新教材适用2024-2025学年高中化学第2章分子结构与性质第2节分子的空间结构第1课时分子结构的测定和多样性价层电子对互斥模型学案新人教版选择性必修2

其次节分子的空间结构第1课时分子结构的测定和多样性价层电子对互斥模型核心素养发展目标1．了解分子结构的测定方法。2．通过对典型分子空间结构的学习，相识微观结构对分子空间结构的影响，了解共价分子结构的多样性和困难性。3．通过对价层电子对互斥模型的探究，建立解决困难分子结构推断的思维模型。一、分子结构的测定早年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想，现代科学家应用了很多测定分子结构的现代仪器和方法，如_红外光谱__、_晶体X射线衍射__等。1．红外光谱工作原理(1)原理：红外线透过分子时，分子会汲取跟它的某些化学键_振动频率__相同的红外线，再记录到图谱上呈现_汲取峰__。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可以得知分子中含有何种_化学键__或官能团的信息。(2)红外光谱仪原理示意图2．质谱法：相对分子质量的测定用高能电子流轰击样品分子，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。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因相对质量而先后有别，其结果被记录为质谱图。如甲苯分子的质谱图：读谱：相对分子质量＝最大质荷比，甲苯的相对分子质量为92。应用体验1．现代化学常用的测定分子的相对分子质量的方法是(A)A．质谱法 B．晶体X射线衍射法C．核磁共振氢谱法 D．红外光谱法解析：现代化学常用质谱法测定分子的相对分子质量，故选A。2．某有机化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图只有C—H、O—H、C—O的振动汲取，该有机物的相对分子质量是60，则该有机物的结构简式是(B)A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH(OH)CH3C．CH3CH2OH D．CH3COOH解析：A中不存在O—H键，C中有机物的相对分子质量不是60，D中还存在C=O键。3．如图是有机物A的质谱图，则A的相对分子质量是(D)A．29 B．43C．57 D．72解析：由有机物A的质谱图可以看出，最大质荷比为72，故A的相对分子质量为72。二、多样的分子空间结构单原子分子(稀有气体分子)、双原子分子不存在空间结构，多原子分子中存在原子的几何学关系和形态，即所谓“分子的空间结构”。1．三原子分子化学式CO2H2O电子式结构式O=C=O键角_180°___105°__空间结构空间结构名称_直线形___V形__2．四原子分子化学式CH2ONH3电子式结构式键角约120°_107°__空间结构空间结构名称_平面三角形___三角锥形__3．五原子分子化学式CH4CCl4电子式结构式键角_109°28′___109°28′__空间结构空间结构名称_正四面体形___正四面体形__4．他多原子分子的空间结构正误推断1．全部的三原子分子都是直线形结构。(×)2．全部的四原子分子都是平面三角形结构。(×)3．五原子分子的空间结构都是正四面体。(×)4．正四面体形的键角均为109°28′。(×)5．SiCl4、SiH4、NHeq\o\al(＋,4)、CH3Cl均为正四面体结构。(×)6．SF6分子的空间结构为正八面体形。(√)7．椅式C6H12比船式C6H12稳定。(√)深度思索1．四原子分子都是平面三角形或三角锥形吗？提示：不是。H2O2分子的结构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．空间结构相同的分子，其键角完全相同吗？提示：不肯定，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′。应用体验1．下列分子结构与分子中共价键键角对应正确的是(B)A．直线形分子：180°B．平面正三角形：120°C．三角锥形：109°28′D．