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2.2 第2课时　价电子对互斥理论　等电子原理
【学习目标】
1.知道什么是价电子对,初步认识价电子对互斥理论。
2.能用价电子对互斥理论预测简单离子或分子的空间结构。 　
【自主预习】
一、价电子对互斥理论
1.价电子对互斥理论
(1)基本观点:分子中的中心原子的价电子对——成键电子对(bp)和孤电子对(lp)由于　　　　作用,处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离。
(2)空间取向的说明:
a.两个原子之间的成键电子不论是单键还是多重键,都看作一个空间取向;
b.一对　　　　可以看作一个空间取向。
(3)孤电子对数的计算方法:
中心原子上的孤电子对数=(中心原子的价电子数-其他原子的未成对电子数之和)/2。
说明: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。
2.价电子对与分子空间结构的对应关系
ABn 价电子对数 空间结构模型 分子的空间结构 键角
n=2 2 　　　 180°
n=3 3 三角形 　　　
n=4 4 　　　 109°28'
n=5 5 　　　 90°、120°
n=6 6 　　　 90°
二、等电子原理
1.基本观点:　　　　相同且　　　　相等的分子或离子具有相同的　　　　和相同的　　　　等结构特征。
2.应用举例
利用等电子原理可以推断一些简单分子或原子团的空间结构。
(1)CO、CN-与N2互为等电子体,则CO的结构式为　　　　,CN-的结构式为　　　　。
(2)CS2与CO2互为等电子体,则CS2的结构式为　　　　,碳原子的杂化类型为　　　　,分子空间结构为　　　　。
(3)N、C、SO3与BF3互为等电子体,则它们的空间结构为　　　　。
(4)PH3、AsH3、H3O+等与NH3互为等电子体,它们的空间结构为　　　　。
(5)S、P、Si与CCl4互为等电子体,它们的空间结构为　　　　。
【参考答案】一、1.(1)相互排斥　(2)孤电子对　2.直线形　120°　四面体形　三角双锥形　八面体形
二、1.化学通式　价电子总数　空间结构　化学键类型
2.(1)C≡O　[C≡N]-　(2)SCS　sp　直线形　(3)三角形　(4)三角锥形　(5)正四面体形
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)CH2Cl2分子只有一种,可说明CH4的空间结构为正四面体形。 (　　)
(2)根据价电子对互斥理论,H3O+的空间结构为平面正三角形。 (　　)
(3)SO2分子与CO2分子的组成相似,故它们都是直线形分子。 (　　)
(4)分子的VSEPR模型与分子的空间结构一定一致。 (　　)
(5)当中心原子上无孤电子对时,分子的VSEPR模型与分子的空间结构一致。 (　　)
(6)NH3分子中心原子孤电子对数为0,空间结构为三角锥形,键角为107.3°。 (　　)
(7)正四面体结构的分子中键角一定是109°28'。 (　　)
【答案】(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×
2.H2O分子与CO2分子、NH3分子与BF3分子,这两组分子中的原子个数相同,为何空间结构不同
【答案】H2O和NH3中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间,并参与相互排斥。因而H2O分子呈角形,NH3分子呈三角锥形。而CO2和BF3中心原子上无孤电子对,分子的空间结构与杂化轨道模型相同,分别为直线形和平面三角形。
