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2.2.1 分子结构的测定和多样性、价层电子对互斥模型——高二化学人教版（2019）选修二课堂速测
一、分子结构的测定
早年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进行推测，现代科学家应用了许多测定分子结构的现代仪器和方法，如红外光谱、晶体X射线衍射等。
1．红外光谱在测定分子结构中的应用
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。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可以得知各吸收峰是由哪种化学键、哪种振动方式引起的，综合这些信息，可分析分子中含有何种化学键或官能团的信息。
2．质谱法在测定分子相对分子质量中的应用
现代化学常利用质谱仪测定分子的相对分子质量。它的基本原理是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。
二、多样的分子空间结构
单原子分子(稀有气体分子)、双原子分子不存在空间结构，多原子分子中存在原子的几何学关系和形状，即所谓“分子的空间结构”。
1．三原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构 空间结构名称
CO2 O==C==O 180° 直线形
H2O 105° V形
2.四原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构 空间结构名称
CH2O 约120° 平面三角形
NH3 107° 三角锥形
3．五原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构 空间结构名称
CH4 109°28′ 正四面体形
CCl4 109°28′ 正四面体形
4.其他多原子分子的空间结构
三、价层电子对互斥模型
1．价层电子对互斥模型(VSEPR model)：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，就有几对σ键电子对。如H2O分子中， O有2对σ键电子对。NH3分子中， N有3对σ键电子对。
(3)中心原子上的孤电子对数的计算
中心原子上的孤电子对数＝(a－xb)
①a表示中心原子的价电子数；
对主族元素：a＝最外层电子数；
对于阳离子：a＝价电子数－离子所带电荷数；
对于阴离子：a＝价电子数＋离子所带电荷数。
②x表示与中心原子结合的原子数。
③b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．价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)
　 　　
价层电子对数目：2　　　　　3　　　　　　4
VSEPR模型：直线形　平面三角形　　正四面体形
4．VSEPR模型的应用——预测分子空间结构
由价层电子对的相互排斥，得到含有孤电子对的VSEPR模型，然后，略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对，便可得到分子的空间结构。
(1)中心原子不含孤电子对
分子或离子 σ键电子对数 孤电子对数 VSEPR模型及名称 分子(或离子)的空间结构及名称
CO2 2 0 直线形 直线形
CO 3 0 平面三角形 平面三角形
CH4 4 0 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 价层电子对数 孤电子对数 VSEPR模型及名称 分子的空间结构及名称
NH3 4 1 四面体形 三角锥形
H2O 4 2 四面体形 V形
SO2 3 1 平面三角形 V形
【针对训练】
1.若ABn型分子的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对，运用价层电子对互斥模型，判断下列说法中正确的是(　　)
A．若n＝2，则分子的空间结构为V形
B．若n＝3，则分子的空间结构为三角锥形
C．若n＝4，则分子的空间结构为正四面体形
D．以上说法都不正确
2.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，其球棍模型如图所示：，。下列说法错误的是(　　)
A．X的组成为CH
B．Y的组成为CH
C．X的价层电子对数为4
D．Y中键角小于120°
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．NO和NH B．H3O＋和ClO
C．NO和CO D．PO和SO
4.如图是一种分子式为的有机物的红外光谱图，则该有机物可能为( )
A. B.
C. D.
5.利用价层电子对互斥模型可以预测许多分子或离子的空间结构，也可推测键角的大小，下列判断正确的是( )
A.是V形分子 B.的键角大于120°
C.是三角锥形分子 D.的键角等于
6.用价层电子对互斥模型（VSEPR模型）可以预测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.是直线形分子
B.是三角锥形分子
C.的键角为120°
D.是平面三角形分子
7.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
8.20世纪50年代科学家提出价层电子对互斥模型（简称VSEPR模型），用于预测简单分子的空间结构。其要点可以概括为：
Ⅰ.用表示只含一个中心原子的分子组成，A为中心原子，X为与中心原子相结合的原子，E为中心原子价层未参与成键的电子对（称为孤电子对），称为价层电子对数。分子中的价层电子对总是互相排斥，均匀地分布在中心原子周围的空间。
Ⅱ.分子的空间结构是指分子中的原子在空间的排布，不包括中心原子未成键的孤电子对。
Ⅲ.分子中价层电子对之间的斥力的主要顺序为：
ⅰ.孤电子对之间的斥力孤电子对与共用电子对之间的斥力共用电子对之间的斥力；
ⅱ.双键与双键之间的斥力双键与单键之间的斥力单键与单键之间的斥力；
ⅲ.X原子得电子能力越弱，A—X形成的共用电子对之间的斥力越强；
ⅳ.其他。
请仔细阅读上述材料，回答下列问题：
（1）由的VSEPR模型填写下表：
2 ①_______
VSEPR模型 ②_______ 四面体形
价层电子对之间的键角 ③_______ 109°28＇