正四面体形：109°28′解析：HCl也是直线形分子，因只有一个共价键，故不存在键角，A项错误；氨分子呈三角锥形，键角为107°，C项错误；甲烷、白磷分子均是正四面体形分子，但键角分别为109°28′、60°，D项错误。故选B项。2．下列分子中的立体结构模型正确的是(D)A．CO2的立体结构模型B．H2O的立体结构模型C．NH3的立体结构模型D．CH4的立体结构模型解析：CO2的立体构型是直线形，故A错误；H2O的立体构型是V形，故B错误；NH3的立体构型是三角锥形，故C错误；CH4的立体构型为正四面体，故D正确。故选D。3．(1)硫化氢(H2S)分子中，两个H—S键的夹角接近90°，说明H2S分子的空间结构为V形。(2)二硫化碳(CS2)分子中，两个C=S键的夹角是180°，说明CS2分子的空间结构为直线形。(3)能说明CH4分子不是平面四边形，而是正四面体结构的是ad。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)解析：(1)两个H—S键的夹角接近90°，由键角干脆推断分子的空间结构为V形。(2)两个C=S键的夹角是180°，由键角干脆推断分子的空间结构为直线形。(3)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，不能说明CH4分子结构；若为平面四边形，则键角为90°，CH2Cl2有两种：和；若为正四面体，则键角为109°28′，CH2Cl2只有一种，不存在同分异构体，故选ad。常见的空间结构为直线形的分子有BeCl2、HCN、C2H2、CO2等；常见的空间结构为V形的分子有H2O、H2S、SO2等；常见的空间结构为平面三角形的分子有BF3、SO3、HCHO等；常见的空间结构为三角锥形的分子有PH3、PCl3、NH3等；常见的空间结构为正四面体形的分子有CH4、CCl4、SiH4、SiF4等；是四面体形但不是正四面体形的有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等。记住常见分子的空间结构，可类推出同类别物质的空间结构。三、价层电子对互斥模型1．价层电子对互斥模型(theory)：对ABn型的分子或离子，中心原子A的价层电子对(包括成键的_σ键电子对__和未成键的_孤电子对__)之间由于存在排斥力，将使分子的空间结构总是实行电子对_相互排斥__最弱的那种结构，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；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__。3．价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)价层电子对数目：234VSEPR模型：_直线形___平面三角形___正四面体形__4．VSEPR模型的应用——预料分子空间结构由价层电子对的相互排斥，得到含有孤电子对的VSEPR模型，然后，略去VSEPR模型中的中心原子上的_孤电子对__，便可得到分子的空间结构。(1)中心原子不含孤电子对分子或离子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CO2_2___0__直线形直线形COeq\o\al(2－,3)_3___0__平面三角形平面三角形CH4_4___0__正四面体形正四面体形(2)中心原子含孤电子对分子或离子价层电子对数孤电子对数VSEPR模型及名称分子的空间结构及名称NH3_4___1__四面体形三角锥形H2O_4___2__四面体形V形SO2_3___1__平面三角形V形(1)若ABn型分子中，A与B之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成，则价层电子对互斥模型把双键或三键作为一个电子对看待。(2)由于孤电子对有较大斥力，含孤电子对的分子的实测键角几乎都小于VSEPR模型的预料值。价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：孤电子对与孤电子对>孤电子对与成键电子对>成键电子对与成键电子对。随着孤电子对数目的增多，成键电子对与成键电子对之间的斥力减小，键角也减小。(3)价层电子对互斥模型不能用于预料以过渡金属为中心原子的分子。正误推断1．