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第二节
第1课时　分子结构的测定和多样性　价层电子对互斥模型
核心素养发展目标　
1.了解分子结构的测定方法。
2.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。
3.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。
知识梳理
一、分子结构的测定
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，如红外光谱、晶体X射线衍射等。
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。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，可以得知各吸收峰是由哪种化学键、哪种振动方式引起的，综合这些信息，可分析分子中含有何种化学键或官能团的信息。
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。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。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。
课堂练习
1．可以准确判断有机物分子中含有哪些官能团的分析方法是(　　)
A．核磁共振氢谱
B．质谱
C．红外光谱
D．紫外光谱
答案　C
解析　核磁共振氢谱能分析等效氢的种类
，故A错误；质谱分析相对分子质量，故B错误；红外光谱判断有机物分子中官能团的种类，故C正确；只根据紫外光谱是不能完全确定物质的分子结构，故D错误。
2．2002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
答案　D
解析　有机物样品的质荷比的最大值为该物质的相对分子质量，根据有机物样品的质荷比图可知该物质的相对分子质量为16，甲醇、丙烷、乙烯、甲烷的相对分子质量分别为32、44、28、16，因此该有机物是甲烷。
二、多样的分子空间结构
单原子分子(稀有气体分子)、双原子分子不存在空间结构，多原子分子中存在原子的几何学关系和形状，即所谓“分子的空间结构”。
1．三原子分子
化学式
电子式
结构式
键角
空间结构
空间结构名称
CO2
O==C==O
180°
直线形
H2O
105°
V形
2.四原子分子
化学式
电子式
结构式
键角
空间结构
空间结构名称
CH2O
约120°
平面三角形
NH3
107°
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
空间结构名称
CH4
109°28′
正四面体形
CCl4
109°28′
正四面体形
4.其他多原子分子的空间结构
课堂练习
1、判断题
(1)四原子分子一定都是平面三角形或三角锥形(　　)
(2)正四面体形的键角均为109°28′(　　)
(3)SiCl4、SiH4、NH、CH3Cl均为正四面体结构(　　)
(4)SF6分子的空间结构为正八面体形(　　)
(5)椅式C6H12比船式C6H12稳定(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√
2．下列分子的空间结构模型正确的是(　　)
A．CO2的空间结构模型：
B．H2O的空间结构模型：
C．NH3的空间结构模型：
D．CH4的空间结构模型：
答案　D
解析　CO2的空间结构为直线形，A不正确；H2O的空间结构为V形，B不正确；NH3的空间结构为三角锥形，C不正确；CH4的空间结构为正四面体形，D正确。
3．(2020·南京调研)(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为极性共价键
c．4个C—H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)
答案　(1)V形　(2)直线形　(3)ad
解析　(1)、(2)中可由键角直接判断分子的空间结构。(3)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。
三、价层电子对互斥模型
1．价层电子对互斥模型(VSEPR
model)：对ABn型的分子或离子，中心原子A的价层电子对(包括成键的σ键电子对和未成键的孤电子对)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相互排斥最弱的那种结构，以使彼此之间斥力最小，分子或离子的体系能量最低，最稳定。
2．价层电子对的计算
(1)中心原子价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数。
(2)
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。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。
(3)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)
①a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。
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。
3．价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)
　
　　
价层电子对数目：2　　　　　3　　　　　　4
VSEPR模型：直线形　平面三角形　　正四面体形
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孤电子对，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
σ键电子对数
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
2
0
直线形
直线形
CO
3
0
平面三角形
平面三角形
CH4
4
0
正四面体形
正四面体形
(2)中心原子含孤电子对
分子或离子
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
4
1
四面体形
三角锥形
H2O
4
2
四面体形
V形
SO2
3
1
平面三角形
V形
总结归纳
(1)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)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。
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。
课堂检测
1．下列物质中，分子的空间结构与氨分子相似的是(　　)
A．CO2
B．H2S
C．PCl3
D．SiCl4
答案　C
解析　氨分子是三角锥形，H2S分子是V形，CO2是直线形，PCl3是三角锥形，SiCl4是正四面体形。
2．下列微粒中，中心原子含有孤电子对的是(　　)
A．SiH4
B．H2O
C．CH4
D．NH
答案　B
3．若ABn型分子的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对，运用价层电子对互斥模型，判断下列说法中正确的是(　　)
A．若n＝2，则分子的空间结构为V形
B．若n＝3，则分子的空间结构为三角锥形
C．若n＝4，则分子的空间结构为正四面体形
D．以上说法都不正确
答案　C
4．有X、Y两种活性反应中间体微粒，均含有1个碳原子和3个氢原子，其球棍模型如图所示：，。下列说法错误的是(　　)
A．X的组成为CH
B．Y的组成为CH
C．X的价层电子对数为4
D．Y中键角小于120°
答案　C
5．美国化学家鲍林教授具有独特的化学想象力：只要给他物质的分子式，他就能大体上想象出这种物质的分子结构模型。多核离子所带电荷可以认为是中心原子得失电子所致，根据VSEPR模型，下列离子中所有原子都在同一平面上的一组是(　　)
A．NO和NH
B．H3O＋和ClO
