化学人教选修3配套学案2.2.1分子空间结构与价层电子对互斥理论

第二节分子的立体构型第1课时分子空间结构与价层电子对互斥理论激趣入题·情境呈现在宏观世界中，花朵、蝴蝶、冰晶等诸多物质展现出规则与和谐的美。科学巨匠爱因斯坦曾感叹：“在宇宙的秩序与和谐面前，人类不能不在内心里发出由衷的赞叹，激起无限的好奇。”实际上，宏观的秩序与和谐源于微观的规则与对称。通常，不同的分子具有不同的空间构型。例如，甲烷分子是正四面体形的、氨分子是三角锥形的、苯是正六边形的。那么，这些分子为什么具有不同的空间构型呢？新知预习·自主探究一、形形色色的分子1．三原子分子的立体构型有__直线__形和__V__形两种。如化学式电子式结构式键角立体构型立体构型名称CO2O=C=O__180°____直线形__H2O__105°____V形__2.四原子分子大多数采取__平面三角__形和__三角锥__形两种立体构型。如化学式电子式结构式键角立体构型立体构型名称CH2O约__120°____平面三角形__NH3__107°____三角锥形__3.五原子分子的可能立体构型更多，最常见的是__正四面体__形。如化学式电子式结构式键角立体构型立体构型名称CH4_109°28′___正四面体形__CCl4_109°28′___正四面体形__二、价层电子对互斥模型1．价层电子对互斥理论(VSEPR)。对ABn型的分子或离子，中心原子A的价层电子对(包括成键__σ键电子对__和未成键的__孤电子对__)之间由于存在排斥力，将使分子的几何构型总是采取电子对__相互排斥__最小的那种构型，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．价层电子对的空间构型(即VSEPR模型)：电子对数目：234VSEPR模型：__直线形__、__平面三角形__、__正四面体形__三、VSEPR模型应用——预测分子立体构型：1．中心原子不含孤电子对的分子。中心原子不含孤电子对的分子，VSEPR模型与分子的立体构型一致。分子或离子σ键电子对数孤电子对数VSEPR模型及名称分子的立体构型及名称CO220__直线形____直线形__COeq\o\al(2－,3)30__平面三角形____平面三角形__CH440__正四面体形____正四面体形__2.中心原子含孤电子对的分子。中心原子若有孤电子对，孤电子对也要占据中心原子的空间，并与成键电子对互相排斥。则VSEPR模型与分子的立体构型不一致。推测分子的立体模型必须略去VSEPR模型中的孤电子对。分子或离子价层电子对数孤电子对数VSEPR模型及名称分子的立体构型及名称NH341__正四面体形____三角锥形__H2O42__正四面体形____V形__SO231__平面三角形____V形__预习自测·初试牛刀1．思考辨析：(1)价电子对之间的夹角越小，排斥力越小。(×)(2)NH3分子的VSEPR模型与分子构型不一致。(√)(3)五原子分子的立体结构都是正四面体形。(×)2．下列分子的立体构型是正四面体形的是(B)①CH4②SO2③CF4④SiH4⑤C2H4⑥CO2A．①②③ B．①③④C．②④⑤ D．①③⑤解析：CH4、CF4、SiH4分子中价层电子对＝σ键电子对＋中心原子上的孤电子对＝4＋eq\f(1,2)(4－4×1)＝4，且不含孤电子对，所以其空间构型是正四面体，故选B。3．下列分子中，各原子均处于同一平面上的是(C)A．PH3 B．CCl4C．H2O D．CH4解析：PH3分子中价层电子对个数＝σ键个数＋孤电子对个数＝3＋eq\f(1,2)(5－3×1)＝4，且含一个孤电子对，其空间构型为三角锥形；CCl4、CH4中价层电子对个数＝σ键个数＋孤电子对个数＝4＋eq\f(1,2)(4－4×1)＝4，且不含孤电子对，为正四面体结构，故选C。4．有关NH3分子的结构分析正确的是(C)A．