分子的VSEPR模型和相应分子的空间结构是相同的。(×)2．SO2与CO2的分子组成相像，故它们分子的空间结构相同。(×)3．由价层电子对互斥模型可知SnBr2分子中Sn—Br的键角小于180°。(√)4．依据价层电子对互斥模型可以推断H3O＋与NH3的分子(或离子)的空间结构一样。(√)深度思索1．价层电子对的VSEPR模型与分子的空间结构肯定一样吗？什么时候一样？提示：不肯定一样，中心原子有孤电子对时，二者结构不一样；当中心原子无孤电子对时，二者结构一样。2．试说明CH4键角(109°28′)、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的缘由。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对孤电子对，H2O分子中O原子上有2对孤电子对，对成键电子对的排斥作用增大，故键角依次减小。3．乙醇和乙酸可以用“价层电子对相互排斥而尽量远离”的原则快速地推断它们的分子结构。(1)依据上述图示，结合价层电子对互斥模型，分析推断乙醇分子中C—O—H的空间结构是什么？提示：乙醇分子结构中，羟基上的氧原子有2对成键电子对和2对孤电子对(见图中乙醇结构的①、②、③、④)，价层电子对数是4，共有4个空间取向，中心氧原子上的价电子对相互排斥而远离，呈四面体形，略去中心原子(氧原子)上的孤电子对可得C—O—H呈V形。(2)依据上述图示，结合价层电子对互斥模型分析推断乙酸分子结构中的空间结构是什么？提示：在乙酸分子中，中心原子是羰基()上的碳原子，中心碳原子(羰基碳)上有3对成键电子对(见图中乙酸结构中的①，②，③)，孤电子对数为0；上的成键电子对仅有一个空间取向，因此，中心碳原子的价电子对共有3个空间取向，相互排斥而远离，因此，呈平面三角形。(3)依据上述图示，结合价层电子对互斥模型分析乙醇、乙酸分子中的空间结构是什么？提示：在乙醇、乙酸分子结构中，甲基碳()是中心原子，中心碳原子上的价层电子对数是4，孤电子对数是0，中心碳原子上的4对成键电子对共有4个空间取向，相互排斥而远离，故呈四面体结构。应用体验1．下列微粒的VSEPR模型与空间立体构型一样的是(A)A．BF3 B．SO2C．H2O D．SOeq\o\al(2－,3)解析：BF3中心B原子的价层电子对数为3＋eq\f(3－1×3,2)＝3，不含孤对电子对，VSEPR模型和立体构型相同，均为平面三角形，A符合题意；SO2中心S原子的价层电子对数为2＋eq\f(6－2×2,2)＝3，含一对孤电子对，VSEPR模型为平面三角形，立体构型为V形，B不符合题意；H2O中心O原子的价层电子对数为2＋eq\f(6－1×2,2)＝4，含两对孤电子对，VSEPR模型为四面体形，立体构型为V形，C不符合题意；SOeq\o\al(2－,3)中心S原子价层电子对数为3＋eq\f(6＋2－2×3,2)＝4，含有一对孤电子对，VSEPR模型为四面体形，立体构型为三角锥形，D不符合题意。故选A。2．用价层电子对互斥理论(VSEPR)可以预料很多分子或离子的空间构型，有时也能用来推想键角大小，下列推断正确的是(A)A．SO2的分子构型为V形B．SO3是三角锥形分子C．BF3的键角为60°D．PCl3是平面三角形分子解析：SO2的中心原子S的价层电子对数为2＋eq\f(1,2)×(6－2×1)＝4，且S原子上含有2对孤电子对，所以SO2为V形分子，故A正确；SO3的中心原子S的价层电子对数为3＋eq\f(1,2)×(6－3×2)＝3，无孤电子对，是平面三角形分子，故B错误；BF3的中心原子B的价层电子对数为3＋eq\f(1,2)×(3－3×1)＝3，无孤电子对，是平面三角形分子，键角为120°，故C错误；PCl3的中心原子P的价层电子对数为3＋eq\f(1,2)×(5－3×1)＝4，含有1对孤电子对，所以PCl3是三角锥形分子，故D错误。故选A。3．下列粒子的VSEPR模型为四面体，且空间构型结构为V形的是(A)A．H2O B．NF3C．H3O＋ D．SO2解析：水分子中氧原子的价层电子对数为4，孤电子对数为2，则分子的VSEPR模型为四面体形，空间构型为V形，故A正确；三氟化氮分子中氮原子的价层电子对数为4，孤电子对数为1，则分子的VSEPR模型为四面体形，空间构型为三角锥形，故B错误；水合氢离子中氧原子的价层电子对数为4，孤电子对数为1，则离子的VSEPR模型为四面体形，空间构型为三角锥形，故C错误；二氧化硫分子中硫原子的价层电子对数为3，孤电子对数为1，则分子的VSEPR模型为平面三角形，空间构型为V形，故D错误。