人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第一课时学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子的空间结构第一课时学案，共15页。

第二节　分子的空间结构
第一课时　分子空间结构与价层电子对互斥模型
[明确学习目标]　1.知道科学家可用红外光谱仪测定分子中的化学键和官能团。2.结合实例了解共价分子具有特定的空间结构。3.能运用价层电子对互斥模型对共价分子的空间结构进行解释和预测。




1.分子结构的测定
(1)起初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得到物质的分子结构；现今，科学家应用现代仪器(如红外光谱仪、晶体X射线衍射仪等)测定分子结构。
(2)红外光谱仪测得某物质的红外光谱图如下：

由此可推知该有机物中含有O—H、C—H和C—O的振动吸收，可以初步推测该未知物中含有羟基。
2.多样的分子空间结构
(1)三原子分子

空间结构
化学式
结构式
空间充填模型
球棍模型
键角
直线形
CO2
O===C===O


180°
V形
H2O
OHH


105°

(2)四原子分子

空间结构
化学式
结构式
空间充填模型
球棍模型
键角
平面三角形
CH2O
CHH


约120°
三角锥形
NH3
NHHH


107°

(3)五原子分子

空间结构
化学式
结构式
空间充填模型
球棍模型
键角
正四面体形
CH4



109°28′

3.价层电子对互斥模型
(1)价层电子对互斥模型(VSEPR)认为：分子的空间结构是中心原子周围的“价层电子对”相互排斥的结果。其中“价层电子对”是指分子中的中心原子与结合原子间的σ键(多重键只计其中的σ键电子对，不计π键电子对)电子对和中心原子上的孤电子对。
(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。
②σ键电子对数的计算
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。
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)，其中
ⅰ)a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减去离子的电荷数；
对于阴离子：a＝中心原子的价电子数加上离子的电荷数(绝对值)。
ⅱ)x表示与中心原子结合的原子数。
ⅲ)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减去该原子的价电子数。
④几种分子或离子的中心原子上的孤电子对数如下表所示：

分子或离子
中心原子
a
x
b
中心原子上的孤电子对数
SO2
S
6
2
2
1
NH3
N
5
3
1
1
NH
N
5－1＝4
4
1
0
CO
C
4＋2＝6
3
2
0

(3)根据价层电子对互斥模型对几种分子或离子的空间结构的推测

分子或离子
CO2
SO2
CO
CH4
中心原子上的孤电子对数
0
1
0
0
分子或离子的价层电子对数
2
3
3
4
VSEPR模型




VSEPR模型名称
直线形
平面三角形
平面三角形
正四面体形
分子或离子的空间结构




分子或离子的空间结构名称
直线形
V形
平面三角形
正四面体形




1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)键角为180°的分子，空间结构是直线形。(　　)
(2)键角为120°的分子，空间结构是平面三角形。(　　)
(3)键角为60°的分子，空间结构可能是正四面体形。(　　)
(4)ClO的空间结构为平面三角形。(　　)
(5)BF3是三角锥形分子。(　　)
(6)利用某未知物的红外光谱图和已有谱图库比对分析出该未知物中会有何种化学键或官能团信息。(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√
解析　(2)苯分子的空间结构是平面正六边形，键角为120°。
(4)ClO中含有3个σ键，含有1对孤电子对，为三角锥形。
(5)BF3分子中B原子没有孤电子对，键角是120°，分子的空间结构是平面三角形。
2.下列说法正确的是(　　)
A.NH3、CO、CO2都是平面形分子
B.CH4、CCl4的键角均为109°28′
C.HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次增强
D.CS2、H2O、C2H2都是直线形分子
答案　B
解析　NH3是三角锥形分子，而不是平面形分子，A错误；HF、HCl、HBr、HI的键能逐渐减小，则HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱，C错误；H2O是V形分子，而不是直线形分子，D错误。
3.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述中不正确的是(　　)
A.VSEPR模型可用来预测分子的空间结构
B.分子中价电子对相互排斥决定了分子的空间结构
C.分子中键角越大，价电子对相互排斥力越大，分子越稳定
D.中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥
答案　C
解析　VSEPR模型可用来预测分子的空间结构，注意实际空间结构要去掉孤电子对，A正确；空间结构与价电子对相互排斥有关，所以分子中价电子对相互排斥决定了分子的空间结构，B正确；分子的稳定性与键角没有关系，C错误；中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥，且孤电子对间排斥力>孤电子对和成键电子对间的排斥力，D正确。
4.下列物质的空间结构与NH3分子相同的是 (　　)
A.H3O＋ B．H2O C．CH4 D．CO2
答案　A
解析　氨气分子中N原子的价层电子对数＝3＋×(5－3×1)＝4，含有一对孤电子对，故氨气分子为三角锥形结构。H3O＋中氧原子的价层电子对数＝3＋×(6－3×1－1)＝4，含有一对孤电子对，所以它为三角锥形结构，A正确；H2O中氧原子的价层电子对数＝2＋×(6－2×1)＝4，含有2对孤电子对，所以水分子为V形结构，B错误；同理可确定CH4是正四面体形结构，CO2为直线形结构，C、D错误。
5.已知：①CS2，②PCl3，③H2S，④CH2O，⑤H3O＋，⑥NH，⑦BF3，⑧SO2。请回答下列问题：
(1)中心原子没有孤电子对的是________(填序号，下同)。
(2)空间结构为直线形的分子或离子有________；空间结构为平面三角形的分子或离子有________。
(3)空间结构为V形的分子或离子有________。
(4)空间结构为三角锥形的分子或离子有________；空间结构为正四面体形的分子或离子有________。
答案　(1)①④⑥⑦　(2)①　④⑦　(3)③⑧
(4)②⑤　⑥
解析　(2)CS2的中心原子的价电子对数＝2＋＝2，不含孤电子对，故为直线形；CH2O的中心原子的价电子对数为3，不含孤电子对，故为平面三角形；BF3的中心原子的价电子对数＝3＋＝3，不含孤电子对，故为平面三角形。
(3)H2S的中心原子的价电子对数＝2＋＝4，含2对孤电子对，故为V形结构；SO2的中心原子的价电子对数＝2＋＝3，含1对孤电子对，故为V形结构。
(4)PCl3的中心原子的价电子对数＝3＋＝4，含1对孤电子对，故为三角锥形；H3O＋的中心原子的价电子对数＝3＋＝4，含1对孤电子对，故为三角锥形；NH的中心原子的价电子对数＝4＋＝4，不含孤电子对，故为正四面体形。

