第2章 第2节 第1课时 分子结构的测定 价层电子对互斥模型（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修2（人教版2019 单选版）

第二节　分子的空间结构 第1课时　分子结构的测定　价层电子对互斥模型 课程标准 核心素养目标 　　1.知道分子的结构可以通过波谱、晶体X射线衍射等技术进行测定。 2．结合实例了解共价分子具有特定的空间结构，并可运用相关理论和模型进行解释和预测。 　　1.证据推理与模型认知：能运用价层电子对互斥模型预测简单分子的空间结构，发展学生的模型认知能力。 2．科学探究与创新意识：结合实例了解共价分子具有特定的空间结构，体会共价分子的多样性和复杂性。能借助实物模型等建立对分子的空间结构的直观认识。 一、分子结构的测定 1．测定分子结构的现代仪器和方法 科学家应用了许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。 2．红外光谱 (1)基本原理 分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着的。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。 (2)具体应用 通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可以得知各吸收峰是由哪种化学键、哪种振动方式引起的，综合这些信息，可分析出分子中含有何种化学键或官能团的信息。 3．用质谱法测定分子的相对分子质量 (1)基本原理 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，化学家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。 (2)具体应用 在质谱图中，最右侧分子离子的最大质荷比(粒子的相对质量与其电荷数之比)对应该物质的相对分子质量。 二、多样的分子空间结构 1．分子的空间结构 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。 2．常见多原子分子的空间结构 类型 空间结构 示例 空间结构模型 键角 三原子 分子 直线形 CO2 180° V形 H2O 105° 四原子 分子 平面三角形 CH2O(甲醛) 约120° 三角锥形 NH3 107° 五原子分子 四面体形 CH4 109°28′ 三、价层电子对互斥模型 1．基本要点 (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。 (2)VSEPR的“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。多重键只计其中的σ键电子对，不计π键电子对。 2．中心原子的价层电子对数的计算 (1)计算方法：中心原子的价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数。 (2)确定σ键电子对数 σ键电子对数可由化学式确定，σ键电子对数等于与中心原子成键的原子数。例如，SO3的中心S原子与3个O原子成键，则S有3个σ键电子对。 (3)确定中心原子上的孤电子对数 中心原子上的孤电子对数＝(a－xb)，式中a为中心原子的价电子数(对于主族元素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；其他原子为“8减去该原子的价电子数”)。例如，NH3的中心N原子的孤电子对数＝×(5－3×1)＝1；SO3的中心S原子的孤电子对数＝×(6－3×2)＝0。 3．根据价层电子对互斥模型判断分子(或离子)的空间结构 (1)确定VSEPR模型的空间结构 根据分子中心原子的价层电子对的相互排斥，得到含有孤电子对的分子的VSEPR模型。为使价层电子对之间的斥力最小，就要求尽可能采取对称的结构。 价层电子对数 2 3 4 5 6 VSEPR模型 VSEPR模型 的空间结构 直线形 平面三角形 四面体形 三角双锥形 八面体形 (2)确定分子(或离子)的空间结构 略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对，便可得到分子(或离子)的空间结构。 