故选A。4．用价电子对互斥理论(VSEPR)可以预料很多分子或离子的空间构型，也可推想键角大小，下列推断正确的是(D)A．CS2是V形分子B．SnBr2键角大于120°C．BF3是三角锥形分子D．NHeq\o\al(＋,4)键角等于109°28′解析：CS2中中心原子C上的孤电子对数为eq\f(1,2)×(4－2×2)＝0，σ键电子对数为2，价层电子对数为0＋2＝2，VSEPR模型为直线形，C上没有孤电子对，CS2是直线形分子，A项错误；SnBr2中中心原子Sn上的孤电子对数为eq\f(1,2)×(4－2×1)＝1，σ键电子对数为2，价层电子对数为1＋2＝3，VSEPR模型为平面三角形，由于孤电子对与成键电子对间的排斥作用>成键电子对间的排斥作用，SnBr2的键角小于120°，B项错误；BF3中中心原子B上的孤电子对数为eq\f(1,2)×(3－3×1)＝0，σ键电子对数为3，价层电子对数为0＋3＝3，VSEPR模型为平面三角形，B上没有孤电子对，BF3是平面三角形分子，C项错误；NHeq\o\al(＋,4)中中心原子N上的孤电子对数为eq\f(1,2)×(5－1－4×1)＝0，σ键电子对数为4，价层电子对数为0＋4＝4，VSEPR模型为正四面体形，N上没有孤电子对，NHeq\o\al(＋,4)为正四面体形，键角等于109°28′，D项正确。故选D。分子空间结构的确定思路1．已知二甲醚(CH3OCH3)和乙醇是同分异构体，下列鉴别方法中不行行的是(A)A．利用质谱法 B．利用金属钠C．利用红外光谱法 D．利用核磁共振氢谱解析：质谱法只能推断分子的相对分子质量，二者的相对分子质量相等，利用质谱法无法鉴别二甲醚和乙醇，故A符合题意；金属钠能和乙醇反应，不能和二甲醚反应，利用金属钠可以鉴别二甲醚和乙醇，故B不符合题意；红外光谱法可探测分子的官能团，从而区分羟基、醚键，利用红外光谱法可以鉴别二甲醚和乙醇，故C不符合题意；二甲醚结构对称，分子中有1种氢原子，乙醇结构不对称，分子中有3种氢原子，利用核磁共振氢谱可以鉴别二甲醚和乙醇，故D不符合题意。故选A。2．下列有关描述正确的是(C)A．NOeq\o\al(－,3)为V形分子B．ClOeq\o\al(－,3)的立体构型为平面三角形C．NOeq\o\al(－,3)的VSEPR模型、立体构型均为平面三角形D．ClOeq\o\al(－,3)的VSEPR模型、立体构型相同解析：NOeq\o\al(－,3)中氮原子的价层电子对数＝3＋eq\f(1,2)×(5＋1－2×3)＝3，没有孤电子对，VSEPR模型、立体构型均为平面三角形，故A错误、C正确；ClOeq\o\al(－,3)中氯原子的价层电子对数＝3＋eq\f(1,2)×(7＋1－3×2)＝4，有一对孤电子对，VSEPR模型为四面体形，立体构型为三角锥形，故B、D错误。故选C。3．已知CH4中C—H键间的键角为109°28′，NH3中N—H键间的键角为107°，H2O中O—H键间的键角为105°，则下列说法中正确的是(A)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中的氮原子上有1对孤电子对，H2O中的氧原子上有2对孤电子对。依据题意知，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，使其键角变小，A项正确。故选A。4．用VSEPR模型预料下列分子或离子的立体结构，其中正确的是(D)A．CH4与CH2Cl2均为正四面体B．BeCl2与SO2为直线形C．BF3与PCl3为三角锥形D．NOeq\o\al(－,3)与COeq\o\al(2－,3)为平面三角形解析：CH4分子中价层电子对数＝4＋eq\f(1,2)×(4－1×4)＝4，采纳sp3杂化，不含孤电子对，所以其空间构型为正四面体，CH2Cl2分子中价层电子对数＝4＋eq\f(1,2)×(4－1×4)＝4，采纳sp3杂化，不含孤电子对，有H和Cl，所以其空间构型为四面体，A错误；BeCl2分子中价层电子对数＝2＋eq\f(1,2)×(2－2×1)＝2，采纳