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第1课时 分子结构的测定和多样性 价层电子对互斥模型
第二章 第二节 分子的空间结构
任务一　分子结构的测定
下图为某未知物质的质谱图：
质荷比的最大值是该物质的相对分子质量，由图可看出，该物质的相对分子质量是多少？
提示：相对分子质量为16。
情境探究
1．红外光谱在测定分子结构中的应用
2.质谱法在测定分子相对分子质量中的应用
(1)目的：测定____________________。
(2)读谱：相对分子质量＝最大质荷比。
新知构建
项目 内容
作用 初步判断分子中含有何种________或________
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________。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，从而可以获得分子中含有何种________或________的信息
化学键
官能团
吸收峰
化学键
官能团
分子的相对分子质量
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)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推测分子的结构。
答案：正确。
(2)CH3CH2OH的红外光谱图中显示含有C—H、C—O、O—H等键。
答案：正确。
应用评价
(3)质谱仪的基本原理是在质谱仪中使分子得到电子变成分子离子和碎片离子等粒子。
答案：错误，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。
(4)化学家根据质谱图中最大质荷比推测被测物的相对分子质量。
答案：正确。
2．用红外光谱仪测得乙偶姻分子的红外光谱图如下：
则由红外光谱图得乙偶姻分子中含有的化学键是____________________，
推测其含有的官能团是：___________(填结构简式)。
O—H、C—H和C===O
归纳总结
用红外光谱仪测定化学键或官能团信息。用质谱仪测定分子的相对分子质量，在质谱图中质荷比最大的数据代表所测物质的相对分子质量。　　
返回
任务二　多样的分子空间结构
问题1：H2S中，两个H—S的键角接近90°，BeCl2中两个Be—Cl的键角是180°，推测H2S和BeCl2的分子的空间结构分别是怎样的？
提示： H2S的空间结构是V形，BeCl2的空间结构是直线形。
问题2：CH3Cl分子是正四面体形结构吗？
提示：C—H键与C—Cl键的键长不同，所以CH3Cl是四面体形，但不是正四面体形。
问题3：白磷(P4)分子为正四面体形，其键角是否与甲烷一样也为109°28′？
提示：不是。白磷分子中四个P原子位于四面体顶点，因此其键角为60°。
情境探究
问题4：NH3与BF3分子组成相似，但NH3是三角锥形，而BF3是平面三角形，试写出两种分子的电子式，并结合以上分析总结分子的空间结构与哪些因素有关。
提示： ，分子的空间结构与原子数目、键长、键
角、孤电子对等有关。
1．三原子分子
新知构建
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CO2 _____________ _______ ________
H2O ____________ 105° ______
O===C===O
180°
直线形
V形
2.四原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 空间结
构模型 空间结
构名称
CH2O 约_______ __________
NH3 107° __________
120°
平面三角形
三角锥形
3.五原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CH4
___________ ___________ ______________
109°28′
正四面体形
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)所有的三原子分子都是直线形结构。
答案：错误，有些三原子分子是直线形结构，有些三原子分子是V形
结构。
(2)所有的四原子分子都是平面三角形结构。
答案：错误，有些四原子分子是平面三角形结构，有些四原子分子是三角锥形结构。
应用评价
(3)五原子分子的空间结构都是正四面体。
答案：错误，有些五原子分子的空间结构是四面体，而非正四面体。
(4)正四面体形的键角均为109°28′。
答案：错误，P4为正四面体，键角为60°。
(5)SiCl4、SiH4、NH 、CH3Cl均为正四面体结构。
答案：错误，CH3Cl为四面体结构而非正四面体结构。
2．(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键为极性共价键
c．4个C—H键的键能、键长都相等
d．二氯甲烷(CH2Cl2)只有一种(不存在同分异构体)
V形
直线形
ad
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。
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；
6．是四面体形但不是正四面体形的有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等。　　
归纳总结
返回
任务三　价层电子对互斥模型
为研究CH4、NH3和H2O的空间结构，某小组同学制作了它们的气球模型(如图所示)：
