2 2 0 直线形 BeCl2
3 3 0 三角形 BF3
2 1 SnBr2
4 4 0 正四面体型 CH4
3 1 NH3
2 2 H2O
问题2：杂化轨道理论
1．杂化轨道概念：在外界条件的影响下，原子内部 的原子轨道重新组合的过程叫原子轨道的杂化，组合后形成的一组新的原子轨道，叫杂化原子轨道，简称杂化轨道。
2．杂化轨道的类型与分子空间构型
杂化类型 杂化轨道数目 杂化轨道间夹角 空间构型 实例
sp 2 BeCl2
sp2 3 BF3
sp3 4 CH4
3．由杂化轨道数判断中心原子的杂化类型
杂化轨道用来形成σ键和容纳孤电子对，所以有公式：
杂化轨道数＝中心原子的孤电子对数＋中心原子的σ键个数。
代表物 杂化轨道数 中心原子杂化轨道类型
CO2
CH2O
CH4
SO2
NH3
H2O
4．中心原子杂化类型和分子构型的相互判断：
分子组成(A为中心原子) 中心原子的孤电子对数 中心原子的杂化方式 分子空间构型 实例
AB2 0 sp 形 BeCl2
1 sp2 形 SO2
2 sp3 形 H2O
AB3 0 sp2 形 BF3
1 sp3 形 NH3
活动二：重难点突破
问题3：中心原子杂化类型的判断
[练习1](1)[2020·江苏高考]NH3分子中氮原子的轨道杂化类型是 ；
(2) [2019·江苏高考]抗坏血酸的分子结构如图所示，分子中碳原子的轨道杂化类型为 ；
(3)[2018·江苏高考]SO中心原子轨道的杂化类型为________；
(4)[2017·江苏高考]丙酮(CH3COCH3)分子中碳原子轨道的杂化类型是________。
(5)[2016·江苏高考]HOCH2CN分子中碳原子轨道的杂化类型是________。
(6)BeCl2是共价分子，可以以单体、二聚体和多聚体形式存在。它们的结构简式如下，请写出单体、二聚体和多聚体中Be的杂化轨道类型：
①Cl—Be—Cl：　　　　　　　　；
②：_________________________________________；
③：______________________________________。
[答案](1)sp3 (2)sp3、sp2； (3)sp3　(4)sp2和sp3　(5)sp3和sp　(6)①sp杂化　②sp2杂化　③sp3杂化
[小结] (1)根据杂化轨道的空间分布构型判断
①若杂化轨道在空间的分布为正四面体形或三角锥形，则分子的中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则分子的中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则分子的中心原子发生sp杂化。
(2)根据中心原子的价层电子对数判断
如中心原子的价层电子对数为4，是sp3杂化，为3是sp2杂化，为2是sp杂化。
(3)根据分子或离子中有无π键及π键数目判断
如没有π键为sp3杂化，含一个π键为sp2杂化，含两个π键为sp杂化。
(4)根据等电子原理判断
如CO2是直形线分子，CNS－、N与CO2互为等电子体，所以立体构型均为直线形，中心原子均采用sp杂化。
问题4：分子空间构型的判断
[练习2] (1)[2019江苏高考]的空间构型为 (用文字描述)；
(2)[2018·江苏化学]NO的空间构型为________(用文字描述)。
(3)BF3分子的空间构型为________，NF3分子的空间构型为________。
(4)(2021·山东卷节选)①OF2分子的空间构型为　　　　。
②Xe是第五周期的稀有气体元素，与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为　　　　　　
[答案] (1)正四面体形；(2)平面正三角形 (3)平面三角形　三角锥型(4)①V形　②5　
[解析] (1)中S原子价层电子对个数=4+=4且不含孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断该微粒空间构型为正四面体形；(2) NO中N原子价层电子对数n＝(5＋1)/2＝3，平面正三角形。(3)BF3分子中的B原子采取sp2杂化，所以BF3分子的空间构型为平面三角形；NF3分子中的N原子采取sp3杂化，其中一个杂化轨道中存在一对孤电子对，所以其分子的空间构型为三角锥型。(4)①根据VSEPR理论有＝4，去掉2对孤对电子，知OF2分子的空间构型是V形；②XeF2易升华，所以是分子晶体，其中心原子的价层电子对数为＝5。
问题5：如何判断等电子体？
[练习3] (1)[2020·江苏高考]与NH4+互为等电子体的一种分子为 。
(2)[2018·江苏高考]与O3分子互为等电子体的一种阴离子为_
__________________________________________________________(填化学式)。
(3)[2016·江苏高考]与H2O分子互为等电子体的阴离子为________________。
(4)[2015·江苏高考]与H2O互为等电子体的一种阳离子为________(填化学式)。
(5)[2014·江苏高考]与OH－互为等电子体的一种分子为________(填化学式)。
(6)[2013·江苏高考]写出一种与SO互为等电子体的分子的化学式：________。
[答案] (1)CH4或SiH4 (2)NO　(3)NH　 (4)H2F＋　(5)HF　(6))CCl4或SiCl4
[小结]确定等电子体的方法
活动三：巩固提升
1．B3N3H6(无机苯)的结构与苯类似，也有大π键。下列关于B3N3H6的说法错误的是(　　)
A．其熔点主要取决于所含化学键的键能
B．形成大π键的电子全部由N提供
C．分子中B和N的杂化方式相同
D．分子中所有原子共平面
2．关于CH3OH、N2H4和(CH3)2NNH2的结构与性质，下列说法错误的是(　　)
A．CH3OH为极性分子
B．N2H4空间结构为平面形
C．N2H4的沸点高于(CH3)2NNH2
D．CH3OH和(CH3)2NNH2中C、O、N杂化方式均相同
