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第二章 分子结构与性质
第二节 分子的空间结构
2.2.1 分子结构的空间构型 价层电子对互斥模型
【教材分析】
本节从分子结构的测定、三原子、四原子、五原子分子的立体构型为例，介绍典型分子立体构型；然后从价层电子对互斥理论和杂化轨道理论解释分子结构的多样性和复杂性，并根据上述理论判断简单分子和离子的构型。
【课程目标】
课程目标 学科素养
1.了解分子结构的测定方法。 2.认识共价分子结构的多样性和复杂性。 3.理解价层电子对互斥理论的含义。 4.能根据有关理论判断简单分子或离子的空间结构。 a.宏观辨识与微观探析：通过对典型分子空间结构的学习，认识微观结构对分子空间结构的影响，了解共价分子结构的多样性和复杂性。 b.证据推理与模型认知：通过对价层电子对互斥模型的探究，建立解决复杂分子结构判断的思维模型。
【教学重难点】
教学重点：价层电子对互斥理论
教学难点：价层电子对互斥理论
【教学过程】
【情境引入】
肉眼不能看到分子，那么，科学家是怎样知道分子的结构的呢？
早年的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。
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。下面先介绍红外光谱，下一章还将介绍晶体X射线衍射。
任务一：分子结构的测定
【讲解】
红外光谱工作原理
原理：分子中的原子不是固定不动的，而是处于不断振动着的。分子的空间结构是分子中的原子处于平衡位置时的模型。
分子振动需要能量，所以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，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，可以得知分子中含有何种化学键或官能团的信息。
红外光谱仪原理示意图
【案例探析1】
【案例探析2】
通过红外光谱图，发现未知物中含有O-H、C-H和C-O的振动吸收，可初步推测该未知物中含有羟基。
【讲解】
质谱工作原理
纵坐标表示相对丰度，横坐标表示粒子的相对质量与其电荷数之比（），简称荷质比，化学家通过分析得知，被测物的相对分子质量是92，该物质是甲苯。
【课堂练习】
1、2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机分子的结构进行分析的质谱法。其方法是让极少量(10－9 g左右)的化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离子化后可得到C2H、C2H、C2H……然后测定其质荷比β。设H＋的质荷比为1，某有机物样品的质荷比如图(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子多少有关)，则该有机物可能(　　)
A．CH3OH B．C3H8
C．C2H4 D．CH4
【过渡】
美丽的化学结构视频
【展示】
多样的分子空间结构
分子类型 化学式 空间结构 结构式 键角 空间填充模型 球棍模型
三原子 分子 CO2 直线形 O===C===O 180°
H2O V形 105°
四原子 分子 CH2O 平面 三角形 120°
NH3 三角锥形 107°
五原子 分子 CH4 四面体形 109°28′
【思考交流】
为什么甲烷分子的空间结构是正四面体形而不是正方形？
【学生活动】
用“气球空间互斥”类比“电子对互斥”并展示成果
【思考交流】
三原子分子CO2和H2O、四原子分子NH3和CH2O，为什么它们的空间结构不同？
【学生活动】
写出分子的电子式，再对照其球棍模型，运用分类、对比的方法，分析结构不同的原因。
【讲解】
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，影响其分子的空间结构。
分子的空间结构除了和中心原子与结合原子间的成键电子对有关，还和中心原子的孤电子对有关，两者合称为中心原子的“价层电子对”。
【思考交流】
实验测得NH3的键角为107°，H2O的键角为105°,为什么NH3和H2O的键角均小于109°28′？
【讲解】
相较成键电子对，孤电子对有较大的排斥力
任务二：价层电子互斥理论
【讲解】
为了探究其原因，发展了许多结构理论，有一种比较简单的理论叫做价层电子对互斥理论。
价层电子对互斥模型认为，分子的空间结构是中心原子周围“价层电子对”相互排斥的结果。VSEPR的“价层电子对”是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。多重键只计其中的σ键电子对，不计π电子对。
【讲解】
预测分子的空间构型
中心原子无孤电子对的分子：VSEPR理想模型就是其分子的空间结构。
若有：先判断VSEPR理想模型，后略去孤电子对，便可得到分子的空间结构
【思考交流】
如何计算价层电子对数
【讲解】
价层电子对互斥模型(VSEPR)
(1)σ键电子对的计算
σ键电子对数 ＝ 结合原子数
由分子式确定，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。
(2)中心原子上的孤电子对的计算
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。
对于主族元素：a＝原子的最外层电子数。
对于阳离子：a＝中心原子的价电子数－离子的电荷数。
对于阴离子：a＝中心原子的价电子数＋离子的电荷数(绝对值)。
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。
【课堂练习】
计算H2O、NH3、SO3、NH4+、CO分子的孤电子对数。
【讲解】
【学生活动】
根据VSEPR，确定CO2、SO2、CO、H2O、NH3、CH4、NH4+分子的空间结构。
【讲解】
分子或离子 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR 模型名称 分子或离子 的空间结构名称
CO2 0 2 直线形 直线形
SO2 1 3 平面三角形 V形
CO 0 3 平面三角形 平面三角形
H2O 2 4 四面体形 V形
NH3 1 4 四面体形 三角锥形
CH4 0 4 正四面体形 正四面体形
NH4+ 0 4 正四面体形 正四面体形
【展示】
【总结】
VSEPR模型与分子或离子的空间结构
σ键电子对数＋孤电子对数＝价层电子对数VSEPR模型分子或离子的空间结构。
价层电子对之间的斥力
①电子对之间的夹角越小，斥力越大。
②分子中电子对之间的斥力大小顺序：孤电子对-孤电子对＞孤电子对-成键电子对 ＞成键电子-成键电子。
③由于三键、双键比单键包含的电子多，所以斥力大小顺序：三键＞双键＞单键 。

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