知识点　根据价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构


1.基本观点
分子中的中心原子的价电子对——σ键电子对和孤电子对由于相互排斥作用，尽可能趋向于彼此远离。
2.中心原子价电子对数的计算

分子或离子的中心原子的价电子对数计算公式为x＋。
3.常见分子空间结构判断实例

σ键电子对数
孤电子对数
价层电子对数
电子对的排列方式
VSEPR模型
分子或离子的空间结构
实例
2
0
2

直线形
直线形
BeCl2、CO2
3
0
3

平面三角形
平面三角形
BF3、BCl3
2
1

V形
SnBr2、PbCl2
4
0


四面体形
正四面体形
CH4、CCl4
3
1

三角锥形
NH3、NF3
2
2

V形
V形,H2O





[解析]　NH3分子的中心原子N原子上含有3个σ键，中心原子上的孤电子对数＝×(5－3×1)＝1，所以NH3的VSEPR模型是四面体形，其空间结构是三角锥形；BF3分子的中心原子B原子上含有3个σ键，中心原子上的孤电子对数＝×(3－3×1)＝0，所以BF3分子的VSEPR模型是平面三角形，其空间结构也是平面三角形。
[答案]　C
[方法]　利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构解题思路

[练1]　下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是(　　)
A．键角为180°的分子，空间结构是直线形
B．键角为120°的分子，空间结构是平面三角形
C．键角为109°28′的分子，空间结构是正四面体形
D．键角为90°～109°28′之间的分子，空间结构可能是V形
答案　B
解析　键角为180°的分子，空间结构是直线形，例如二氧化碳等，A正确；乙烯分子的键角为120°，但它的空间结构并不是平面三角形，B错误；键角为109°28′的分子，空间结构是正四面体形，C正确；键角为90°～109°28′之间的分子，空间结构可能是V形，例如水等，D正确。
[练2]　用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间结构。
分子或离子
VSEPR模型名称
空间结构名称
BeCl2


SCl2


PF3


NH


SO



答案　
分子或离子
VSEPR模型名称
空间结构名称
BeCl2
直线形
直线形
SCl2
四面体形
V形
PF3
四面体形
三角锥形
NH
正四面体形
正四面体形
SO
四面体形
三角锥形

解析　根据各分子或离子的电子式和结构式，分析中心原子的孤电子对数，依据中心原子连接的原子数和孤电子对数，确定VSEPR模型和分子的空间结构：

分子或离子
中心原子孤电子对数
价层电子对数
VSEPR模型名称
空间结构名称
BeCl2
0
2
直线形
直线形
SCl2
2
4
四面体形
V形
PF3
1
4
四面体形
三角锥形
NH
0
4
正四面体形
正四面体形
SO
1
4
四面体形
三角锥形


