高中化学苏教版（2021） 选择性必修2 专题4 第一单元 第2课时　价层电子对互斥模型　等电子原理-同步学案

这是一份高中化学苏教版（2021） 选择性必修2 专题4 第一单元 第2课时　价层电子对互斥模型　等电子原理，共17页。

第2课时　价层电子对互斥模型　等电子原理
[核心素养发展目标]　
1.了解价层电子对互斥模型，通过对价层电子对互斥模型的探究，建立判断分子空间结构的思维模型。
2.了解等电子体的概念及判断方法，能用等电子原理解释物质的结构和某些性质。
一、 价层电子对互斥模型
1．价层电子对互斥模型的基本内容
分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)由于相互排斥作用，而趋向于尽可能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间结构。
(1)当中心原子的价电子全部参与成键时，为使价电子斥力最小，就要求尽可能采取对称结构。
(2)当中心原子的价电子部分参与成键时，未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同，从而影响分子的空间结构。
(3)电子对之间的夹角越大，相互之间的斥力越小。
2．价电子对的计算
(1)ABm型分子中心原子价电子对数目的计算方法
ABm型分子(A是中心原子，B是配位原子)中价电子对数n的计算：
n＝。
(2)在计算中心原子的价电子对数时应注意如下规定
①作为配位原子，卤素原子和H原子提供1个价电子，氧原子和硫原子按不提供价电子计算；
②作为中心原子，卤素原子按提供7个价电子计算，氧族元素的原子按提供6个价电子计算；
③对于复杂离子，在计算价电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数。如PO中P原子价电子数应加上3，而NH中N原子的价电子数应减去1；
④计算电子对数时，若剩余1个电子，即出现奇数电子，也把这个单电子当作1对电子处理；
⑤双键、三键等多重键作为1对电子看待。
3．价层电子对互斥模型与分子的几何构型
(1)中心原子中的价电子全部参与形成共价键的分子的几何构型如下表所示(由中心原子周围的原子数m来预测)：
ABm
几何构型
示例
m＝2
直线形
CO2、BeCl2
m＝3
平面三角形
CH2O、BF3
m＝4
正四面体型
CH4、CCl4

(2)中心原子上有孤电子对(价电子中未参与形成共价键的电子对)的分子的几何构型：中心原子上的孤电子对占据中心原子周围的空间，与成键电子对互相排斥，使分子的几何构型发生变化，如：H2O、NH3等。
①H2O为AB2型分子，氧原子上有两对孤电子对参与互相排斥，所以H2O分子的空间结构为V形而不是四面体型。
②NH3分子中氮原子上有一对孤电子对参与互相排斥，故NH3的空间结构是三角锥型。

常见分子的价层电子对互斥模型和空间结构
σ键电
子对数
孤电子
对数
价电子对数目
电子对的排列方式
价层电子对互斥模型
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

三角形
平面三角形
BF3、BCl3
2
1

V形
PbCl2
4
0
4

四面体型
正四面体型
CH4、CCl4
3
1

三角锥型
NH3
2
2

V形
H2O


1．价层电子对的互斥模型与分子的空间结构一定一致吗？什么时候一致？
提示　不一定一致，中心原子有孤电子对时，二者结构不一致；当中心原子无孤电子对时，二者结构一致。
2．试解释CH4键角(109°28′)、NH3键角(107°18′)、H2O键角(104°30′)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个孤电子对，H2O分子中O原子上有2个孤电子对，对成键电子对的排斥作用增大，故键角减小。
3．将下列价层电子对互斥模型、分子或离子和空间结构用短线连起来：
价层电子对互斥模型　　 分子或离子　　 空间结构
A．正四面体 ①BF3 a．直线形
B．直线形 ②NH b．平面三角形
C．平面三角形 ③SO c．正四面体型
D．四面体 ④BeCl2 d．三角锥型
提示　A—②—c，B—④—a，C—①—b，D—③—d。

1．下列分子或离子的中心原子上未参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。
2．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；三角锥型 B．V形；三角锥型
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原子的价电子对数为＝4，含有2对孤电子对，所以其空间结构为V形；NH3中N原子的价电子对数为＝4，含有1对孤电子对，所以其空间结构为三角锥型。
3．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　氨分子的空间结构是三角锥型，H2S分子的空间结构是V形，CO2的空间结构是直线形，PCl3的空间结构是三角锥型，SiCl4是正四面体型。