（2）请用VSEPR模型解释为直线形分子的原因：_______。
（3）分子的空间结构为_______，请你预测水分子中∠H—O—H的大小范围并解释原因：_______。
（4）和都属于型分子，S、0之间以双键结合，S与Cl、S与F之间以单键结合。请你预测和分子的空间结构：_______。分子中∠Cl—S—Cl_______（填“”“”或“”）分子中∠F—S—F。
9.价层电子对互斥模型可用于预测简单分子的空间结构。用表示只含一个中心原子的分子组成，A为中心原子，X为与中心原子相结合的原子，E为中心原子最外层未参与成键的电子对（称为孤电子对），为价层电子对数。
（1）请填写下表：
2 ____________
VSEPR理想模型 ____________ 正四面体形
价层电子对之间的理想键角 ____________
（2）请用VSEPR模型解释为直线形分子的原因：____________。
（3）分子的空间结构为____________。
（4）用价层电子对互斥模型判断下列分子或离子的空间结构：
分子或离子
空间结构 ____________ ____________ ____________
10.有下列分子或离子：
（1）粒子的空间结构为直线形的为_____________。
（2）粒子的空间结构为V形的为_____________。
（3）粒子的空间结构为平面三角形的为_____________。
（4）粒子的空间结构为三角锥形的为_____________。
（5）粒子的空间结构为正四面体形的为_____________。
答案以及解析
1.答案：C
解析：若中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对，则不存在σ键电子对与孤电子对之间的相互排斥。当n＝2时，分子的空间结构为直线形；n＝3时，分子的空间结构为平面三角形；n＝4时，分子的空间结构为正四面体形。
2.答案：C
解析：由图可知，X为平面三角形结构，其碳原子应该有三对价层电子对，其组成为CH，A项正确、C项错误；Y为三角锥形，其碳原子有四对价层电子对，故其组成为CH，键角比120°小，B、D项正确。
3.答案：C
解析：NO中心原子的价层电子对数＝2＋＝3，含有一对孤电子对，空间结构为V形，NH中心原子的价层电子对数＝4＋＝4，没有孤电子对，空间结构为正四面体形，故A不选；H3O＋中心原子的价层电子对数＝3＋＝4，含有一对孤电子对，空间结构为三角锥形，ClO中心原子的价层电子对数＝3＋＝4，含有一对孤电子对，空间结构为三角锥形，故B不选；NO中心原子的价层电子对数＝3＋＝3，没有孤电子对，空间结构为平面三角形，CO中心原子的价层电子对数＝3＋＝3，没有孤电子对，空间结构为平面三角形，故C选；PO中心原子的价层电子对数＝4＋＝4，没有孤电子对，空间结构为正四面体形，SO中心原子的价层电子对数＝4＋＝4，没有孤电子对，空间结构为正四面体形，故D不选。
4.答案：A
解析：本题所给选项中有机物的结构简式分别为。首先排除D项，因D项的分子式为，与题干不符；再由题图可知有不对称—，还有C—O—C，则排除B、C项；而A项存在不对称—、CO与C—O—C，所以该有机物可能是。
5.答案：D
解析：的中心原子的价层电子对数=2+（4-2×2）÷2=2，不含孤电子对，为直线形，A项错误；的中心原子的价层电子对数=2+（4-2×1）÷2=3，孤电子对数为1，为V形，孤电子对与成键电子对之间的排斥力大于成键电子对之间的排斥力，所以的键角小于120°，B项错误；的中心原子的价层电子对数=3+（3-3×1）÷2=3，不含孤电子对，为平面三角形，C项错误；的中心原子的价层电子对数=4+（5-1×4-1）÷2=4，不含孤电子对，为正四面体形，的键角等于，D项正确。
6.答案：C
解析：的中心原子为S原子，其价层电子对数为，含有1个孤电子对，所以为Ⅴ形分子，A错误；的中心原子为S原子，其价层电子对数为，不含孤电子对，故是平面三角形分子，B错误；的中心原子为B原子，其价层电子对数为，不含孤电子对，故是平面三角形分子，键角为120°，C正确；的中心原子为P原子，其价层电子对数为，含有1个孤电子对，所以是三角锥形分子，D错误。
7.答案：B
解析：键角为180°的分子，空间结构是直线形，例如是直线形分子，A正确；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。
8、
（1）答案：①4；②直线形；③180°
解析：
（2）答案：中C原子价层电子对数为2，由VSEPR模型知，两对成键电子对应尽量远离，故为直线形结构
解析：中C的价层电子对数为，由VSEPR模型知，两对成键电子对应尽量远离，故为直线形结构，即分子为直线形分子。
（3）答案：V形∠H—O—H应略小于109°28＇，因为分子中中心O原子价层电子对数为4，分占不同的位置，它们同样要尽量远离，故的VSEPR模型为四面体形，但是由于两对未成键电子对的排斥作用，导致∠H—O—H略小于109°28＇
解析：
（4）答案：四面体形；
解析：中心原子S原子的价层电子对数为4+，4对价层电子对应尽量远离，故为四面体结构，由于周围原子的半径不完全相同，故和的空间结构为四面体形；由于Cl的原子半径大于F的原子半径，Cl原子间的排斥力大于F原子间的排斥力，故Cl—S—Cl的键角大于F—S—F的键角。
9.答案：（1）
2 4
VSEPR理想模型 直线形 正四面体形
价层电子对之间的理想键角 180°
（2）分子中=2，故为直线形
（3）V形
（4）
分子或离子
空间结构 V形 三角双锥形 正四面体形
解析： （1）当时，VSEPR模型为正四面体形，其键角是；当时， VSEPR模型为直线形，其键角是180°。
（2）分子中，=2，故为直线形。
（3）分子中，，VSEPR模型为正四面体形，但氧原子有2对孤电子对，所以分子的空间结构为V形。
（4）中中心原子Pb的孤电子对数是（4-1×2）÷2=1，价层电子对数是2+1=3，所以的空间结构是V形；分子中P的价层电子对数是5+0=5，所以的空间结构是三角双锥形；中Cl的价层电子对数是，且不含孤电子对，所以的空间结构是正四面体形。
10.答案：（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
解析：根据价层电子对互斥模型可知，的中心原子没有孤电子对；中中心原子氧原子有2个孤电子对，中中心原子硫原子有1个孤电子对；中中心原子磷原子有1个孤电子对。所以是平面三角形；是V形；是正四面体形；是三角锥形；是直线形。

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