中心原子 价层电子 对数 中心原子 上的孤电 子对数 VSEPR 模型 VSEPR 模型名称 分子 或离 子 分子或 离子的 空间结构 分子或离 子的空间 结构名称 2 0 直线形 CO2 直线形 3 0 平面三角形 BF3 平面 三角形 1 SO2 V形 4 0 四面体形 CH4 正四面体形 1 NH3 三角锥形 2 H2O V形 ◆拓展延伸 红外光谱及其应用 (1)在鉴定有机化合物结构中，红外光谱法是一种重要的方法，它可以确定有机物中存在的官能团，也可以用来推测物质的纯度。 (2)分子中的原子总是处在不断地振动中，当分子中某个基团的振动频率和外界红外辐射频率一致时，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。将分子吸收红外光的情况用仪器记录就得到该试样的红外吸收光谱图。 ◆名师点拨 从分子的组成看空间结构 (1)双原子分子一定是直线形，如H2、HCl等。 (2)三原子分子有直线形(如CO2)和V形(如H2O)两种不同的空间结构。 (3)大多数四原子分子采取平面三角形(如CH2O)和三角锥形(如NH3)两种空间结构。 (4)有些四原子分子是直线形，如HC≡CH(乙炔)，键角为180°。 (5)有些四原子分子是正四面体形，如P4(白磷)分子的空间结构如下图所示，键角为60°。 ◆名师点拨 价层电子对互斥模型的理解 (1)分子中的中心原子的价层电子对——σ键电子对(bp)和孤电子对(lp) 由于相互排斥作用，处于不同的空间取向，尽可能趋于彼此远离，以减小排斥作用。 (2)两个原子间的成键电子不论是单键还是多重键，都看作一个空间取向；一个孤电子对看作一个空间取向。 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ◆名师点拨 VSEPR模型和分子的空间 结构的关系 (1)VSEPR模型由于价层电子对的相互排斥，得到的含有孤电子对的分子的空间结构模型，并不一定与分子的空间结构相一致。 (2)若中心原子上的孤电子对数为0，则VSEPR模型与分子的空间结构一致。一、分子结构的测定 (3)若中心原子上的孤电子对数不等于0，则VSEPR模型与分子的空间结构不一致，略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对，便得到分子的空间结构。 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)CH3CH2OH在红外光谱图中显示含有C—H、C—O、O—H等化学键(　　√　　) (2)OF2中O原子的价层电子对数为2，其空间结构为V形(　　×　　) (3)NH中氮原子的价层电子对数为4，其空间结构为正四面体形(　　√　　) (4)H2S的VSEPR模型的构型和分子的空间结构相同(　　×　　) 探究一__应用价层电子对互斥模型预测分子(或离子)的空间结构 为研究CH4、NH3和H2O的空间结构，某小组同学制作了它们的气球模型(如图所示)： 在CH4的气球模型中，将4个颜色相同的气球充气成为相同大小，系在一个中心上。在NH3和H2O的气球模型中，一种颜色的小气球代表σ键电子对，另一种颜色的大气球代表孤电子对。 相比之下，孤电子对较“胖”一些，占据较大的空间，而σ键电子对较“瘦”，占据较小的空间。 [问题设计] (1)分析四种分子(CH4、NH3、H2O、BF3)和两种离子(H3O＋、CO)，分别确定其中心原子的σ键电子对数和孤电子对数，并填入下表。 分子(或 离子) CH4 NH3 H2O BF3 H3O＋ CO σ键电 子对数 4 ①____ 2 ②____ 3 3 孤电子 对数 ③____ ④____ ⑤____ ⑥____ ⑦____ ⑧____ 提示：①3　②3　③0　④1　⑤2　⑥0　⑦1　⑧0 (2)利用价层电子对互斥模型推测四种分子(CH4、NH3、H2O、BF3)和两种离子(H3O＋、CO)的VSEPR模型和空间结构，并填入下表。 分子(或 离子) CH4 NH3 H2O BF3 H3O＋ CO VSEPR 模型 四面 体形 ①____ ②____ 平面三 角形 四面 体形 ③____ 分子(或 离子) 的空间 结构 正四面 体形 ④____ ⑤____ ⑥____ ⑦____ ⑧____ 提示：①四面体形　②四面体形　③平面三角形　④三角锥形　⑤V形　⑥平面三角形　⑦三角锥形　⑧平面三角形 运用价层电子对互斥模型预测分子 (或离子)空间结构的技巧 1．利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构解题思路 2．