3．下列分子中，各分子的立体构型和中心原子的杂化方式均正确的是(　　)
A．NH3　平面三角形　sp3杂化 B．CCl4　正四面体　sp2杂化
C．H2O　V形　sp3杂化 D．CO　三角锥形　sp3杂化
4．回答下列问题：
(1)BCl3和NCl3中心原子的杂化类型分别为________杂化和________杂化。
(2)在BF3分子中，F—B—F的键角是________，BF3和过量NaF作用可生成NaBF4，BF的立体构型为______________。
(3)CS2、N2O等与CO2互为等电子体，则CS2的结构式为________________，空间构型为____________。
(4)乙炔与氢氰酸(HCN)反应可得丙烯腈(CHH2CCN)。丙烯腈分子中σ键和π键的个数之比为________，分子中处于同一直线上的原子数目最多为________。
(5)已知在水中存在平衡2H2O??H3O＋＋OH－，H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大，原因为____________________________________。
5．微量元素硼对植物生长及人体健康有着十分重要的作用，也广泛应用于新型材料的制备。
(1)基态硼原子的价电子轨道表达式是______________。
(2)B的简单氢化物BH3不能游离存在，常倾向于形成较稳定的B2H6或与其他分子结合。
①B2H6分子结构如图，则B原子的杂化方式为________。
②氨硼烷(NH3BH3)被认为是最具潜力的新型储氢材料之一，分子中存在配位键，提供孤电子对的成键原子是________，写出一种与氨硼烷互为等电子体的分子：________(填化学式)。
(3)以硼酸(H3BO3)为原料可制得硼氢化钠(NaBH4)，它是有机合成中的重要还原剂。BH的键角是________，立体构型为__________。
6．碳、氮和磷元素是几乎所有的生物体中均含有的生命元素。回答下列问题：
(1)叠氮酸(HN3)是一种弱酸，在水中能微弱电离出H＋和N，分子中的大π键可用符号π表示，其中m代表参与形成大π键的原子数，n代表参与形成大π键的电子数(如苯分子中的大π键可表示为π)，则N中的大π键应表示为______________。
(2)2001年德国专家从硫酸铵中检出一种组成为N4H4(SO4)2的物质，经测定，该物质易溶于水，在水中以SO和N4H两种离子的形式存在。N4H中N原子均为sp3杂化，请推测N4H的结构式：______________________________________________。
(3)ATP(三磷酸腺苷)是一种高能磷酸化合物，在细胞中，它与ADP的相互转化实现贮能和放能，从而保证了细胞各项生命活动的能量供应。ATP的结构简式如图所示。
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分子中属于sp2杂化的N原子有________个。
7．(2021·烟台模拟)根据杂化轨道理论和价层电子对互斥理论模型判断，下列分子或离子的中心原子杂化方式及空间构型正确的是(　　)
选项 分子或离子 中心原子杂化方式 价层电子对互斥理论模型 分子或离子的空间构型
A NO sp3 四面体形 Ⅴ形
B BF3 sp2 平面三角形 三角锥形
C SOCl2 sp3 四面体形 三角锥形
D ClO sp2 平面三角形 平面三角形
[参考答案]
1．A
解析：无机苯是分子晶体，其熔点主要取决于分子间的作用力，与所含化学键的键能无关，A项错误；B原子最外层有3个电子，与其他原子形成3个σ键，N原子最外层有5个电子，与其他原子形成3个σ键，还剩余2个电子，故形成大π键的电子全部由N原子提供，B项正确；无机苯与苯等电子体，分子中含有大π键，故分子中B、N原子的杂化方式为sp2杂化，C项正确；无机苯分子中B、N原子的杂化方式为sp2杂化，所以分子中所有原子共平面，D项正确。
2．B
解析：A．甲醇可看成是甲烷中的一个氢原子被羟基取代得到的，为四面体结构，是由极性键组成的极性分子，A正确；B．N2H4中N原子的杂化方式为 sp3，不是平面形，B错误；C．N2H4分子中连接N原子的H原子数多，存在氢键的数目多，而偏二甲肼[(CH3)2NNH2]只有一端可以形成氢键，另一端的两个甲基基团比较大，影响了分子的排列，沸点较N2H4的低，C正确；D．CH3OH为四面体结构，—OH结构类似于水的结构，(CH3)2NNH2的结构简式为，两者分子中C、O、N杂化方式均为 sp3，D正确。
3．C
解析：NH3分子中中心原子的价层电子对数＝＝4，N的杂化方式为sp3，含有一对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，选项A错误；CCl4分子中中心原子的价层电子对数＝＝4，C的杂化方式为sp3，没有孤电子对，分子的立体构型为正四面体，选项B错误；H2O分子中中心原子的价层电子对数＝＝4，O的杂化方式为sp3，含有两对孤电子对，分子的立体构型为V形，选项C正确；CO中中心原子的价层电子对数＝＝3，C的杂化方式为sp2，没有孤电子对，分子的立体构型为平面三角形，选项D错误。
4．(1)sp2　sp3　(2)120°　正四面体形　(3)S===C===S　直线形　(4)2∶1　3　(5)H2O分子中O原子有两对孤电子对，H3O＋中O原子只有一对孤电子对，排斥作用较小
