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分子的空间结构与物质性质
分子的空间结构
分子结构的测定
思考：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？
早年科学家主要靠对物质的____________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 __________、__________ 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。原子与原子结合依靠的是原子间的化学键，这些化学键就像弹簧，通过震动来化解原子间的伸缩振动，从而保持物质的状态。
应用原理：当一束红外线透过分子时，分子会吸收跟它的某些 __________ 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__________比对，或通过__________计算，可以得知各吸收峰是由哪种__________、哪种__________方式引起的，综合这些信息，可分析分子中含有何种__________ 或 __________的信息。
例：
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
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
原理：在质谱仪中使分子失去电子变成带________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。
③多样的分子空间结构
大多数分子是由两个以上原子构成的，于是分子就有了原子的几何学关系和形状，这就是分子的空间结构。
价层电子互斥模型
思考：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？
1940年，希吉维克和坡维尔在总结实验事实的基础上提出了一种简单的理论模型，用以预测简单分子或离子的立体结构。这种理论模型后经吉列斯比和尼霍尔姆在20世纪50年代加以发展，定名为价层电子对互斥模型，简称VSEPR
（1）
观察上述分子的电子式，找出它们成键电子的的不同点？
（2）
观察上述分子的电子式，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。
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。
①价层电子对： 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”
②价层电子对互斥模型(VSEPR model)
ABn 型：中心原子A的价层电子对(包括成键的____________ 和未成键的 ____________)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____________最弱的那种结构，以使彼此之间____________ 最小，分子或离子的体系能量最低，最稳定；简单地说，分子的空间结构是中心原子的“价层电子对”相互排斥的结果
价层电子对的计算：
中心原子价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数
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
注：若ABn型分子中，A与B之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成，则价层电子对互斥模型把双键或三键作为一对电子对看待。
（2）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）
a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
x表示与中心原子结合的原子数。
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
例1.SO2的中心原子为S，S的价电子数为___(即S的最外层电子数为___)，则a＝___；与中心原子S结合的O的个数为___，则x＝___；与中心原子结合的O最多能接受的电子数为___，则b＝___。所以，SO2 中的中心原子S上的孤电子对数为___
例2.计算中心原子上的孤电子对数
分子或离子 中心原子 a x b 中心原子上的孤电子对数
CO2
SO2
CO32-
NH4+
（3） 价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)
价电子数目 2 3 4
VSEPR模型 直线形 平面三角形 正四面体形
用价层电子对互斥模型完成下列问题(点“·”的原子为中心原子)
σ键电子对数 孤电子对数 空间结构
H2Se
BCl3
PCl3
SO2
SO42-
OF2
ClF2+
（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。
例：中心原子不含孤电子对
注：①由于孤电子对有较大斥力，含孤电子对的分子的实测键角几乎都小于VSEPR模型的预测值
②价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：
孤电子对－孤电子对＞孤电子对－成键电子对＞成键电子对－成键电子对。随着孤电子对数目的增多，成键电子对与成键电子对之间的斥力减小，键角也减小
③价层电子对互斥模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子
总结：预测分子的空间结构的步骤
杂化轨道理论
思考：甲烷分子呈正四面体形，它的4个C—H的键长相同，H—C—H的键角为109°28′。根据价键理论，甲烷的4个C—H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体形的甲烷分子。为什么？
为了解决这一矛盾，1931年由鲍林等人在价键理论的基础上提出杂化轨道理论，它实质上仍属于现代价键理论，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。
1.杂化轨道理论的含义：在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
2.杂化轨道理论四要点：
①能量相近:原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道
②数目不变(变：轨道的成分、能量、形状、方向，使原子的成键能力增加)
：形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等且杂化轨道的能量相同
注：杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，成键时根据最大重叠原理，重叠程度越大，形成的共价键越牢固
③成键能力增强：杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。
④排斥力最小：杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同但形状完全相同。
杂化轨道的类型;
①sp3杂化轨道——正四面体形
②sp杂化——直线形
杂化轨道类型与分子空间结构的关系
①当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同
杂化类型 sp sp2 sp3
杂化夹角 180° 120° 109°28′
杂化轨道示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
分子结构示意图
分子空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形
②当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同
ABn型分子 中心原子杂化类型 中心原子孤电子对数 空间结构 实例
AB2 sp2 1 V形 SO2
AB3 sp3 1 三角锥形 NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2或(B2A) 2 V形 H2S、NH2-
判断中心原子杂化轨道类型的三种方法
①方法一：根据杂化轨道数目判断
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，而两个原子之间只能形成一个σ键。杂化轨道数目＝价层电子对数目＝σ键电子对数目＋中心原子的孤电子对数目
杂化轨道数目 2 3 4
杂化类型 sp sp2 sp3
②方法二：根据杂化轨道的空间分布判断
③方法三：根据杂化轨道之间的夹角判断
注:有机物分子中碳原子杂化类型的判断方法：饱和碳原子均采取sp3杂化；连接双键的碳原子均采取sp2杂化；连接三键的碳原子均采取sp杂化

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