在CH4的气球模型中，将4个颜色相同的气球充气成为相同大小，系在一个中心上。在NH3和H2O的气球模型中，一种颜色的小气球代表σ键电子对，另一种颜色的大气球代表孤电子对。
相比之下，孤电子对较“胖”一些，占据较大的空间，而σ键电子对较“瘦”，占据较小的空间。
情境探究
问题1：分析四种分子(CH4、NH3、H2O、BF3)和两种离子(H3O＋、CO )，分别确定其中心原子的σ键电子对数和孤电子对数，并填入下表。
分子(或
离子) CH4 NH3 H2O BF3 H3O＋ CO
σ键电
子对数 4 ①____ 2 ②____ 3 3
孤电子
对数 ③____ ④____ ⑤____ ⑥____ ⑦____ ⑧____
3
3
0
1
2
0
1
0
问题2：利用价层电子对互斥模型推测四种分子(CH4、NH3、H2O、BF3)和两种离子(H3O＋、CO )的VSEPR模型和空间结构，并填入下表。
分子(或离子) CH4 NH3 H2O BF3 H3O＋ CO
VSEPR模型 四面
体形 ①______
______ ②______
______ 平面三
角形 四面
体形 ③______
________
分子(或离子)的空间结构 正四面
体形 ④______
________ ⑤_____ ⑥______
________ ⑦______
_______ ⑧______
________
四面
体形
四面
体形
平面
三角形
三角
锥形
V形
平面
三角形
三角
锥形
平面
三角形
1．理论要点
价层电子对互斥理论认为，分子的空间结构是中心原子周围的“____________”相互排斥的结果。价层电子对是指分子中的__________与结合原子之间的____________和中心原子上的__________。
2．价层电子对数的计算
(1)σ键电子对数的计算
σ键电子对数可由化学式确定，中心原子有几个σ键，就有几个σ键电子对。如H2O分子中σ键电子对数为___，NH3分子中σ键电子对数为___。
新知构建
价层电子对
中心原子
σ键电子对
孤电子对
2
3
(2)孤电子对数的计算
中心原子上的孤电子对数＝ (a－xb)
a为____________________；
x为________________________；
b为与中心原子结合的原子____________________。
中心原子的价电子数
与中心原子结合的原子数
最多能接受的电子数
3．价层电子对互斥模型与分子结构
电子对数 成键数 孤电子对数 电子对空间结构 分子空间结构 实例
2 2 0 直线形 ________ CO2
3 3 0 平面
三角形 平面三角形 BF3
2 1 ______ SO2
4 4 0 四面体形 正四面体形 CH4
3 1 __________ NH3
2 2 V形 H2O
直线形
V形
三角锥形
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_________，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 中心原子的价
层电子对数 中心原子上的
孤电子对数 VSEPR模型及名称 分子或离子的空
间结构及名称
CO2 ___ ___
直线形
直线形
CO ___ ___
平面三角形
平面三角形
CH4 ___ ___
正四面体形
正四面体形
孤电子对
2
0
3
0
4
0
(2)中心原子含孤电子对
分子 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 ___ ___
四面体形
三角锥形
H2O ___ ___
四面体形
V形
SO2 ___ ___
平面三角形
V形
4
1
4
2
3
1
正误判断，错误的说明原因。
(1)NH3分子中的价层电子对数为4，VSEPR模型和分子的空间结构均为正四面体形。
答案：错误，NH3分子中的价层电子对数为4，VSEPR模型是四面体形而分子的空间结构为三角锥形。
(2)SO2和CO2的分子组成相似，故它们分子的空间结构相同。
答案：错误，SO2的空间结构是V形，CO2的空间结构是直线形。
应用评价
(3)根据价层电子对互斥模型，H3O＋的空间结构为三角锥形。
答案：正确。
(4)SO 的价层电子对数为4，孤电子对数为0。
答案：正确。
归纳总结
分子空间结构的确定思路
中心原子价层电子对数n


分子的空间结构——略去孤电子对在价层电子对互斥模型中占有的空间　
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随堂演练
1．下列说法不正确的是
A．用质谱图可确定有机物的相对分子质量
B．红外光谱图能确定有机物分子中的官能团
C．核磁共振氢谱图可获得分子中不同化学环境的氢
D．用燃烧分析法可确定有机物的分子结构
√
质谱法可测定有机物的相对分子质量，为有机物实验式和分子式确定中常用的方法，A正确；红外光谱图可确定有机物分子中的化学键或官能团，对有机物分子红外光谱的研究有助于确定有机物分子的结构，B正确；核磁共振氢谱图可获得分子中不同化学环境的氢及其数目，C正确；燃烧分析法可确定有机物的分子式，不能确定其分子结构，D错误；故选D。
2．下列分子或离子中，中心原子含有孤电子对的是
A．PCl5 B．NO
C．SiCl4 D．PbCl2
√
3．根据价层电子对互斥模型，下列微粒的VSEPR模型属于平面三角形
的是
A．H2S B．NH3
C．BF3 D．CH3Br
√
4．(1)利用VSEPR模型推断分子或离子的空间结构。PO ：______________；CS2：_______。
正四面体形
直线形
PO 是AB4型，成键电子对数是4，为正四面体形。CS2是AB2型，成键电子对数是2，是直线形。