分子空间结构的确定思路
中心原子价电子对数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
二、等电子原理
1．等电子原理
具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构特征，这一原理称为“等电子原理”。
2．等电子体
原子数目相同、价电子总数相同的分子或离子互称为等电子体。
3．等电子原理的应用
(1)利用等电子原理可以判断一些简单分子或离子的立体结构，如NH3与H3O＋互为等电子体，二者空间结构相同。
(2)应用于制造新材料。

1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)只有原子数目和价电子总数相同的分子才是等电子体(　×　)
(2)互为等电子体的物质，物理性质、化学性质都相似(　×　)
2．已知N2与CO、CO2与COS互为等电子体，试分别写出CO、COS的电子式。
提示　　

1．已知原子数目和价电子总数相同的离子或分子结构相似，如SO3、NO都是平面三角形。那么下列分子或离子中与SO有相似结构的是(　　)
A．PCl5 B．CCl4 C．NF3 D．N
答案　B
解析　SO的原子数为5，价电子数为32，CCl4的原子数为5，价电子数为4＋4×7＝32，故CCl4与SO有相似结构(均为正四面体型)。
2．1919年，Langmuir提出等电子原理：原子数目相同、电子总数相同的分子，互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。
(1)根据上述原理，仅由第2周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是________和________；________和__________。
(2)此后，等电子原理又有所发展。例如，由短周期元素组成的微粒，只要其原子数目相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体，它们也具有相似的结构特征。在短周期元素组成的物质中，与NO互为等电子体的分子有________、________。
答案　(1)N2　CO　CO2　N2O　(2)SO2　O3
解析　(1)仅由第2周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，如：N2与CO电子总数均为14，CO2与N2O电子总数均为22。
(2)依题意，只要原子数目相同，价电子总数也相同，即可互称为等电子体，NO为三原子，其价电子总数为(5＋6×2＋1)＝18，SO2、O3也为三原子，各分子价电子总数均为6×3＝18。

常见的等电子体
类型
实例
空间结构
双原子10电子的等电子体
N2、CO、NO＋、C、CN－
直线形
三原子16电子的等电子体
CO2、CS2、N2O
NO、N、BeCl2(g)
直线形
三原子18电子的等电子体
NO、O3、SO2
V形
四原子24电子的等电子体
NO、CO、BO、CS、BF3、SO3(g)
平面三角形
五原子32电子的等电子体
SiF4、CCl4、BF、SO、PO
正四面体型


1．利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，也可推测键角的大小，下列判断正确的是(　　)
A．CS2是V形分子
B．SnBr2的键角大于120°
C．BF3是三角锥形分子
D．NH的键角等于109°28′
答案　D
解析　CS2的中心原子的价电子对数为＝2，不含孤电子对，CS2为直线形分子，A项错误；SnBr2的中心原子的价电子对数为＝3，孤电子对数为1，SnBr2为V形，孤电子对对成键电子对的排斥力大于成键电子对之间的排斥力，所以SnBr2的键角小于120°，B项错误；BF3的中心原子的价电子对数为＝3，不含孤电子对，BF3为平面三角形，C项错误；NH的中心原子的价电子对数为＝4，不含孤电子对，NH为正四面体型，NH的键角等于109°28′，D项正确。
2．若ABn型分子的中心原子A上没有孤电子对，运用价层电子对互斥模型，判断下列说法正确的是(　　)
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型
C．若n＝4，则分子的空间结构为正四面体型
D．以上说法都不正确
答案　C
解析　若中心原子A上没有孤电子对，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型。
3．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，其空间结构模型如图所示：，。
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3个价电子对，其组成为CH，A项正确、C项错误；Y为三角锥型，其碳原子有4个价电子对，故其组成为CH，键角比120°小，B、D项正确。
4．下列分子或离子之间互为等电子体的是(　　)
A．CH4和H3O＋ B．NO和SO2
C．O3和CO2 D．N2和C
答案　D
解析　由短周期元素组成的微粒，只要其原子数目相同，价电子总数相同，即互为等电子体。CH4和H3O＋原子数不同，A错误；NO和SO2原子数、价电子数均不同，B错误；O3和CO2价电子总数不同，C错误；N2和C原子数相同，价电子总数相同，D正确。
5．(1)利用价层电子对互斥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2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__________，三角锥型分子__________，四面体型分子________。
(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分子的空间结构与NF3分子的空间结构不同的原因是_________________________________________________。
答案　(1)正四面体型　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，形成三角锥型
解析　(1)PO是AB4型，成键电子对数是4，为正四面体型。CS2是AB2型，成键电子对数是2，是直线形。AlBr3是AB3型，成键电子对数是3，是平面三角形。(2)第2周期非金属元素构成的中性分子，呈三角锥型的是NF3，呈平面三角形的是BF3，呈四面体型的是CF4。


