高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二章 分子结构与性质第二节 分子的空间结构第1课时学案

第二节　分子的空间结构

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。

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。

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

2.四原子分子

3．五原子分子

4.其他多原子分子的空间结构

(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)√

1．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。

2．(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

(2)中心原子含孤电子对

(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。

(1)分子的VSEPR模型和相应分子的空间结构是相同的(　　)

(2)所有的三原子分子都是直线形结构(　　)

(3)SO2与CO2的分子组成相似，故它们分子的空间结构相同(　　)

(4)由价层电子对互斥模型可知SnBr2分子中Sn—Br的键角小于180°(　　)

(5)根据价层电子对互斥模型可以判断H3O＋与NH3的分子(或离子)的空间结构一致(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√

1．试解释CH4键角(109°28′)、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的原因。

提示　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。

2．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)。

答案

 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

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

解析　若中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对，则不存在σ键电子对与孤电子对之间的相互排斥。当n＝2时，分子的空间结构为直线形；n＝3时，分子的空间结构为平面三角形；n＝4时，分子的空间结构为正四面体形。

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

解析　由图可知，X为平面三角形结构，其碳原子应该有三对价层电子对，其组成为CH，A项正确、C项错误；Y为三角锥形，其碳原子有四对价层电子对，故其组成为CH，键角比120°小，B、D项正确。

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

解析　NO中心原子的价层电子对数＝2＋＝3，含有一对孤电子对，空间结构为V形，NH中心原子的价层电子对数＝4＋＝4，没有孤电子对，空间结构为正四面体形，故A不选；H3O＋中心原子的价层电子对数＝3＋＝4，含有一对孤电子对，空间结构为三角锥形，ClO中心原子的价层电子对数＝3＋＝4，含有一对孤电子对，空间结构为三角锥形，故B不选；NO中心原子的价层电子对数＝3＋＝3，没有孤电子对，空间结构为平面三角形，CO中心原子的价层电子对数＝3＋＝3，没有孤电子对，空间结构为平面三角形，故C选；PO中心原子的价层电子对数＝4＋＝4，没有孤电子对，空间结构为正四面体形，SO中心原子的价层电子对数＝4＋＝4，没有孤电子对，空间结构为正四面体形，故D不选。

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

解析　(1)PO是AB4型，成键电子对是4，为正四面体形。CS2是AB2型，成键电子对是2，是直线形。AlBr3是AB3型，成键电子对是3，是平面三角形。(2)第二周期非金属元素构成的中性分子的化学式，呈三角锥形的是NF3，呈平面三角形的是BF3，呈四面体形的是CF4。