3.科学家研制出有望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3,其结构如图所示,已知该分子中N—N—N键角都是108.1°。
试推测四个氮原子围成的空间是正四面体形吗
【答案】不是;由于N—N—N键角都是108.1°。所以四个氮原子围成的空间不是正四面体形,而是三角锥形。
4.VSEPR模型与空间结构之间有什么关系
【答案】价电子对互斥理论说明的是价电子对的空间结构,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。①当中心原子无孤电子对时,两者的空间结构一致;②当中心原子有孤电子对时,两者的空间结构不一致。
【合作探究】
任务1：价电子对互斥理论及其应用
情境导入　二氧化硫是工业上制取硫酸的中间产物,也是化石燃料燃烧过程中产生的主要污染物之一。排放到大气中的二氧化硫可形成酸雨,使水质酸化,危害森林,破坏土壤,腐蚀石刻、建筑等。当空气中的二氧化硫浓度达到一定值时可引起眼结膜炎、急性支气管炎,达到极高浓度时可导致声门水肿、肺水肿和呼吸道麻痹。已知其分子式为SO2。据此回答下列问题。
问题生成
1.请计算SO2的成键电子对数、孤电子对数、价层电子对数。
【答案】SO2分子中的中心原子是S,成键电子对数为2。孤电子对数=(a-xb)=×(6-2×2)=1,价电子对数=2+1=3。
2.根据SO2的成键电子对数和孤电子对数推测中心原子的杂化类型是什么 其空间结构是什么
【答案】由于其价电子对数是3,故其中心原子的杂化类型是sp2杂化;其空间结构为角形。
【核心归纳】
1.价电子对数的确定方法
(1)a表示中心原子的价电子数。
对于主族元素:a=最外层电子数;
对于阳离子:a=价电子数-离子电荷数;
对于阴离子:a=价电子数+|离子电荷数|。
(2)x表示与中心原子结合的原子数。
(3)b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。
2.根据价电子对互斥理论定性预测分子的空间结构
价电子对互斥理论模型指的是价电子对的空间结构,而分子的空间结构指的是成键电子对空间结构,不包括孤电子对。
(1)当中心原子无孤电子对时,两者的结构一致;
(2)当中心原子有孤电子对时,两者的结构不一致。
(3)常见分子的空间结构
价电子对数目 电子对的空间结构 成键电子对数 孤电子对数 分子的空间结构 实例
2 直线形 2 0 直线形 BeCl2 CO2
3 平面三角形 3 0 平面三角形 BF3 BCl3
2 1 角形 SnBr2 PbCl2
4 四面体形 4 0 正四面体形 CH4 CCl4
3 1 三角锥形 NH3 NF3
2 2 角形 H2O
3.杂化轨道类型的判断
(1)对于ABm型分子、中心原子的杂化轨道数的计算:
n=。
其中配位原子中,卤素原子、氢原子提供1个价电子,硫原子、氧原子不提供价电子,即提供价电子数为0。
例如:
代表物 杂化轨道数(n) 杂化轨道类型
CO2 (4+0)=2 sp
CH2O (4+2+0)=3 sp2
CH4 (4+4)=4 sp3
SO2 (6+0)=3 sp2
NH3 (5+3)=4 sp3
H2O (6+2)=4 sp3
(2)离子的杂化轨道计算:
n=(中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数±电荷数)。
代表物 杂化轨道数(n) 杂化轨道类型
N (5+1)=3 sp2
N (5-1+4)=4 sp3
【典型例题】
【例1】下列判断错误的是(　　)。
A.SO2、CS2都是直线形的分子
B.BF3键角为120°
C.BF3、SO3都是平面三角形的分子
D.CH4、NH3、H2O分子的键角依次减小
【答案】A