判断方法技巧 (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对电子对看待。 (2)电子对之间的夹角越大，排斥力越小。例如：CO2分子中价层电子对数为2，为了保证排斥力最小，在空间上，夹角为180°，又如BF3分子中价层电子对数为3，为了保证排斥力最小，在空间上，夹角为120°。 (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。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。例如，H2O的键角为105°，NH3的键角为107°，NO的键角为115°。 【例1】 根据价层电子对互斥模型判断，下列分子或离子的VSEPR模型及空间结构正确的是(　　　　　) 分子或离子 VSEPR模型 分子或离子的 空间结构 A H2Se V形 V形 B SO 四面体形 三角锥形 C PCl3 四面体形 平面三角形 D BBr3 平面三角形 三角锥形 B　解析：H2Se中硒原子价层电子对数为2＋×(6－2×1)＝4，含有2个孤电子对，则H2Se的VSEPR模型为四面体形，分子的空间结构为V形，A错误；SO的中心原子价层电子对数为3＋×(6＋2－3×2)＝4，含有1个孤电子对，则SO的VSEPR模型为四面体形，其空间结构为三角锥形，B正确；PCl3中磷原子的价层电子对数为3＋×(5－3×1)＝4，含有1个孤电子对，则PCl3的VSEPR模型为四面体形，分子的空间结构为三角锥形，C错误；BBr3的硼原子价层电子对数为3＋×(3－3×1)＝3，没有孤电子对，则BBr3的VSEPR模型为平面三角形，分子的空间结构为平面三角形，D错误。 1．下列分子的VSEPR模型为四面体形且其空间结构为V形的是(　　　　　) A.SO2 B．CO2 C.H2O D．NH3 C　解析：SO2中硫原子有2个σ键电子对和1个孤电子对，其价层电子对数为3，则SO2的VSEPR模型为平面三角形，其空间结构为V形，A错误；CO2中C原子的价层电子对数为2，则CO2的VSEPR模型和空间结构均为直线形，B错误；H2O中氧原子有2个σ键电子对和2个孤电子对，则其价层电子对数为4，H2O的VSEPR模型为四面体形，其空间结构为V形，C正确；NH3中氮原子的价层电子对数为4，则NH3的VSEPR模型为四面体形，其空间结构为三角锥形，D错误。 2．下列分子的空间结构模型或键角正确的是(　　　　　) A.CH4：109°28′ B．H2S： C.NH3：120° D．CO2： A　解析：甲烷是正四面体结构，碳原子在正四面体中心，键角为109°28′，A正确；H2S的中心原子S的价层电子对数＝2＋×(6－2×1)＝4，所以H2S是V形结构，不是直线形结构，B错误；NH3的中心原子N的价层电子对数＝3＋×(5－3×1)＝4，所以NH3是三角锥形结构，键角大约为107°，C错误；CO2的中心原子C的价层电子对数＝2＋×(4－2×2)＝2，所以CO2是直线形结构，D错误。 探究二__应用价层电子对互斥模型比较键角的大小 根据价层电子对互斥模型，“价层电子对相互排斥而尽量远离”，中心原子上的价层电子对间排斥力不同，其键角可能不同，而中心原子的电负性、孤电子对数、成键原子的电负性等都影响中心原子上价层电子对之间的排斥力。 [问题设计] (1)确定H2S、PH3和SiH4分子中心原子的价层电子对数和孤电子对数，结合价层电子对间的排斥作用比较其键角大小。 提示：键角：H2S＜PH3＜SiH4；H2S、PH3和SiH4分子中心原子的价层电子对数均为4，含有孤电子对数分别为2、1、0，中心原子的孤电子对数越多，排斥力越大，键角越小。 (2)结合价层电子对互斥模型及中心原子的电负性，比较H2O、H2S和H2Se的键角大小。 提示：键角：H2O＞H2S＞H2Se；三种分子的中心原子价层电子对数均为4，均含1个孤电子对，由于电负性：O＞S＞Se，则σ键电子对偏向中心原子的程度：O—H＞S—H＞Se—H，而σ键电子对越偏向中心原子，排斥力越大，键角越大。 (3)结合价层电子对互斥模型及成键原子的电负性，比较NF3、NCl3和NBr3的键角大小。 提示：键角：NF3＜NCl3＜NBr3；三种分子的中心原子价层电子对数均为4，均含1个孤电子对，电负性：F＞Cl＞Br，则σ键电子对偏向中心原子的程度：N—F＜N—Cl＜N—Br，σ键电子对越偏离中心原子，排斥力越小，键角越小。 