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第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
教学目标
1、教学目标
1) 知道分子的结构是可以测定的，红外光谱技术是测定物质结构的基本方法；能说明红外光谱等实验手段在物质结构研究中的应用。
2) 结合实例了解共价分子具有特定的空间结构，体会共价分子的多样性和复杂性。能借助实物模型等建立对分子的空间结构的直观认识。
3) 能运用价层电子对互斥模型预测简单分子的空间结构，发展学生的模型认知能力。
4) 结合实例了解杂化轨道理论的要点和类型(sp、sp2、sp3)，能运用杂化轨道理论解释简单共价分子和离子的空间结构。
教学目标
2、教学重点和难点
1) 重点：应用价层电子对互斥模型预测简单分子或离子的空间结构；应用杂化轨道理论解释分子的空间结构。
2) 难点：中心原子上的孤电子对数的计算；用杂化轨道理论解释含有孤电子对的分子的空间结构。
美丽的化学结构
一、分子结构测定的方法
肉眼看不见的分子，科学家如何知道其结构呢？
思考
早期：对物质化学性质进行系统总结得出规律后进行推测；
如今：应用现代仪器和方法，如红外光谱、晶体X射线衍射等
红外光谱仪
质谱仪
X射线衍射仪
一、分子结构测定的方法
1、分子结构测定的方法——红外光谱法
原理：分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线
红外光谱图
分析吸收峰
与谱图库比对
推断分子所含的官能团和化学键
一、分子结构测定的方法
2、相对分子质量的测定——质谱法
待测物
分子离子
碎片离子
电场加速
磁场偏转
获得质谱图
分子
离子M＋
对应横坐标即相对分子质量
二、多样的分子空间结构
1、三原子分子常见的空间结构：直线形或V形(又称角形)
化学式 空间 结构 结构式 键角 分子的 空间结构模型
CO2
H2O
直线形
V形
O＝C＝O
O
H H
180o
105o
二、多样的分子空间结构
2、四原子分子常见的空间结构：平面三角形或三角锥形
化学式 空间 结构 结构式 键角 分子的 空间结构模型
CH2O
NH3
平面
三角形
三角
锥形
120o
107o
O＝C
H
H
N
H H
H
二、多样的分子空间结构
3、五原子分子常见的空间结构：四面体形
化学式 空间 结构 结构式 键角 分子的 空间结构模型
CH4
正四面
体形
109o28′
二、多样的分子空间结构
4、其他多原子分子的空间结构
二、多样的分子空间结构
为什么CH4的空间结构是正四面体形而不是正方形？
思考
C
H
H
H
H
··
··
··
··
三、价层电子对互斥模型 (VSEPR model)
核心：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。
“气球空间互斥”类比“电子对互斥”
制作气球模型
任务
“气球空间互斥”类比“电子对互斥”
价层电子对
电子对互斥模型
空间结构
气球空间互斥模型
2
3
4
直线形
平面三角形
四面体形
“气球空间互斥”类比“电子对互斥”
写出分子的电子式，对照球棍模型，分析结构不同的原因
任务
化学式 电子式 分子的空间模型
CH4
NH3
H2O
H O H
·
·
·
·
·
·
·
·
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
H
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
孤电子对
成键电子对
分子的空间结构除了与中心原子的成键电子对有关，还与中心原子的孤电子对有关。
结论：由于中心原子的孤电子对占有一定空间，对其他成键电子对存在排斥力，影响分子的空间结构
三、价层电子对互斥模型
价层电子对：指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。
即：价层电子对数＝σ键电子对数＋中心原子上的孤电子对数
三、价层电子对互斥模型 (VSEPR model)
核心：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。
价层
电子对
互相排斥
尽可能远离
能量最低
最稳定
三、价层电子对互斥模型
三、价层电子对互斥模型 (VSEPR model)
价层
电子对
互相排斥
尽可能远离
能量最低
最稳定
直线形 平面三角形 四面体形
价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数
判断VSEPR理想模型
略去孤电子对
得到分子空间结构
三、价层电子对互斥模型
化学式 结构式
含孤电子对的
VSEPR模型
分子的空间结构
H2O
NH3
O
H H
：
：
N
H H
H
：
三、价层电子对互斥模型→计算价层电子对数
价层
电子对数
σ键
电子对数
中心原子上的孤电子对数