题组一　分子中价电子对数的确定
1．下列微粒中，含有孤电子对的是(　　)
A．SiH4 B．H2O C．CH4 D．NH
答案　B
2．下列分子或离子中，中心原子未参与成键的电子对最多的是(　　)
A．SF6 B．NH3 C．H2S D．BCl3
答案　C
3．乙醇分子中氧原子的价电子对数为(　　)
A．1 B．2 C．3 D．4
答案　D
解析　乙醇的结构简式为CH3CH2—O—H，氧与氢原子、碳原子成键，即氧原子有2对σ键。由于碳原子只拿出一个电子与氧原子成键，故氧原子的价电子对数为＝4。
题组二　利用价层电子对互斥模型判断分子的空间结构
4．下列关于价层电子对互斥模型的叙述不正确的是(　　)
A．价层电子对互斥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．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
D．分子中键角越大，价电子对相互排斥力越大，分子越稳定
答案　D
解析　价层电子对互斥模型可以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；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，且孤电子对间的斥力＞孤电子对和成键电子对间的斥力，C正确。
5．实验测得BH3为平面三角形(键角均为120°)，NH3为三角锥型(键角为107°18′)，已知电子数相同的微粒具有相似的结构。由此推断：①甲基，②甲基碳正离子(CH)，③甲基碳负离子(CH)的键角相对大小顺序为(　　)
A．②＞①＞③ B．①＞②＞③
C．③＞①＞② D．①＝②＝③
答案　A
解析　①甲基(—CH3)含有3个σ键，1对孤电子，碳原子杂化方式是sp3，为三角锥型结构，由于孤电子的影响小于孤电子对，故键角大于107°18′小于120°；
②甲基碳正离子(CH)含有3个σ键，没有孤电子对，碳原子杂化方式是sp2，为平面三角形结构，键角为120°；
③甲基碳负离子(CH)含有3个σ键，1对孤电子对，碳原子杂化方式是sp3，为三角锥型结构，键角为107°18′。
6．根据价层电子对互斥模型，判断下列分子或者离子的空间结构不是三角锥型的(　　)
A．PCl3 B．H3O＋ C．HCHO D．PH3
答案　C
解析　PCl3中P原子含有的孤电子对数是＝1，σ键电子对数为3，P的价电子对数为4，价层电子对互斥模型为四面体型，PCl3的空间结构为三角锥型，不选A；H3O＋中O原子含有的孤电子对数是＝1，σ键电子对数为3，O的价电子对数为4，价层电子对互斥模型为四面体型，H3O＋的空间结构为三角锥型，不选B；HCHO中碳原子含有的孤电子对数是＝0，σ键电子对数为3，C的价电子对数为3，价层电子对互斥模型为平面三角形，甲醛的空间结构是平面三角形，选C；PH3中P原子含有的孤电子对数是＝1，σ键电子对数为3，P的价电子对数为4，价层电子对互斥模型为四面体型，PH3的空间结构为三角锥型，不选D。
7．下列有关描述正确的是(　　)
A．NO为V形微粒
B．ClO的空间结构为平面三角形
C．NO的价层电子对互斥模型、空间结构均为平面三角形
D．ClO的价层电子对互斥模型、空间结构相同
答案　C
解析　NO中N原子的价电子对数为＝3，没有孤电子对，NO为平面三角形微粒，故A项错误、C项正确；ClO中氯原子的价电子对数为＝4，孤电子对数为1，价层电子对互斥模型为四面体型而空间结构为三角锥型，B、D项错误。
8．短周期主族元素A、B可形成AB3分子，下列有关叙述正确的是(　　)
A．若A、B为同一周期元素，则AB3分子一定为平面正三角形
B．若AB3分子中的价电子个数为24，则AB3分子可能为平面正三角形
C．若A、B为同一主族元素，则AB3分子一定为三角锥型
D．若AB3分子为三角锥型，则AB3分子一定为NH3
答案　B
解析　A项，若为PCl3，则分子为三角锥型，错误；B项，BCl3满足要求，其分子为平面正三角形，正确；C项，若分子为SO3，则为平面正三角形，错误；D项，分子不一定为NH3，也可能为NF3等。
题组三　等电子原理及其应用
9．与NO互为等电子体的是(　　)
A．SO2 B．BF3
C．CH4 D．NO2
答案　B
10．根据等电子原理判断，下列说法错误的是(　　)
A．B3N3H6分子中所有原子均在同一平面上
B．B3N3H6分子中存在双键，可发生加成反应
C．H3O＋和NH3互为等电子体，均为三角锥型结构
D．CH4和NH互为等电子体，均为正四面体结构
答案　B
解析　等电子原理是指具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构特征。苯是B3N3H6的等电子体，因此，它们的结构相同。苯分子中所有的原子均在同一平面上，苯分子中不存在双键，存在大π键，A正确、B错误；H3O＋和NH3互为等电子体，NH3为三角锥型结构，则H3O＋也是三角锥型结构；CH4和NH互为等电子体，CH4是正四面体结构，所以NH也是正四面体结构。