中心原子孤电子对数为0，分子为平面三角形，键角为120°B．中心原子孤电子对数为0，分子为三角锥形，键角为107°C．中心原子孤电子对数为1，分子为三角锥形，键角为107°D．中心原子孤电子对数为1，分子为平面三角形，键角为109°28′解析：NH3中孤电子对数＝eq\f(1,2)(a－xb)＝eq\f(1,2)(5－3×1)＝1，σ键电子对数＝3，价层电子对数＝1＋3＝4，故其VSEPR模型为正四面体形，略去中心原子上的孤电子对，则NH3的分子立体构型为三角锥形，由于孤对电子对σ键电子的排斥力较大，使键角由109°28′被压缩到107°，故选C。5．用VSEPR模型预测，下列分子中键角是120°的是(C)A．C2H2 B．CH4C．BF3 D．CO26．下列分子的立体结构模型正确的是(D)ABCD解析：CO2的分子构型是直线形，A项错误；H2O的分子构型为V形，B项错误；NH3的分子构型为三角锥形，C项错误；CH4是正四面体结构，D项正确。课堂探究·疑难解惑知识点价层电子对互斥理论——确定分子空间构型┃┃问题探究__■1．四原子分子都为平面三角形或三角锥形吗？2．立体构型相同的分子，其键角完全相同吗？3．根据价层电子对互斥理论，判断NHeq\o\al(＋,4)的VSEPR模型和NHeq\o\al(＋,4)的立体构型。┃┃探究提示__■1．提示不是。H2O2分子的构型类似于一本打开的书，两个氧原子在两页书的交接处，两个氢原子分别在翻开的书的两页上。而白磷(P4)分子为正四面体形。2．提示不一定。如P4和CH4均为正四面体形，但P4的键角是60°，CH4的键角为109°28′。3．提示NHeq\o\al(＋,4)中心氮原子上的孤电子对数为eq\f(1,2)(a－xb)＝eq\f(1,2)(5－1－4×1)＝0，即NHeq\o\al(＋,4)的孤电子对数为0；σ键数为4，所以NHeq\o\al(＋,4)的VSEPR模型与立体构型均为正四面体形。┃┃知识总结__■1．价层电子对互斥理论的基本要点(1)在AXm型分子中，中心原子A的周围配置的原子或原子团的几何构型，主要决定于中心原子价电子层中电子对(包括成键电子对和未成键的孤电子对)的互相排斥作用，分子的几何构型总是采取电子对相互排斥作用最小的那种结构。(2)AXm分子中，A与X之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成，则价层电子对互斥理论把双键或三键作为一个电子对看待。(3)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。(4)中心原子的价层电子对数目和立体构型的关系为：价层电子对数23456电子对立体构型直线形平面三角形四面体三角双锥八面体2.用价层电子对理论判断共价分子或离子立体构型的一般规则(1)确定中心原子价电子层中电子对数：①σ键电子对：可由分子式确定，例如H2O中的中心原子为O，O有2对σ键电子对。②中心原子上的孤电子对＝eq\f(1,2)(a－xb)(式中：a为中心原子的价电子数，对主族元素来说，价电子数等于原子的最外层电子数；x为与中心原子结合的原子数；b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数，氢为1，其他原子等于“8－该原子的价电子数”)。对于阴(阳)离子来说，a为中心原子的价电子数加上(或减去)离子的电荷数，x和b的计算方法不变。③中心原子的价层电子对数＝σ键电子对数＋eq\f(1,2)(a－xb)。(2)根据中心原子(A)周围的电子对数，找出相对应的理想几何结构图形。如果出现奇数电子(有一个成单电子)，可把这个单电子当作电子对来看待。(3)画出结构图，把配位原子排布在中心原子(A)周围，每一对电子连结1个配位原子，剩下的未结合的电子对便是孤电子对。