解析：(1)BCl3和NCl3中心原子价层电子对个数分别是3、4，根据价层电子对互斥理论判断中心原子杂化类型，前者为sp2，后者为sp3。(2)BF3分子为平面正三角形结构，所以F—B—F键角为120°；BF中B原子价层电子对个数＝4＋＝4，且不含孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断该微粒空间构型为正四面体形。(3)等电子体结构相似，根据二氧化碳结构式书写二硫化碳结构式为S===C===S，为直线形。(4)共价单键为σ键，共价双键中含有一个σ键、一个π键，所以丙烯腈分子中σ键和π键的个数之比＝6∶3＝2∶1；CN位于同一条直线上，H2C===CH—中所有原子共平面，共价单键可以旋转，所以该分子中最多有3个原子共直线。(5)孤电子对和成键电子对之间的排斥力大于成键电子对之间的排斥力，H2O分子中O原子有两对孤电子对，H3O＋中O原子只有一对孤电子对，排斥作用较小，所以H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大。
[拓展延伸]比较键角大小的三种思维模型
(1)杂化类型不同→sp>sp2>sp3。
(3)在同一分子中，π键电子斥力大，键角大。
5．(1) 　(2)①sp3杂化　②N　C2H6(其他合理答案也可)　(3)109°28′　正四面体形
解析：(1)硼为第5号元素，其价电子轨道表达式为 (2)①由题图可以看出，每个B结合4个H，B上不存在孤电子对，所以B的价层电子对数为4，采用sp3杂化。②NH3BH3中N提供孤电子对，B提供空轨道，从而形成配位键；利用价电子转移的方法，将N上的价电子转移给B原子，可以得出与NH3BH3互为等电子体的分子有C2H6等。(3)BH的成键电子对数为4，孤电子对数为0，故其空间构型为正四面体形，键角为109°28′。
6．(1)π　(2) INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学 通用（老教材）\\12-42.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学 通用（老教材）\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\司瑞晴\\司瑞晴\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）(粤渝)\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）(粤渝)\\word\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\盐城一轮\\资料\\12-42.TIF" \* MERGEFORMATINET (3)3
解析：(1)N价电子总数为16，原子总数为3，所以与CO2为等电子体，二者成键方式类似，参与形成大π键的原子数为3，形成两个π键，如图 INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学 通用（老教材）\\12-43.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学 通用（老教材）\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\司瑞晴\\司瑞晴\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）(粤渝)\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）(粤渝)\\word\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\盐城一轮\\资料\\12-43.TIF" \* MERGEFORMATINET 。(2)N4H中N原子均为sp3杂化，且该离子带4个正电荷，说明含有氢离子和N原子形成的配位键，则应是4个N原子处于正四面体的4个顶点，每个N原子形成3个N—N键，还含有1对孤电子对，H＋有空轨道，与N原子形成配位键，所以结构式为 INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学 通用（老教材）\\12-44.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学 通用（老教材）\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\司瑞晴\\司瑞晴\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）(粤渝)\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "G:\\司瑞晴\\2021\\一轮\\化学\\化学 通用（老教材）(粤渝)\\word\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\盐城一轮\\资料\\12-44.TIF" \* MERGEFORMATINET 。
(3)形成双键的N原子为sp2杂化，所以属于sp2杂化的N原子有3个。
7．C
解析：　A．NO中N原子价电子对数是＝＝3且含有一个孤电子对，sp2杂化，价层电子对互斥理论模型为平面三角形，有1个孤电子对，离子的空间构型是V形，故A错误；B．BF3中B原子价电子对数是＝3且不含孤电子对，sp2杂化，价层电子对互斥理论模型为平面三角形，无孤电子对，分子的空间构型是平面三角形，故B错误；C．SOCl2中S原子价电子对数是＝4且含有一个孤电子对，sp3杂化，价层电子对互斥理论模型为四面体形，有1个孤电子对，分子的空间构型是三角锥形，故C正确；D．ClO中Cl原子价电子对数是＝4且含有一个孤电子对，sp3杂化，价层电子对互斥理论模型为四面体形，有1个孤电子对，离子的空间构型是三角锥形，故D错误。
二、教学建议
将价层电子对互斥理论与杂化轨道理论通过对比等方法，让学生理解两者相互之间的联系。能根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构，能利用相关理论解释简单的共价分子的空间结构。
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