分子 中心原子 共价键 σ键数 σ键电子对数
H2O O O H 2 2
NH3 N N H 3 3
CO2 C C＝O 2 2
注：多重键只计其中的σ键电子对，不计π键电子对。
中心原子结合的原子数
三、价层电子对互斥模型→计算价层电子对数
价层
电子对数
σ键
电子对数
中心原子上的孤电子对数
中心原子结
合的原子数
方法一：根据电子式直接确定
H O H
·
·
·
·
·
·
·
·
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
H
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
三、价层电子对互斥模型→计算价层电子对数
价层
电子对数
σ键
电子对数
中心原子上的孤电子对数
中心原子结
合的原子数
方法一：根据电子式直接确定
方法二：依据公式计算
孤电子对数＝ (a xb)
1
2
中心原子的价电子数
与中心原子结合的原子数
与中心原子结合的原子最多能接受的电子数
－
×
2
＝
三、价层电子对互斥模型→计算价层电子对数
(a xb)
2
中心原子的价电子数
与中心原子结合的原子数
与中心原子结合的原子最多能接受的电子数
－
×
2
＝
a 中心原子的价层电子数
主族元素
阳离子
阴离子
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
其他原子
＝最外层电子数
＝中心原子的价层电子数﹣离子的电荷数
＝中心原子的价层电子数﹢离子的电荷数
＝1
＝8﹣该原子的价层电子数
三、价层电子对互斥模型→常见分子或离子的空间结构推测
实例
孤电子对数
价层电子对数
VSER
模型
VSER
模型名称
空间
结构
空间结构名称
CO2
BeCl2
CO32
BF3
SO2
PbCl2
0
2
直线形
直线形
0
1
3
平面
三角形
平面
三角形
V形
三、价层电子对互斥模型→常见分子或离子的空间结构推测
实例
孤电子对数
价层电子对数
VSER
模型
VSER
模型名称
空间
结构
空间结构名称
CH4
CCl4
NH3
NCl3
H2O
H2S
0
1
2
4
正四
面体形
四面体形
四面体形
正四
面体形
三角锥形
V形
无孤电子对的VSEPR模型与分子的空间结构相同；
有孤电子对的VSEPR模型与分子的空间结构不同。
高考真题中的对分子/离子空间结构的考查
[2020山东卷] Sn为ⅣA族元素，单质Sn与干燥Cl2反应生成SnCl4。 SnCl4空间构型为____________。
[2019全国Ⅱ卷] 元素As和N同族，预测As的氢化物分子的立体结构为____________。
[2019江苏卷] SO42 的空间结构为________________(用文字序数)。
正四面体形
三角锥形
S原子的价层电子对数：4＋1/2×(6 4×2＋2)＝4
不含孤电子对，则SO42 的空间结构为正四面体形
四、杂化轨道理论简介→CH4分子空间结构形成分析
2s
2p
1s
基态
能量相近的原子轨道
电子跃迁
2s
2p
激发态
矛盾：轨道重叠得到的空间构型不可能是正四面体形
四、杂化轨道理论简介→CH4分子空间结构形成分析
2s
2p
1s
基态
能量相近的原子轨道
电子跃迁
2s
2p
激发态
混杂
sp3杂化轨道
杂化轨道能量相同、方向不同
混杂前后轨道总数不变
杂化轨道与氢原子轨道重叠，C H σ键
四、杂化轨道理论简介
莱纳斯·卡尔·鲍林
（1901-1994）
1、能量相近的原子轨道发生混杂
电子
跃迁
重叠
成键
轨道
混杂
理论要点
各种空间结构
2、生成杂化轨道能量相同、方向不同
3、混杂前后轨道总数不变
4、体系的能量降到最低(轨道间的排斥力最小)
四、杂化轨道理论简介
sp3
sp2
sp
s轨道个数
p轨道个数
杂化轨道数
价层电子对数
轨道夹角
1
3
4
4
109°28′
1
2
3
3
120°
1
1
2
2
180°
理论要点：杂化轨道数＝价层电子对数＝孤电子对数＋σ键数
四、杂化轨道理论简介
CH4
NH3
H2O
价层
电子对数
杂化
轨道数
杂化
类型
VSEPR
模型
分子式
分子
空间结构
4＋0＝4
正四面体形
三角锥形
V形
正四面体形
四面体形
四面体形
3＋1＝4
2＋2＝4
sp3
sp3
sp3
4
4
4
思路：中心原子上的价层电子对数→杂化轨道数目→杂化轨道类型
四、杂化轨道理论简介
练、CH2O分子有____个σ键，有___个π键，中心原子有____对孤对电子，中心原子的价层电子对数为____，杂化轨道的数目为_____，中心原子的杂化类型为____，键角为_____。
3
3
0
1
3
理论要点：杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对
sp2
思考： π键是如何形成的呢？
120°
四、杂化轨道理论简介
电子跃迁
混杂
2p
sp2杂化轨道
2s
2p
基态
2s
2p
激发态
2p
sp2杂化轨道
1s
氢原子
1s
2px