11．通常把具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子称为等电子体。等电子体的结构和性质相似(等电子原理)。有下列两个系列的物质：
系列一：CH4　C2H6　CO　Y　C2O　W
系列二：NH　N2H　X　NO　Z　N2
试根据等电子体的概念及上述两系列物质的排列规律，推断X、Y、Z、W可能是下列各组分子或离子中的(　　)
A．NO　CO2　N2O4　CO
B．NO　CO2　N2H4　C2H2
C．NO　CO　NO2　C2H2
D．NO　HCO　N2O　CO
答案　A
12．(2020·四川成都七中高二期末考试)已知在CH4中，C—H键间的键角为109°28′，NH3中，N—H键间的键角为107°18′，H2O中O—H键间的键角为104°30′。下列说法正确的是(　　)
A．孤电子对对成键电子对之间的斥力大于成键电子对之间的斥力
B．孤电子对对成键电子对之间的斥力小于成键电子对之间的斥力
C．孤电子对对成键电子对之间的斥力等于成键电子对之间的斥力
D．题干中的数据不能说明孤电子对对成键电子对之间的斥力与成键电子对之间的斥力之间的大小关系
答案　A
解析　由中心原子上孤电子对数的计算公式可知，CH4中碳原子上无孤电子对，NH3中氮原子上的孤电子对数为1，H2O中氧原子上的孤电子对数为2。根据题意知，CH4中C—H键间的键角＞NH3中N—H键间的键角＞H2O中O—H键间的键角，说明孤电子对对成键电子对的排斥作用较强，即孤电子对对成键电子对之间的斥力大于成键电子对之间的斥力，A项正确。
13．化合物A(H3BNH3)是一种潜在的储氢材料，它可由六元环状物质(HB==NH)3通过反应3CH4＋2(HB==NH)3＋6H2O―→3CO2＋6H3BNH3制得。下列有关叙述不正确的是(　　)
A．化合物A中不存在π键
B．反应前后碳原子的杂化类型不变
C．CH4、H2O、CO2分子的空间结构分别是正四面体型、V形、直线形
D．第一电离能：N＞O＞C＞B
答案　B
解析　化合物A中存在的化学键均为单键，不存在π键，A项正确；由CH4变为CO2，碳原子的杂化类型由sp3转化为sp，反应前后碳原子的杂化类型发生改变，B项错误；CH4的空间结构为正四面体型，H2O的空间结构为V形，CO2的空间结构为直线形，C项正确；同一周期元素中，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第ⅡA族、第ⅤA族部分元素的第一电离能大于相邻元素的第一电离能，B、C、N、O这几种元素都是第2周期元素，它们分别位于第ⅢA族、第ⅣA族、第ⅤA族、第ⅥA族，所以第一电离能：N＞O＞C＞B，D项正确。
14．中国古代四大发明之一——黑火药，它的爆炸反应为
2KNO3＋3C＋SA＋N2↑＋3CO2↑(已配平)。
(1)除S外，上列元素的电负性从大到小依次为___________________________________。
(2)在生成物中，A的晶体类型为_______________________________________________，
含极性共价键的分子的中心原子轨道杂化类型为__________________________。
(3)已知CN－与N2结构相似，推算HCN分子中σ键与π键数目之比为________________。
答案　(1)O>N>C>K　(2)离子晶体　sp　(3)1∶1
15．等电子体的结构相似、物理性质相近，如N2和CO互为等电子体。部分等电子体类型、代表物质及对应的空间结构如表所示。
等电子体类型
代表物质
空间结构
四原子24电子等电子体
SO3
平面三角形
四原子26电子等电子体
SO
三角锥型
五原子32电子等电子体
CCl4
正四面体型
六原子40电子等电子体
PCl5
三角双锥型
七原子48电子等电子体
SF6
八面体型

