2.2分子的空间结构-高二化学教学讲义（人教版2019选择性必修2）（原卷版）

第二节分子的空间结构知识解读·必须会知识解读·必须会知识点一分子结构的测定1.红外光谱（1）作用根据红外光谱图可以初步判断有机物中含有的化学键或官能团的种类。（2）原理在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外线的振动频率相同。所以当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。例如，从某未知物A(C2H6O）的红外光谱图（如图所示）上发现有O—H键、C—H键和C—O键的振动吸收。因此，可以初步推测该未知物是含羟基的化合物。2.相对分子质量的测定——质谱法（1)质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。（2）原理：用高能电子流等轰击样品分子，使该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。分子离子和碎片离子各自具有不同的相对质量，它们在磁场的作用下到达检测器的时间将因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。例如，图甲是乙醇（CH3CH2OH）的质谱图，从图中可看出乙醇的相对分子质量为46；图乙是丙酸（CH3CH2COOH）的质谱图，从图中可看出丙酸的相对分子质量为74。知识点二多样的分子空间结构1.常见多原子分子的结构和空间结构分子类型化学式空间结构结构式键角空间填充模型球棍模型三原子分子CO2直线形O=C=O180°H2OV形eqo\ac(\s\up14(),\s\do14(H))eq\a(,／)O\a(,＼)eqo\ac(\s\up14(),\s\do14(H))105°四原子分子CH2O平面三角形eq\s\do11(O=C\a(／,＼))eq\o(\o\al(H,\s\do11(),\s\do22(H)))约120°NH3三角锥形eq\s\do4(H)o\ac(\s\up4(N),\s\do7(|),\s\do22(H))＼\s\do4(H)107°五原子分子CH4正四面体形eq\s\do4(H)o\ac(\s\up6(C),\s\up18(|),\s\up28(H),\s\do7(|),\s\do22(H))＼\s\do4(H)109°28′2.其他多原子分子的空间结构多原子分子的空间结构形形色色，异彩纷呈。如P4O6、P4O10、C6H12（环己烷）、白磷（P4，正四面体形）、S8、SF6（正八面体形）、C60（“足球”状分子，由平面正五边形和正六边形组成）的空间结构如图所示。知识点三价层电子对互斥模型1.价层电子对互斥模型的基本观点（1）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。价层电子对是指分子中的中心原子与结合原子间的键电子对和中心原子上的孤电子对（未形成共价键的电子对）。（2）分子中的价层电子对由于排斥力作用而趋向于尽可能远离以减小排斥力，分子尽可能采取对称的空间结构。电子对之间的夹角越大，排斥力越小。2.中心原子上的价层电子对数计算（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＝eq\f(1,2)(a－xb)①a表示中心原子的价电子数eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(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。几种分子或离子的中心原子上的价层电子对数分子或离子中心原子axb中心原子上的孤电子对数价层电子对数SO2S62213H2OO62124NH3N53114NH4+N44104CO32C632033.根据价层电子对互斥模型判断分子的空间结构（1）对于ABn型分子，利用VSEPR模型预测分子空间结构的思路：σ键电子对数＋孤电子对数=价层电子对数eq\o(→,\s\up6(价层电子对),\s\do7(互斥理论))VSEPR模型eq\o(→,\s\up6(略去孤电子对))分子或离子的空间结构。