(2)为了解释和预测分子的空间结构，科学家在归纳了许多已知的分子空间结构的基础上，提出了一种十分简单的理论模型——价层电子对互斥模型。这种模型把分子分成两类：一类是______________________________
_______；另一类是______________________。BF3和NF3都是四个原子的分子，BF3的中心原子是____，NF3的中心原子是____；BF3分子的空间结构与NF3分子的空间结构不同的原因是______________________________
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
中心原子上的价电子都用于形成
共价键
中心原子上有孤电子对
B　
N
BF3分子中B原子的3个价电子都与F原子形成共价键，而NF3分子中N原子的3个价电子与F原子形成共价键，还有一对未成键的电子对，占据了N原子周围的空间，参与相互排斥，形成三角锥形
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课时测评
题点一　分子结构的测定
1．下列说法错误的是
A．核磁共振氢谱图上可以推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的数目
B．红外光谱法是用高能电子流等轰击样品分子，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
C．质谱法具有快速、微量、精确的特点
D．通过红外光谱法可以测知有机物所含的官能团
√
质谱法是用高能电子流等轰击样品分子，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，故B错误。故选B。
2．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
√
核磁共振氢谱用于测定H原子的种类和数目；质谱用于测定有机物的相对分子质量；红外光谱横坐标为波数，紫外光谱横坐标为波长。
题点二　多样的分子空间结构
3．下列分子或离子的空间结构判断不正确的是
A．NH 为正四面体形 B．ClO 为三角锥形
C．NF3为V形 D．CH2Cl2为四面体形
√
A项，铵根离子中氮原子的价层电子对数为4、孤电子对数为0，离子的空间结构为正四面体形，正确；B项，ClO 中氯原子的价层电子对数为4、孤电子对数为1，分子的空间结构为三角锥形，正确；C项，三氟化氮分子中氮原子的价层电子对数为4、孤电子对数为1，分子的空间结构为三角锥形，错误；D项，CH2Cl2分子中碳原子的价层电子对数为4、孤电子对数为0，分子的空间结构为四面体形，正确。
4．下列分子结构为正四面体形的是
①P4　②NH3　③CCl4　④CH4　⑤SO2　⑥CO2
A．①③④⑤ B．①③④⑤⑥
C．①③④ D．②④⑤
√
NH3的空间结构是三角锥形，SO2的空间结构是V形，CO2的空间结构是直线形。
题点三　孤电子对数的计算
5．下列分子的中心原子的价层电子对数是3的是
A．H2O B．BF3
C．CH4 D．NH3
√
水分子中氧原子、甲烷分子中碳原子和氨分子中氮原子的价层电子对数都为4，三氟化硼分子中硼原子的价层电子对数为3，故选B项。
6．下列微粒中，含有孤电子对的是
A．SiH4 B．CH4
C．H2O D．NH
√
题点四　价层电子对互斥模型
7．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，也可推测键角大小，下列判断正确的是
A．PCl3为平面三角形
B．SO3与CO 为平面三角形
C．SO2键角大于120°
D．BF3是三角锥形分子
√
8．用价层电子对互斥模型(VSEPR)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．CS2是V形的分子
B．BF3键角为120°，H2O键角大于120°
C．CH2O、NO 都是平面三角形的分子
D．PCl3、PCl5都是三角锥形的分子
√
A项，CS2的结构式为S===C===S，C原子价层电子对数为2＋ (4－2×2)＝2＋0＝2，无孤电子对，根据价层电子对互斥模型判断CS2的空间结构为直线形，错误；
D项，PCl3分子中，P原子价层电子对数为3＋ (5－3×1)＝3＋1＝4，含有1个孤电子对，根据价层电子对互斥模型判断PCl3的空间结构为三角锥形，PCl5分子中，P原子价层电子对数为5＋ (5－5×1)＝5＋0＝5，不含孤电子对，根据价层电子对互斥模型判断PCl5的空间结构为三角双锥形，错误。
9．下列微粒的空间结构与其VSEPR模型不一致的是
A．SO2 B．BF3
C．CH4 D．NH
√
10．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：PH3C．R可以是PH3或AsH3
D．R分子的中心原子上的价层电子对数为4
√
R的空间结构为三角锥形，BF3中心原子价层电子对数为3＋ ×(3－3×1)＝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：PH311．完成下列问题。
(1)H2O的键角________(填“小于”、“大于”或“等于”)NH3的键角。
H2O分子中O原子和NH3分子中N原子的价层电子对数均为4，前者有2个孤电子对，后者有1个孤电子对，由于孤电子对的排斥力大于σ键电子对，则中心原子含有孤电子对越多，共价键的键角越小，故H2O的键角小于NH3的键角；
小于
(2)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_____；OF2分子的空间结构为_______。