氧原子
2py
2pz
sp2-1s
sp2-2p
2p-2p
σ键
π键
理论要点：未参与杂化的p轨道可用于形成π键
四、杂化轨道理论简介
练、CO2分子有____个σ键，有___个π键，中心原子有____对孤对电子，中心原子的价层电子对数为____，杂化轨道的数目为_____，中心原子的杂化类型为____，键角为_____。
2
2
0
2
2
sp
180°
四、杂化轨道理论简介
试用杂化轨道理论分析乙烯的杂化类型及空间结构
C：2s22p2
2s
2p
sp2杂化
C
C
H
H
H
H
C
C
H
H
H
H
π键
三个相同的sp2杂化轨道指向三角形的三个顶点未杂化p轨道形成π键；杂化轨道间夹角为120°
sp2
2p
四、杂化轨道理论简介
试用杂化轨道理论分析乙炔的杂化类型及空间结构
C
C
H
H
C：2s22p2
2s
2p
sp杂化
sp
2p
两个相同的sp杂化轨道指向线段的两端；
未杂化p形成π键；杂化轨道间夹角为180°
C
C
H
H
π键
π键
四、杂化轨道理论简介
试用杂化轨道理论分析苯的杂化类型及空间结构
sp2杂化
(1)相邻碳原子sp2杂化轨道成键，以及碳的sp2杂化轨道和H的1s轨道成键，六个碳原子、六个氢原子在同一平面上
(2)六个碳原子的2pz杂化轨道侧面重叠形成大π键
四、杂化轨道理论简介
小结：有机物中碳原子杂化类型判断
(1)饱和C：sp3杂化 如：CH4、CH3CH3等饱和烷烃
(2)连接双键C：sp2杂化 如：C2H4、HCHO、苯等
(3)连接叁键C：sp杂化 如：C2H2等
四、杂化轨道理论简介
练、填写下表
物质 价层电 子对数 中心原子杂化轨道类型 VSEPR 模型名称 轨道 夹角 分子空 间构型 键角
CO2
SO2
CH2O
NH4+
CH4
NH3
H2O
2
3
3
4
sp
sp2
直线形
平面
三角形
180°
120°
直线形
V形
平面三角形
正四
面体形
180°
109.5°
120°
109°28′
107°
105°
4
4
4
sp3
正四面体
109°28′
三角锥形
V 形
四、杂化轨道理论简介
价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：
σ键电子对(bp)与孤电子对(lp)的斥力大小顺序： lp lp > lp bp > bp bp
讨论：为什么CH4、NH3、H2O的中心原子均为sp3杂化，而键角却分别为109°28′、 107°和105°？
原因：孤电子对对成键电子对的排斥作用，孤电子对越多，排斥力越大，键角越小。
四、杂化轨道理论简介
[2021全国甲卷] SiCl4是生产高纯硅的前驱体，其中Si采取的杂化类型为_______。SiCl4可发生水解反应，机理如下：
含s、p、d轨道的杂化类型有：① dsp2、② sp3d、③ sp3d2，中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为________（填标号）。
sp3
②
[2021全国乙卷] H2O 的键角小于NH3的，分析原因_______________。
H2O和NH3均为sp3杂化，H2O有两个孤电子对，NH3有1个孤电子对，孤电子对多，斥力大，键角小。
四、杂化轨道理论简介
[2021山东卷] OF2分子的空间构型为________；Xe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______，下列对XeF2中心原子杂化方式推断合理的是_____(填标号)。A. sp B. sp2 C. sp3 D. sp3d
V形
5
D
[2021全国乙卷] PH3中P的杂化类型是__________。
sp3
[2021河北卷] 已知KH2PO2是次磷酸的正盐，H3PO2的结构式为______，其中P采取______杂化方式。
sp3
H O P＝O
H

H

四、杂化轨道理论简介
[2021湖南卷] 气态SiX4分子的空间构型是____________；N-甲基咪唑
分子中碳原子的杂化轨道类型为 _____________。
正四面体形
sp2、sp3
[2021广东卷] 在 中 S 原子采取 sp3 杂化
√
[2021八省联考重庆卷] 氧化镁载体及镍催化反应中涉及到CH4、CO2和 CH3OH等物质。在上述三种物质的分子中碳原子杂化类型不同于其他两种的是_______，立体构型为正四面体的分子是_______。
CO2
CH4
CH2 SH
CH SH
CH2 OH
四、杂化轨道理论简介
[2020全国Ⅰ卷] 磷酸根离子的空间构型为_____________，其中P的价层电子对数为______，杂化轨道类型为______。
正四面体形
4
sp3
[2020江苏卷] 抗坏血酸的分子结构如图所示，分子中碳原子的杂化轨道类型为____________。
sp2、sp3

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