常见分子(或离子)的VSEPR模型和分子(或离子)的空间结构如下：分子或离子σ键电子对数孤电子对数VSEPR模型及名称分子(或离子)的空间结构及名称CO220eq\o(→,\s\up7(直线形eq\o(→)直线形))COeq\o\al(2－,3)30eq\o(――――――――――――→,\s\up7(平面三角形eq\o(―→)平面三角形))CH440eq\o(→,\s\up7(正四面体形eq\o(→)正四面体形))NH331eq\o(→,\s\up7(四面体形eq\o(→)三角锥形))H2O22eq\o(→,\s\up7(四面体形eq\o(→)V形))SO221eq\o(→,\s\up7(平面三角形eq\o(→)V形))（2）对于ABn型分子的中心原子上的价电子都用于形成共价键时（如CO2、CH4分子中的碳原子），它们的空间结构也可用中心原子周围的原子数n来预测，概括如下：ABn空间结构中心原子杂化轨道类型n=2直线形CO2、BeCl2n=3平面三角形BCl3、BF3n=4正四面体形CH4、CCl4知识点四杂化轨道理论1.杂化轨道理论杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。（1)轨道的杂化在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。(2)杂化轨道原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫作杂化原子轨道，简称杂化轨道。2.杂化轨道的类型及杂化轨道的空间结构（1）sp3杂化轨道sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道杂化而成，每个sp3杂化轨道都含有eq\f(1,4)s和eq\f(3,4)p的成分，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。以CH4分子的形成为例，如下图所示。（2）sp2杂化轨道sp2杂化轨道是由1个ns轨道和2个np轨道杂化而成的，每个sp2杂化轨道含有eq\f(1,3)s和eq\f(2,3)p成分，sp2杂化轨道间的夹角都是120°，空间结构为平面三角形。以BF3分子的形成为例，如下图所示。（3）sp杂化sp杂化轨道是由1个ns轨道和1个np轨道杂化而成的，每个sp杂化轨道含有eq\f(1,2)s和eq\f(1,2)p的成分，sp杂化轨道间的夹角为180°，空间结构为直线形。以BeCl2分子的形成为例，如下图所示。3.杂化轨道类型与分子的空间结构的关系（1）杂化轨道只用于形成o键或容纳孤电子对，当没有孤电子对时，能量相同的杂化轨道在空间彼此远离，形成的分子为对称结构；当有孤电子对时，孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥，形成的分子空间结构也发生变化。杂化轨道数＝中心原子的孤电子对数＋中心原子的σ键个数。代表物杂化轨道数中心原子杂化轨道类型CO20＋2＝2spCH2O0＋3＝3sp2CH40＋4＝4sp3SO21＋2＝3sp2NH31＋3＝4sp3H2O2＋2＝4sp3(2)中心原子杂化类型和分子构型的相互判断分子组成(A为中心原子)中心原子的孤电子对数中心原子的杂化方式分子空间构型示例AB20sp直线形BeCl21sp2V形SO22sp3V形H2OAB30sp2平面三角形BF31sp3三角锥形NH3AB40sp3正四面体形CH4热点题型·学解题热点题型·学解题【例1】能用来分析分子中的化学键及官能团信息的物理方法是（）A．X射线衍射法 B．红外光谱法 C．核磁共振法 D．质谱法【变式11】某化合物分子由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱只有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，该有机物的相对分子质量是60，则该有机物的结构简式是（）A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH(OH)CH3 C．CH3CH2OH D．CH3COOH【例2】现代化学常用的测定分子的相对分子质量的方法是（）A．质谱法 B．晶体射线衍射法C．核磁共振氢谱法 D．