本课归纳总结
　　


1．下列分子的空间结构是正四面体形的是(　　)
A．CH4 B．NH3 C．H2O D．C2H4
答案　A
解析　氨分子是三角锥形，水分子是V形，乙烯分子是平面形。
2．下列分子或离子的中心原子上未用于成键的价电子对最多的是(　　)
A．H2O B．HCl C．NH D．PCl3
答案　A
解析　A项，氧原子有两对未成键的价电子对；B项，HCl分子属于AB型分子，没有中心原子；C项，NH的中心原子的价电子全部参与成键；D项，磷原子有一对未成键的价电子对。
3．下列物质中，化学键类型和分子空间结构皆相同的是(　　)
A．CO2和SO2 B．CH4和SiCl4
C．BF3和PH3 D．HCl和NH4Cl
答案　B
解析　CO2和SO2都含有共价键，但CO2为直线形分子，SO2为V形分子，A错误；CH4和SiH4都含有共价键，且都是正四面体结构，B正确；BF3和PH3都含有共价键，BF3为平面三角形分子，PH3为三角锥形分子，C错误；HCl只含共价键，NH4Cl含有离子键和共价键，D错误。
4．下列分子中，VSEPR模型与分子的空间结构相同的是(　　)
①CH2O ②CO2 ③NCl3 ④H2S
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
答案　A
解析　两种模型相同，说明中心原子的价电子均参与成键，无孤电子对存在。
5．硫化氢(H2S)分子中，两个H—S键的夹角都接近90°，说明H2S分子的空间结构为________；二氧化碳(CO2)分子中，两个C===O键的夹角是180°，说明CO2分子的空间结构为________；甲烷(CH4)分子中，任意两个C—H键的夹角都是109°28′，说明CH4分子的空间结构为____________。
答案　V形　直线形　正四面体形
解析　通过键角可直接判断分子的空间结构。三原子分子键角为180°时为直线形，小于180°时为V形。五原子分子键角为109°28′时，空间结构为正四面体形。
6．用价层电子对互斥模型推测下列分子(或离子)的空间结构：
(1)H2S________　(2)NH________　(3)CHCl3________　(4)SiF4________
答案　(1)V形　(2)V形　(3)四面体形　(4)正四面体形
解析　根据原子的最外层电子的排布，可以判断出分子或离子的中心原子含有的孤电子对数和结合的原子数：