XeF2中心原子的价层电子对数为2＋ ＝5；OF2分子中O原子的价层电子对数为2＋ ＝4，含2个孤电子对，则VSEPR模型为四面体形，略去孤电子对，推知OF2分子的空间结构为V形；
5
V形
(3)磷酸根离子的空间结构为____________，其中P的价层电子对数为__。
正四面体形
4
12．20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：
Ⅰ.用AXnEm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)，(n＋m)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中的排布，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)根据要点Ⅰ可以画出AXnEm的VSEPR理想模型，请填写下表：
n＋m 2
VSEPR理想模型 正四面体形
价层电子对之间的理想键角 109°28′
4
直线形
180°
(2)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因：___________________
_______________________。
(3)H2O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)SO2Cl2和SO2F2都属AX4E0型分子，S与O之间以双键结合，S与Cl、S与F之间以单键结合。请你预测SO2Cl2和SO2F2分子的空间结构：__________，SO2Cl2分子中∠Cl—S—Cl______(填“<”、“>”或“＝”)SO2F2分子中∠F—S—F。
n＋m＝2，故为直线形
CO2属AX2E0，
V形
水分子属AX2E2，n＋m＝4，VSEPR理想模型为正四面体形，价层电子对之间的夹角均为109°28′，根据Ⅲ中的ⅰ，应有∠H—O—H<109°28′
四面体形
>
13．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的价层电子排布式为__________，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_________。
H—Cl
V形
3s23p4
平面三角形
SiCl4
109°28′
(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
c
由题意可推出D、E、X、Y、Z分别为C、N、Si、S、Cl。HClO中氧原子是中心原子，价层电子对数为2＋ ×(6－1×1－1×1)＝4，所以HClO分子的空间结构为V形。SO3中硫原子的价层电子对数为3，VSEPR模型为平面三角形。SiCl4是正四面体结构，键角为109°28′。CH4、NH3的中心原子价层电子对数均为4，分子的空间结构不同的根本原因是NH3分子中有孤电子对而CH4分子中没有，分子结构与元素的非金属性强弱无关。
14．回答下列问题：
(1)指出下列粒子的空间结构：
①OF2__________；
OF2中中心原子为O，F为配位原子，价层电子对数＝2＋ ×(6－2×1)＝4，成键电子对数为2，孤电子对数为 ×(6－2×1)＝2，价层电子对互斥模型为正四面体，孤电子对越多，排斥力越大，所以OF2分子结构为V形；
V形
②BeF2____________；
BeF2中中心原子为Be，F为配位原子，价层电子对数＝2＋ ×(2－2×1)＝2，成键电子对数为2，孤电子对数为 ×(2－2×1)＝0，VSEPR模型为直线形，由于无孤电子对的排斥，所以BeF2分子结构与VSEPR模型相同，为直线形；
直线形
③PF3__________；
PF3中中心原子为P，F为配位原子，价层电子对数为3＋ ×(5－3×1)＝4，成键电子对数为3，孤电子对数为 ×(5－3×1)＝1，VSEPR模型为正四面体，由于有一个孤电子对对成键电子对的排斥，所以PF3分子结构为三角锥形；
三角锥形
④SO3____________。
SO3中中心原子为S，O为配位原子，价层电子对数＝3＋ ×(6－3×2)＝3，成键电子对数为3，孤电子对数为 ×(6－3×2)＝0，VSEPR模型为平面三角形，所以SO3分子结构为平面三角形；
平面三角形
(2)在BF3分子中，F—B—F的键角是________。
BF3的价层电子对数为3，又因为B原子上没有孤电子对，则BF3的空间结构为平面三角形，F—B—F的键角为120°；
120°
(3)肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。NH3分子的空间结构是______________。
NH3分子σ键数为3，故孤电子对数为1，价层电子对数为4，分子空间结构为三角锥形；
三角锥形
(4)H＋可与H2O形成H3O＋，H3O＋空间结构为_________。H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大，原因为________________________
_______________________________________________。
三角锥形
H2O中氧原子有2个孤电子
对，H3O＋中氧原子只有1个孤电子对，排斥力较小
(5)SO 的空间结构是______________，其中硫原子的价层电子对数是________。
正四面体形
4
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