【解析】SO2中价层电子对数=2+×(6-2×2)=3,含有1对孤电子对,所以SO2为角形结构,CS2为直线形结构,A项错误;BF3中价层电子对数=3+×(3-3×1)=3,为平面三角形结构,所以BF3键角为120°,B项正确;BF3、SO3中中心原子价层电子对数都是3且不含孤电子对,所以这两种分子都是平面三角形结构,C项正确;CH4分子中的C原子没有孤电子对,NH3分子中N原子上有1对孤电子对,H2O分子中O原子上有2对孤电子对,对成键电子对的排斥作用增大,故键角减小,D项正确。
【例2】已知P与Cl形成的化合物有PCl3、PCl5,其中PCl5分子结构如图。下列说法正确的是(　　)。
A.PCl5分子中5个P—Cl键键能完全相同
B.PCl5分子中每个原子都达到8电子稳定结构
C.PCl5受热失去两个Cl原子生成平面三角形的PCl3
D.PCl5分子中键角(Cl—P—Cl)有90°、120°、180°三种
【答案】D
【解析】键长越短,键能越大,所以5个P—Cl键的键能不完全相同,A项错误;中心原子P形成5个共用电子对,P原子达到10个电子结构,B项错误;PCl3的中心原子价层电子对数都是3+=4且含有一个孤电子对,为三角锥形结构,C项错误;根据图知,平面上键角(Cl—P—Cl)为120°、上顶点和平面上的Cl原子形成的键角(Cl—P—Cl)有90°,上下顶点和P原子形成的键角(Cl—P—Cl)为180°,D项正确。
方法归纳：1.由于孤电子对比成键电子对更靠近中心原子的原子核,因而价电子对之间的斥力大小顺序:孤电子对与孤电子对之间的斥力>孤电子对与成键电子对之间的斥力>成键电子对与成键电子对之间的斥力。
2.孤电子对数越多,与成键电子对斥力越大,成键原子所形成的键角越小。例如H3O+和H2O键角大小,H3O+中中心原子O上的孤电子对数为1,而H2O中中心原子O上孤电子对数为2,所以H3O+的键角大于H2O分子的键角。
3.结构相同的物质,元素的电负性越大,吸引键合电子的能力越强,成键电子对距离中心原子较近,成键电子对之间的斥力越大,键角越大。例如NH3、PH3、AsH3中,中心原子都是sp3杂化,都有1对孤电子对,NH3分子的中心原子N的电负性大,成键电子对距离中心原子较近,键角更大,所以这三种物质键角由大到小的顺序为NH3>PH3>AsH3。
任务2：等电子原理及其应用
情境导入　笑气(N2O)是一种无色、有甜味、能溶于水的气体,因吸入能致人发笑而得名。笑气在医学上曾被用作“麻醉剂”,过度吸食会导致身体机能紊乱。加热硝酸铵可以得到笑气和水:NH4NO3N2O↑+2H2O。
问题生成
1.N2O和CO2互为等电子体吗 据此判断N2O的电子式、结构式和空间结构。
【答案】互为等电子体;N2O的电子式为,结构式为NON,空间结构为直线形。
2.NH3和H3O+两种微粒是等电子体吗 为什么 若是,微粒的空间结构是什么
【答案】NH3和H3O+两种微粒的原子和价电子总数都相等,是等电子体,二者的空间结构相似,均为三角锥形。
【核心归纳】
1.等电子体判断
原子总数和价层电子总数相等的粒子互为等电子体。
2.等电子体原理应用
互为等电子体的粒子的某些性质和结构相似。例如,CO2和N2O互为等电子体,均是直线形分子。
3.常见等电子体
粒子 通式 价电子总数 空间结构
CO2、SCN-、N、、 N2O、COS、CS2 AX2 16e- 直线形
C、N、SO3 AX3 24e- 平面三角形
SO2、O3、N AX2 18e- 角形
S、P AX4 32e- 正四面体形
P、S、Cl AX3 26e- 三角锥形
CO、N2、 AX 10e- 直线形
CH4、N AX4 8e- 正四面体形
【典型例题】
【例3】已知原子总数和价电子总数相同的离子或分子的空间结构相似,如SO3、N 都是平面三角形。下列分子或离子中与S具有相似空间结构的是(　　)。
A.PCl5 B.CCl4
C.NF3 D.