红外光谱法【变式21】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(10－9g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C2Heq\o\al(＋,6)、C2Heq\o\al(＋,5)、C2Heq\o\al(＋,4)……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．CH3OHB．C3H8C．C2H4 D．CH4【例3】下列分子或离子的空间结构判断不正确的是A．NH为正四面体形 B．BeCl2为直线形C．NF3为V形 D．CO2为直线形【变式31】下列对分子或离子的立体构型判断不正确的是（）。A．NH4+和CH4都是正四面体形B．CO2和CS2都是直线形C．NCl3和BCl3都是三角锥形D．H2O和H2S都是V形【例4】下列物质的分子中，分子空间结构与CH2O(甲醛)相同的是()A.H2S B.NH3 C.CH2Br2 D.BF3【变式41】用VSEPR模型预测下列分子或离子的立体结构，其中不正确的是A．NH4+为正四面体形 B．CS2为直线形C．ClO3－的空间构型为平面三角形 D．PCl3为三角锥形【例5】用价层电子对互斥理论(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间构型，有时也能用来推测键角大小，下列判断正确的是()A．SO2、CS2、HI都是直线形的分子B．BF3键角为120°，SnBr2键角大于120°C．CH2O、BF3、SO3都是平面三角形的分子D.PCl3、NH3、PCl5都是三角锥形的分子【变式51】用VSEPR模型预测下列分子或离子的立体结构，其中正确的是()A．NHeq\o\al(＋,4)为正四面体形 B.SO2为直线形C．HCN为平面三角形 D.BF3为三角锥形【例6】根据价层电子对互斥理论，下列微粒的VSEPR模型属于平面三角形的是（）A． B． C． D．【变式61】下列分子的VSEPR模型与分子立体结构模型一致的是（）A．NH3 B．CCl4 C．H2O D．PCl3【例7】下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是()ABCD【变式71】甲醛分子的结构式如图所示，用2个Cl取代甲醛分子中的H可得到碳酰氯，下列描述正确的是()eq\o(H\o\al(C,\s\up11(‖),\s\up22(O))H)A．甲醛分子中有4个σ键B．碳酰氯分子中的C原子为sp3杂化C．甲醛分子中的H—C—H键角与碳酰氯分子中的Cl—C—Cl键角相等D．碳酰氯分子的空间结构为平面三角形，分子中存在一个π键【例8】甲烷中的碳原子采用sp3杂化，下列用*标注的碳原子的杂化类型和甲烷中的碳原子的杂化类型一致的是()A．CHeq\o\al(*,3)CH2CH3 B．*CH2=CHCH3C．CH2=*CHCH2CH3 D．HC≡*CCH3【变式81】如图所示，在乙烯分子中有5个键、1个键，下列表述正确的是()A．C、H之间是杂化轨道形成的键，C、C之间是未参加杂化的轨道形成的键B．C、C之间是杂化轨道形成的键，C、H之间是未参加杂化的轨道形成的键C．杂化轨道形成键，未杂化的轨道形成键D．杂化轨道形成键，未杂化的轨道形成键【例9】以下有关杂化轨道的说法中正确的是()A．sp3杂化轨道中轨道数为4，且4个杂化轨道能量相同B．杂化轨道既可能形成σ键，也可能形成π键C．杂化轨道不能容纳孤电子对D．sp2杂化轨道最多可形成2个σ键【变式91】下列有关杂化轨道的说法不正确的是()A．原子中能量相近的某些轨道，在成键时能重新组合成能量相等的新轨道B．轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等C．杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理D．杂化轨道可分为等性杂化轨道和不等性杂化轨道【例10】下表中各粒子对应的空间结构及杂化方式均正确的是 ()选项粒子空间结构杂化方式ASO3平面三角形S原子采取sp杂化BSO2V形S原子采取sp3杂化CC三角锥形C原子采取sp2杂化DC2H2直线形C原子采取sp杂化【变式101】(双选)化合物A是一种新型锅炉水除氧剂,其结构式如图所示:,下列说法正确的是()A.碳、氮原子的杂化类型相同B.氮原子与碳原子分别为sp3杂化与sp2杂化C.1molA分子中所含σ键的数目为11NAD.编号为a的氮原子和与其成键的另外三个原子在同一平面内课后提升·练到位课后提升·练到位1.