C．NO和CO
D．PO和SO
答案　C
6．(1)利用VSEPR模型推断分子或离子的空间结构。PO________；CS2________；AlBr3(共价分子)______。
(2)按要求写出第二周期非金属元素构成的中性分子的化学式。
平面三角形分子________，三角锥形分子________，四面体形分子________。
(3)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分子的空间结构是平面三角形而NF3分子的空间结构是三角锥形的原因是________。
答案　(1)正四面体形　直线形　平面三角形
(2)BF3　NF3　CF4
(3)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，形成三角锥形第二节第2课时　杂化轨道理论
核心素养发展目标
1.通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。
知识梳理
一、杂化轨道理论简介
1．杂化轨道的含义
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．杂化轨道理论要点
(1)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)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。
(3)杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。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，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图，成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。
(4)为使相互间的排斥最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同，但形状完全相同。
归纳总结：
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
形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。
(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。
二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系
1．杂化轨道的类型
(1)sp3杂化轨道——正四面体形
sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有s和p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。如下图所示。
(2)sp2杂化轨道——平面三角形
sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有s和p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，呈平面三角形，如下图所示。
(3)sp杂化——直线形
sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有s和p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形，如下图所示。
2．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
轨道夹角
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、NH
归纳总结：判断中心原子杂化轨道类型的三种方法
(1)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，故有下列关系：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，再由杂化轨道数目确定杂化类型。
杂化轨道数目
2
3
4
杂化类型
sp
sp2
sp3
(2)根据杂化轨道的空间分布判断
①若杂化轨道在空间的分布为正四面体或三角锥形，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道在空间的分布呈平面三角形，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道在空间的分布呈直线形，则中心原子发生sp杂化。
(3)根据杂化轨道之间的夹角判断
①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化。
②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化。
③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。
提醒　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。
课堂检测
1．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是(　　)
A．CO2与SO2
B．CH4与NH3
C．BeCl2与BF3
D．C2H2与C2H4
答案　B
2．(2019·岑巩县第四中学高二期末)下列分子中的中心原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间结构为直线形且分子中没有形成π键的是(　　)
A．CH≡CH
B．CO2
C．BeCl2
D．BF3
答案　C
3．下列有关甲醛(HCHO)分子的说法正确的是(　　)
①C原子采取sp杂化　
②甲醛分子为三角锥形结构
③C原子采取sp2杂化　
④甲醛分子为平面三角形结构
A．①②
B．②③
C．③④
D．①④
答案　C
4．已知某XY2分子属于V形分子，下列说法正确的是(　　)
A．X原子一定是sp2杂化
B．X原子一定为sp3杂化
C．X原子上一定存在孤电子对
D．VSEPR模型一定是平面三角形
答案　C
5．在BrCH==CHBr分子中，C—Br采用的成键轨道是(　　)
A．sp-p
B．sp2-s
C．sp2-p
D．sp3-p
答案　C
6．乙烯分子中含有4个C—H和1个C==C，6个原子在同一平面上。下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是(　　)
①每个C原子的2s轨道与2p轨道杂化，形成两个sp杂化轨道　②每个C原子的2s轨道与2个2p轨道杂化，形成3个sp2杂化轨道　③每个C原子的2s轨道与3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道　④每个C原子的3个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道
A．①③
B．②④
C．①④
D．②③
答案　B
7．回答下列问题
(1)图(a)为S8的结构，其硫原子的杂化轨道类型为________________。
(2)气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的空间结构为________；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为________。
(3)COCl2分子中所有原子均满足8电子构型，COCl2分子中σ键和π键的个数比为________，中心原子的杂化方式为________________。
(4)As4O6的分子结构如图所示，其中As原子的杂化方式为________________。
(5)AlH中，Al原子的轨道杂化方式为________。
答案　(1)
sp3　(2)平面三角形　sp3　(3)3∶1　sp2　(4)sp3　(5)sp3

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