【答案】B
【解析】S的原子总数为5,价电子数为32,CCl4的原子总数为5,价电子数为4+4×7=32,故与S有相似空间结构(均为正四面体形);PCl5分子中价电子数为5+7×5=40,NF3分子中价电子数为5+7×3=26,的价电子数为5×3+1=16。
【例4】互为等电子体的粒子的结构相似,物理性质相似。下列各组粒子中,空间结构相似的是(　　)。
A.SO2与N B.CO2与NO2
C.CS2与NO2 D.PCl3与BF3
【答案】A
【解析】SO2与N互为等电子体,空间结构相似,A项正确;CO2与NO2、CS2与NO2、PCl3与BF3价电子数都不同,都不是等电子体。
【随堂检测】
1.硒(Se)是ⅥA族元素,则SeS3的空间结构是(　　)。
A.正四面体形 B.角形
C.三角锥形 D.平面三角形
【答案】D
【解析】SeS3中的Se元素呈+6价,Se原子的价层电子对全部用于形成共价键,Se周围有3个硫原子,故其空间结构为平面三角形,D项正确。
2.下列描述中正确的是(　　)。
A.BF3是三角锥形分子
B.Cl的空间结构为三角锥形
C.SF6中有6对完全相同的成键电子对
D.SiF4和S的VSEPR模型相同
【答案】C
【解析】BF3中中心原子上的价电子对数=3+×(3-3×1)=3,无孤电子对,为平面三角形结构,A项错误;Cl中Cl原子的价电子对数=4+×(7+1-4×2)=4,不含有孤电子对,所以为正四面体形,B项错误;SF6中心原子S的价电子对数=6+×(6-6×1)=6,无孤电子对,SF6中含有6个S—F键,所以SF6中有6对完全相同的成键电子对,C项正确;SiF4和S的中心原子价电子对数分别为4+×(4-4×1)=4、3+×(6+2-3×2)=4,VSEPR模型分别为正四面体形、四面体形,D项错误。
3.下列叙述中正确的是(　　)。
A.CS2为角形的极性分子,微粒间的作用力为范德华力
B.Cl的空间结构为平面三角形
C.氯化硼(BCl3)的B原子价电子对数为4,含有一对孤电子对,呈三角锥形
D.SiF4和S的中心原子均为sp3杂化,SiF4分子呈正四面体形,S呈三角锥形
【答案】D
【解析】CS2为直线形分子,分子间只存在分子间作用力,A项错误;Cl中Cl原子价电子对数=3+=4,且Cl原子上孤电子对数为1,则该微粒为三角锥形,B项错误;氯化硼(BCl3)的B原子价电子对数=3+=3,B原子不含孤电子对,该分子为平面正三角形,C项错误;SiF4中Si原子价电子对数=4+=4,且Si原子不含孤电子对,S中S原子价电子对数=3+=4,且S原子上孤电子对数为1,SiF4为正四面体形,S为三角锥形,D项正确。
4.H2O2的结构式为H—O—O—H,下列有关H2O2的说法正确的是(　　)。
A.是直线形分子
B.是三角锥形分子
C.氧原子有1对孤电子对
D.氧原子的价层电子对数为4
【答案】D
【解析】H2O2中的每个氧原子有6个价电子,形成了2个σ键,故还有4个电子没有成键,孤电子对数为2,价层电子对数为4,C项错误,D项正确;以氧为中心的三个原子呈角形结构,H2O2中相当于有两个角形结构,故不可能是直线形或三角锥形分子,A、B两项错误。
5.磷不仅在地壳中分布广泛,也存在于动植物体内,是动植物不可缺少的元素之一。请回答下列问题:
(1)磷单质有白磷、红磷和黑磷,三者互为　　　　　　　　　　　　。
(2)磷的氢化物(PH3)是一种无色、剧毒、有鱼腥臭味的气体,该分子的空间结构为　　　　　　　　。
(3)磷的含氧酸根有P、P、P,它们的空间结构分别是　　　　　、　　　　　、　　　　　。
【答案】(1)同素异形体
(2)三角锥形
(3)角形　三角锥形　正四面体形
【解析】(2)PH3的结构与NH3类似,为三角锥形。(3)P、P、P中,P的价电子对数均为=4,孤电子对数分别为2、1、0,则P为角形,P为三角锥形,P为正四面体形。
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