元素“氦、铷、铯”等是用下列哪种科学方法发现的A．红外光谱B．质谱C．原子光谱D．核磁共振谱2.能够确定有机物相对分子质量的方法是()A．红外光谱 B．质谱 C．核磁共振氢谱 D．紫外光谱3.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4．下列分子或离子的中心原子带有一对孤电子对的是()A．H2OB．BeCl2C．CH4 D．PCl35.下列分子或离子的中心原子上带有一对孤电子对的是 ()①BeCl2②CH4③NH3④CH2O⑤SO2⑥H2S⑦C⑧NA.①②③⑤⑥⑦ B.③⑦⑧C.④⑥⑧ D.③⑤6.已知在CH4分子中C—H间的键角为109°28',NH3分子中N—H间的键角为107°,H2O分子中O—H间的键角为105°,则下列说法正确的是()A.孤电子对与成键电子对间的斥力大于成键电子对与成键电子对间的斥力B.孤电子对与成键电子对间的斥力小于成键电子对与成键电子对间的斥力C.孤电子对与成键电子对间的斥力等于成键电子对与成键电子对间的斥力D.题干中的数据不能说明孤电子对与成键电子对间的斥力和成键电子对与成键电子对间的斥力之间的大小关系7.下列分子或离子中，VSEPR(价层电子对互斥理论)模型名称与分子或离子的空间构型名称不一致的是A．CO2 B．CO32 C．H2O D．CC148.用价层电子对互斥理论预测NH3和BF3的空间构型，结论正确的是（）A．直线形；三角锥形 B．V形；三角锥形C．三角锥形；平面三角形 D．直线形；平面三角形9.在BrCHCHBr分子中,C—Br采用的成键轨道是 ()A.spp B.sp2sC.sp2p D.sp3p10.在SO2分子中,分子的空间结构为V形,S原子采用sp2杂化,那么SO2的键角()A.等于120° B.大于120°C.小于120° D.等于180°11、下列叙述正确的是()A．NH3分子中N原子处在3个H原子所组成的三角形的中心B．CCl4分子中C原子处在4个Cl原子所组成的正方形的中心C．H2O分子中O原子处在2个H原子所组成的直线的中央D．CO2是非极性分子，分子中C原子处在2个O原子所连接的直线的中央12．下列有关乙烯和苯分子中的化学键描述正确的是()A．苯分子中每个碳原子的杂化轨道中的其中一个形成大键B．乙烯分子中键是杂化轨道形成的键键是未参加杂化的轨道形成的键C．苯分子中碳碳键是杂化轨道形成的键，键是未参加杂化的轨道形成的键D．乙烯和苯分子中每个碳原子都以杂化轨道形成键，未杂化的轨道形成键13．下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是A．sp杂化轨道的夹角最大B．sp2杂化轨道的夹角最大C．sp3杂化轨道的夹角最大D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等14．乙烯分子中含有4个C—H键和1个C=C键，6个原子在同一平面上。下列关于乙烯分子的成键情况分析正确的是()①每个C原子的2s轨道与2p轨道杂化，形成两个sp杂化轨道②每个C原子的2s轨道与2个2p轨道杂化，形成3个sp2杂化轨道③每个C原子的2s轨道与3个2p轨道杂化，形成4个sp3杂化轨道④每个C原子的3个价电子占据3个杂化轨道，1个价电子占据1个2p轨道A．①③B．②④C．①④D．②③15．根据价层电子对互斥理论及原子轨道的杂化理论判断分子的模型名称和中心原子的杂化方式为（）A．直线形杂化 B．四面体形杂化C．三角锥形杂化 D．三角形杂化16．下列分子中，各分子的立体构型和中心原子的杂化方式均正确的是()A．NH3平面三角形sp3杂化 B．CCl4正四面体sp3杂化C．H2OV形sp2杂化 D．CO32﹣三角锥形sp3杂化17.是有机合成中常用的还原剂，中的阴离子空间构型是_______，中心原子的杂化形式为_______。根据价层电子对互斥理论，、、的气态分子中，中心原子价层电子对数不同于其他分子的是_______。中华本草等中医典籍中，记载了炉甘石入药，可用于治疗皮肤炎症或表面创伤。中，阴离子空间构型为_______，C原子的杂化形式为_______。射线衍射测定等发现，中存在离子，离子的几何构型为_______，中心原子的杂化形式为_______。18．根据下列微粒的空间结构，填写下列空白(填序号):①CH4②CH2=CH2③CH≡CH④NH3⑤NHeq\o\al(＋,4)⑥BF3⑦P4⑧H2O⑨H2O2