(4)根据孤电子对、成键电子对之间相互斥力的大小，确定排斥力最小的稳定结构，并估计这种结构对理想几何构型的偏离程度。3．用价层电子对互斥理论判断共价分子结构的实例根据分子中成σ键电子对数和孤电子对数，可以依据下面的方法确定相应的较稳定的分子空间构型：σ键电子对数＋孤电子对数＝价层电子对数eq\o(→,\s\up7(价层电子对互斥理论))VSEPR模型eq\o(→,\s\up7(略去孤电子对))分子立体构型σ键电子对数孤电子对数价层电子对数目电子对的排列方式VSEPR模型分子的立体结构实例202直线形直线形HgCl2、BeCl2、CO230三角形平面三角形BF3、BCl3213V形SnBr2、PbCl2404四面体形正四面体形CH4、CCl431三角锥形NH3、NF322V形H2O606八面体形八面体形SF642正方形XeF4┃┃典例剖析__■典例1用价层电子对互斥理论推测下列分子或离子的立体构型：分子或离子VSEPR模型名称立体构型名称BeCl2__直线形____直线形__SCl2__四面体形____V形__BF3__平面三角形____平面三角形__PF3__四面体形____三角锥形__NHeq\o\al(＋,4)__四面体形____正四面体形__SOeq\o\al(2－,3)__四面体形____三角锥形__解析：根据各分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模型和分子或离子的立体构型。分子或离子中心原子孤电子对数价层电子对数VSEPR模型名称立体构型名称BeCl202直线形直线形SCl224四面体形V形BF303平面三角形平面三角形PF314四面体形三角锥形NHeq\o\al(＋,4)04四面体形正四面体形SOeq\o\al(2－,3)14四面体形三角锥形规律方法指导：确定立体构型的流程：σ键电子对数＋孤电子对数＝价层电子对数eq\o(→,\s\up7(价层电子对互斥理论))VSEPR模型eq\o(→,\s\up7(略去孤电子对))分子立体构型┃┃变式训练__■1．利用价层电子对互斥模型判断下列分子或离子的空间构型：(1)H2O分子的空间构型__V形__。(2)PCl5分子的空间构型__三角双锥形__。(3)SOeq\o\al(2－,4)的空间构型__正四面体形__。解析：根据中心原子的价电子对数，先找出相应的价电子对构型，再根据价层电子对中的孤电子对数，确定分子的空间构型。H2O分子的中心原子是O，它有6个价电子，与O化合的2个氢原子各接受1个电子，所以氧原子的价电子对数为2＋eq\f(6－1×2,2)＝4，因价电子对中有2对孤电子对，所以H2O分子的空间构型为V形。PCl5分子的中心原子P有5个价电子，氯原子各接受1个电子，所以磷原子的价电子对数为5＋eq\f(5－1×5,2)＝5，因价电子对中无孤电子对，所以PCl5为三角双锥形。SOeq\o\al(2－,4)的中心原子S的价电子对数为4＋eq\f(6＋2－2×4,2)＝4，SOeq\o\al(2－,4)为正四面体形。核心素养·专家博客金属的活动性顺序与相应的电离能的大小顺序为什么不一致你已知道，金属活动性按K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)Cu、Hg、Ag、Pt、Au的顺序减弱。该顺序表示自左向右，在水溶液中金属单质中的原子失去电子越来越困难。电离能是指金属原子在气态时失去电子成为气态阳离子的能力，它是金属原子在气态时活泼性的量度。由于金属活动性顺序与电离能所对应的条件不同，所以二者不可能完全一致。例如，碱金属元素Li、Na、K、Rb、Cs的第一电离能分别为520kJ·mol－1、496kJ·mol－1、419kJ·mol－1、403kJ·mol－1、376kJ·mol－1，由此可知，气态锂原子最不易失去电子。但在溶液中锂原子却表现出异常的活泼性，其主要原因是锂原子形成水合离子时放出520