【教学课件】第2节 分子的空间结构 示范课件

第1课时分子的空间结构第二章分子结构与性质第二节分子的空间结构我国科学家屠呦呦因成功提取青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。你了解青蒿素分子的组成和结构测定的方法吗？新课引入【科学史话】从青蒿素的结构式中我们可以看到，青蒿素包含的原子多，原子连接关系复杂，还含有过氧键，醚键，酯基等官能团。我国研究人员从1973年初开始测定青蒿素的组成与结构，研究工作于1976年基本结束，历时四年。下面让我们一起看看科学家运用了怎样的手段与方法，测定出了这些肉眼看不见的分子结构。【科学史话】新课引入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，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。一、分子结构的测定1.质谱研究人员利用高分辨质谱仪测定出青蒿素的相对分子质量为282.33。元素分析结果表明，青蒿素分子中含有63.8%的C、7.9%的H和28.3%的O。结合以上数据可推知，青蒿素的分子式为__________。一、分子结构的测定C15H22O51.质谱有机物的同分异构现象是普遍且复杂的。知道分子式后需要进一步知道其中含有怎样的官能团。通过红外光谱的可以得到这一重要信息。分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着。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。一、分子结构的测定2.红外光谱这些吸收峰和化学键种类、振动方式是有对应关系的，利用这种关系，就可以分析出分子中含有的化学键和官能团信息。例如未知物分子式为C2H6O，它的红外光谱如下图所示，那它是乙醇（CH3CH2OH）还是二甲醚（CH3OCH3）？一、分子结构的测定一、分子结构的测定从红外光谱中可以看出，分子中存在C-H、C-O、O-H三种键的振动吸收，据此可推测未知物分子中含有羟基。故该分子式为C2H6O的未知物为乙醇CH3CH2OH。青蒿素分子的红外光谱在831cm−1、881cm−1、1115cm−1和1745cm−1等处有特征吸收峰。831cm−1、881cm−1和1115cm−1处的吸收峰被科学家指认为过氧键的吸收峰。

1745cm−1处的吸收峰被科学家指认为酯基的吸收峰。一、分子结构的测定二、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。例如，三原子分子的空间结构有直线形和V形（又称角型）两种。CO2呈直线形，而H2O呈V形，两个H-O的键角为105°。二、多样的分子空间结构四原子分子的空间结构有平面三角形和三角锥两种。甲醛（CH2O）呈平面三角形，键角约120°；NH3呈三角锥形，键角107°二、多样的分子空间结构五原子分子的空间结构有多种，最常见的是四面体形。CH4键角109°28′，其结构式上加的虚线表明氢原子的几何关系。二、多样的分子空间结构对于更多原子组成的分子，他们的空间结构更为复杂和丰富，例如分子空间结构与其稳定性有关。例如，S8像顶皇冠，如果把其中一个向上的硫原子倒转向下，则不如皇冠式稳定；椅式C6H12比船式C6H12稳定。三、价层电子对互斥模型通过上面对分子空间结构多样性和测定方法的介绍，大家还能提出怎样的问题？【交流分享】1.CO2和H2O都是三原子分子，为什么CO2呈直线形而H2O呈V形？2.CH2O和NH3都是四原子分子，为什么CH2O呈平面三角形而NH3呈三角锥形？3.相同原子的分子空间结构不同，是什么因素决定了不同的结果？4.人类测量、了解分子的空间结构有何意义？5.把每个分子或离子都测定一遍，这样的工作量大到难以完成，是否有便捷的方法可以对它们的空间结构做出预测？三、价层电子对互斥模型研究分子的空间结构有助于我们了解分子的性质，进而了解物质的宏观性质。比如物质的溶解性，蛋白质精密的空间结构对于它发挥生理功能的影响等。【思维启迪】有一种比较简单的理论叫做价层电子对互斥模型（VSEPR），它可以用来预测分子的空间结构。该理论的的核心观点为：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。价层电子对是指分子中的中心原子与结合原子间的σ键电子对和中心原子上的孤电子对。多重键只计算其中的σ键电子对，不计π键电子对。三、价层电子对互斥模型为什么CH4呈四面体而不是正方形？下面我们通过搭建模型的方式体会、验证。将4个大小相同的气球系在一起，它会自动排列成什么形状？【模型制作演示】???三、价层电子对互斥模型四个气球会自动排列成为四面体的形状。这是由于气球之间相互排斥，彼此要尽可能远离。CH4中的四根C-Hσ键是4对共用电子，电子对均为负电，彼此之间的排斥与气球的排斥类似，因此4对电子也彼此远离，最终CH4呈现出了最稳定的正四面体形。√×三、价层电子对互斥模型请大家运用手头的气球，变换气球的个数分别为2个和3个，观察它们会自然排列成怎样的空间结构。【模型制作】三、价层电子对互斥模型运用类比的方法，总计归纳价层电子对（气球）数量分别为2、3、4时，电子对在空间的排列分布形状，完成下列表格。【总结】价层电子对数电子对空间结构234直线形平面三角形四面体形三、价层电子对互斥模型（1）NH3为什么是三角锥形而不是平面三角形？【深度思考】N原子共5个价电子，其中3个单电子，与3个H形成3个σ键，还有一对孤对电子。VSEPR中价层电子对除了共用的σ键电子对，还包含中心原子上的孤电子对。NHHHNHHH孤对电子略去孤对电子得到分子形状三、价层电子对互斥模型（2）为什么在考虑分子形状时要先考虑中心孤对电子排斥，但是最终确定分子形状时又要将其略去？【深度思考】因孤对电子独属中心原子，而共用电子对共属于中心原子，它们均在中心原子的周围，它们之间的排斥是客观存在的。分子形状描述的是组成分子的原子之间的几何学关系，与孤对电子无关。事实上，在用仪器（如晶体X射线衍射）测定分子形状时，观察到的是原子之间的位置关系，观察不到孤对电子。三、价层电子对互斥模型（3）CH4和NH3中中心原子的价电子对数均为4，为何H-C-H的键角为109°28′，而H-N-H的键角为107°？【深度思考】相比成键电子对受到左右两端带正电的原子核的吸引，而孤对电子只受到一端原子核的吸引。相比之下，孤对电子对较“胖”一些，占据较大的空间；而成键电子对较“瘦”，占据较小的空间。孤电子对与成键电子对之间的斥力也要大一些。N上的孤电子对对成键电子对“挤压”的更厉害，使键角减小。三、价层电子对互斥模型孤对电子成键电子对原子核孤对电子原子核三、价层电子对互斥模型请利用橡皮泥和牙签制作CH4和NH3的空间结构模型。注意NH3中孤对电子的影响，正确表示分子中的键角。与小组的同学分享交流你的成果。【模型制作】课堂小结分子结构测定：红外光谱法质谱法多样的分子空间结构：价层电子对互斥模型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。价层电子对数量不同时，他们在空间最稳定的形状也不同。物质化学式空间结构结构式键角空间结构模型二氧化碳CO2直线形O＝C＝O180°水H2OV形105°三原子分子的空间结构——直线形和V形