化学式
H2S
NH
CHCl3
SiF4
中心原子含有孤电子对数
2
2
0
0
中心原子结合的原子数
2
2
4
4

根据以上数据不难判断出各种分子的空间结构。

课时作业
一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)
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．甲酸分子(HCOOH)中碳原子的价层电子对数为(　　)
A．1 B．2 C．3 D．4
答案　C
解析　甲酸中，碳原子形成3个σ键，故价层电子对数＝3＋×(4－1×1－1×2－1×1)＝3，C正确。
3．用价层电子对互斥模型判断SO3的空间结构为(　　)
A．正四面体形 B．V形
C．三角锥形 D．平面三角形
答案　D
解析　SO3的中心原子硫原子的价电子数为6，与中心原子结合的原子数为3，氧原子最多能接受的电子数为2，则中心原子的孤电子对数＝×(6－3×2)＝0，故价层电子对数＝σ键电子对数＝3，SO3的空间结构与其VSEPR模型一致，为平面三角形，故选D。
4．(2019·合肥高二检测)下列各组分子中所有原子都可能处于同一平面的是(　　)
A．CH4、CS2、BF3 B．CO2、H2O、NH3
C．C2H4、C2H2、C6H6 D．CCl4、BeCl2、PH3
答案　C
解析　题中的CH4和CCl4为正四面体形分子，NH3和PH3为三角锥形分子，这几种分子的所有原子不可能都在同一平面上。
5．用价层电子对互斥模型判断NO的空间结构为(　　)
A．正四面体形 B．V形
C．三角锥形 D．平面三角形
答案　D
解析　NO中，中心原子N上的价层电子对数为3＋×(5＋1－2×3)＝3，VSEPR模型为平面三角形，又因为其孤电子对数为0，即价层电子对全部用于形成σ键，故NO为平面三角形。
6．用价层电子对互斥模型预测H2S和NH3的空间结构，下列说法正确的是(　　)
A．直线形；三角锥形 B．V形；三角锥形
C．直线形；平面三角形 D．V形；平面三角形
答案　B
解析　H2S中S原子的价层电子对数＝2＋×(6－2×1)＝4，含有2对孤电子对，所以其空间结构为V形；NH3中N原子的价层电子对数＝3＋×(5－3×1)＝4，含有1对孤电子对，所以其空间结构为三角锥形。
7．下列离子的VSEPR模型与其空间结构一致的是(　　)
A．SO B．ClO C．NO D．ClO
答案　B
解析　SO的价层电子对数为4，其中含有一对孤电子对，所以其VSEPR模型为四面体形，而SO的空间结构为三角锥形，A错误；ClO的价层电子对数为4，不含孤电子对，所以其VSEPR模型与其空间结构一致，B正确；NO的价层电子对数为3，其中含有一对孤电子对，其VSEPR模型与其空间结构不一致，C错误；ClO的价层电子对数为4，其中含有一对孤电子对，其VSEPR模型与其空间结构不一致，D错误。
8．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　NH是正四面体形，A错误；H3O＋和ClO是三角锥形，B错误；NO和CO是平面结构，C正确；PO和SO是正四面体形，D错误。
二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)
9．在以下的分子或离子中，其空间结构不是三角锥形的是(　　)
A．NF3 B．CH C．BCl3 D．H3O＋
答案　C
解析　根据价电子对互斥模型，BCl3是平面三角形结构；其他均为三角锥形结构。
10．能说明CH4分子不是平面四边形，而是正四面体结构的是(　　)
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)结构
答案　AD
解析　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CHHClCl；若为后者，则键角为109°28′，只有一种。
11．下列分子或离子中，中心原子价层电子对的空间结构为四面体形且分子或离子的空间结构为三角锥形的是(　　)
A．NH B．PH3 C．H3O＋ D．SO
答案　BC
解析　所给分子或离子中中心原子价层电子对数：A：4＋×(5－1－4×1)＝4，B：3＋×(5－3×1)＝4，C：3＋×(6－1－3×1)＝4，D：4＋×(6＋2－4×2)＝4，所以价层电子对的空间结构均为四面体形；若分子或离子的空间结构为三角锥形，则中心原子需结合三个原子，即存在一对孤电子对，B、C符合题意。
12．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．CS2是V形分子
B．SnBr2键角大于120°
C．BF3是三角锥形分子
D．NH键角等于109°28′
答案　D
解析　CS2分子的结构与CO2相同，是直线形，A不正确；SnBr2中Sn的价层电子对数＝3，且含有1对孤电子对，所以是V形结构，键角小于120°，B不正确；BF3是平面三角形结构，C不正确；NH是正四面体形结构，键角等于109°28′，D正确。
三、非选择题(本题共2小题)
13．元素及其化合物的应用研究是目前科学研究的前沿之一。试回答下列问题：
(1)二氧化钛(TiO2)作光催化剂，能将污染物如甲醛(CH2O)、苯等有害气体转化为二氧化碳和水。水分子的中心原子的价电子对数为________；甲醛的价电子对互斥理论模型为____________。
(2)写出下列分子或离子的空间结构：PO____________；ClO____________。
答案　(1)4　平面三角形　(2)正四面体形　三角锥形
解析　(1)水分子中O原子的价电子对数＝2＋×(6－2×1)＝4；甲醛分子中C原子的价电子对数为3，价电子对互斥理论模型为平面三角形。
(2)PO中P原子的价电子对数＝4＋＝4，孤电子对数为0，空间结构为正四面体形；ClO中Cl原子的价电子对数＝3＋＝4，孤电子对数为1，空间结构为三角锥形。
14．20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。其要点可以概括为：
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的主要顺序为：
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)由AXnEm的VSEPR理想模型填写下表：

n＋m
2
①________
VSEPR理想模型
②__________
正四面体
价层电子对
之间的理想键角
③__________
109°28′

(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都属于AX4E0型分子，S===O之间以双键结合，S—Cl、S—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。
答案　(1)①4　②直线形　③180°
(2)CO2中C原子价层电子对数为2，由VSEPR模型知，两对电子对应尽量远离，故为直线形结构
(3)V形　∠H—O—H应略小于109°28′，因为H2O分子中中心O原子价层电子对数为4，分占不同的位置，它们同样要尽量远离，故它的空间结构为四面体形，但是由于两对孤电子对的排斥作用，导致∠H—O—H略小于109°28′
(4)四面体形　>
解析　(2)CO2中C的价层电子对数为2＋×(4－2×2)＝2，由VSEPR模型知，两对电子对应尽量远离，故为直线形结构，即CO2分子为直线形分子。
(4)中心原子S原子的价层电子对数为4＋×(6－2×2－2×1)＝4,4对价层电子对应尽量远离，故为四面体结构，由于周围原子的半径不同，故它们的空间结构为变形的四面体；由于Cl的得电子能力弱于F的，则S—Cl形成的共用电子对之间的斥力强，故Cl—S—Cl的键角大于F—S—F的键角。