请回答下列问题：
(1)写出下列离子的空间结构：
BrO__________________，CO________________，ClO____________________。
(2)由第2周期元素原子构成，与F2互为等电子体的离子有________。
(3)SF6的空间结构如图1所示，请再按照图1的表示方法在图2中表示出OSF4分子中O、S、F原子的空间位置。已知OSF4分子中O、S间为共价双键，S、F间为共价单健。

答案　(1)三角锥型　平面三角形　正四面体型
(2)O
(3)
解析　(1)分别从表格中找出各离子的等电子体，从而确定它们的空间结构。(2)根据等电子体的条件可知，O与F2互为等电子体。(3)OSF4与表中的PCl 5互为等电子体，为三角双锥型结构，分子中只含有1个氧原子，结合“已知OSF4分子中O、S间为共价双键，S、F间为共价单键”分析O、S、F原子的空间位置。
16．已知：①红磷在氯气中燃烧可以生成两种化合物——PCl3和PCl5，氮与氢也可形成两种化合物——NH3和NH5。
②PCl5分子中，P原子的1个3s轨道、3个3p轨道和1个3d轨道发生杂化形成5个sp3d杂化轨道，PCl5分子呈三角双锥型()。
(1)NH3、PCl3和PCl5分子中，所有原子的最外层电子数都是8个的是________________(填分子式)，该分子的形状是________________。
(2)经测定，NH5中存在离子键，N原子最外层电子数是8，所有氢原子的最外层电子数都是2，则NH5中H元素的化合价为________________和__________________；该化合物中N原子的杂化方式为________________。
答案　(1)PCl3　三角锥型　(2)＋1　－1　sp3
17．硒是一种非金属，可以用作光敏材料、电解锰行业催化剂。
(1)Se是元素周期表中第34号元素，其基态原子的核外电子排布式为___________________。
(2)根据价层电子对互斥模型，可以推知SeO3分子的空间结构为________________，其中Se原子采用的轨道杂化类型为________。
(3)CSe2与CO2结构相似，CSe2分子内σ键与π键个数之比为________。CSe2首次是由H2Se与CCl4反应后制取的，CSe2分子内的键角________(填“大于”“等于”或“小于”)H2Se分子内的键角。H—Se—H键角________(填“大于”“等于”或“小于”)AsH3分子内的H—As—H键角。
答案　(1)1s22s22p63s23p63d104s24p4　(或[Ar]3d104s24p4)
(2)平面三角形　sp2
(3)1∶1　大于　小于
解析　(1)Se位于第4周期ⅥA族，所以其基态原子外围电子排布式为4s24p4，然后再写电子排布式。(2)SeO3分子中Se原子的价电子对数为×(6＋0)＝3，成键电子对数为3，孤电子对数为0，所以Se原子采取sp2杂化，该分子为平面三角形。(3)根据等电子原理和价层电子对互斥模型，CSe2与CO2结构相似，CSe2分子内σ键与π键均为2个。CSe2与CO2均为直线形分子，键角为180°，H2Se与H2O互为等电子体，Se采取sp3杂化， H—Se—H键角接近水分子内H—O—H键角(104°30′)。AsH3与NH3互为等电子体，As采取sp3杂化，H—As—H键角接近107°18′。根据杂化轨道理论，中心原子采取sp杂化的键角>中心原子采取sp3杂化的键角。中心原子都采取sp3杂化时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。