1．价层电子对之间的排斥作用及分析 (1)当中心原子的价层电子对包含孤电子对，且成键电子对中也有多重键时，它们之间的斥力不同，会对分子的空间结构产生影响。 (2)通常，多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序可定性地表示为三键—三键>三键—双键>双键—双键>双键—单键>单键—单键。 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。 2．运用价层电子对互斥模型比较键角的基本方法 序号 比较方法 具体规律 ① 比较中心原子价层电子对数 中心原子价层电子对数越少，键角越大 ② 比较中心原子的孤电子对数 中心原子价层电子对数相同时，孤电子对数越多，排斥力越大，键角越小 ③ 比较中心原子的电负性 同主族元素形成的化合物，中心原子的电负性越大，键角越大 ④ 比较成键原子的电负性 当中心原子相同时，成键原子的电负性越大，键角越小 【例2】 下列分子或离子中键角按照由大到小的顺序排列的是(　　　　　) ①BCl3　②NH3　③H2O　④PCl　⑤BeCl2 A．⑤①④②③　　　　　 B．⑤④①②③ C．④①②⑤③ D．③②④①⑤ A　解析：根据价层电子对互斥模型推知：BCl3中硼原子的价层电子对数为3，无孤电子对，则BCl3为平面三角形，键角为120°；NH3中氮原子的价层电子对数为4，有1个孤电子对，排斥力较小，则NH3为三角锥形结构，键角为107°；H2O中氧原子的价层电子对数为4，有2个孤电子对，排斥力较大，则H2O为V形结构，键角为105°；PCl中磷原子的价层电子对数为4，无孤电子对，则PCl为正四面体形，键角为109°28′；BeCl2中铍原子的价层电子对数为2，无孤电子对，则BeCl2为直线形结构，键角为180°，故键角的大小顺序为BeCl2＞BCl3＞PCl＞NH3＞H2O。 解答本题的思路如下： (1)判断中心原子价层电子对数分子(或离子)的空间结构键角的大小； (2)若VSEPR模型的空间结构相同，分析孤电子对数，考虑孤电子对的排斥力大键角的大小。 3．用价层电子对互斥模型可以判断许多分子或离子的空间结构，有时也能用来推测键角大小。下列判断正确的是(　　　　　) A．SO中心原子的价层电子对数为3，其空间结构为平面三角形 B．BF3键角为120°，SnBr2的键角大于120° C．SO的键角大于H3O＋的键角 D．PCl3、PCl5都是三角锥形的分子 C　解析：SO的中心原子的价层电子对数为4，含1个孤电子对，则SO是三角锥形结构，A错误；BF3分子是平面三角形结构，键角为120°，SnBr2是V形结构，键角小于120°，B错误；SO、H3O＋的中心原子价层电子对数均为4，含有孤电子对数分别为0、1，则键角：SO＞H3O＋，C正确；PCl3是三角锥形分子，PCl5分子中心原子价层电子对数为5，孤电子对数为0，为三角双锥形结构，D错误。 4．下列判断正确的是(　　　　　) A．SO2、CS2、HI都是直线形的分子 B．BF3的键角为120°，SnBr2的键角大于120° C．CH2O、BF3、SO3都是平面三角形分子 D．PCl3、NH3、PCl5都是三角锥形分子 C　解析：SO2是V形分子，CS2、HI是直线形的分子，A错误；BF3的键角为120°，是平面三角形结构，而SnBr2分子中Sn的价层电子对数＝2＋×(4－2×1)＝3，含有一个孤电子对，对成键电子对有排斥作用，使键角小于120°，B错误；CH2O、BF3、SO3都是平面三角形分子，C正确；PCl3、NH3都是三角锥形分子，而PCl5分子是三角双锥形结构，D错误。 1．下列有关分子结构的测定的叙述不正确的是(　　　　　) A．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推测分子的结构 B．红外光谱属于原子光谱中的吸收光谱，可测定分子中含有化学键或官能团的信息 C．化学家依据质谱图中最大质荷比推测待测物质的相对分子质量 D．当红外光束透过分子时，分子会吸收与其某些化学键的振动频率相同的红外线 B　解析：原子光谱是原子中电子在不同能级轨道上跃迁时吸收或释放能量所得到的光谱，红外光谱不是原子光谱，属于分子光谱，B错误；红外光束透过分子时，分子会吸收与其某些化学键的振动频率相同的红外线，记录到图谱上呈现吸收峰，D正确。 2．(2024·四川德阳期末)下列分子或离子的空间结构模型正确的是(　　　　　) A．CH2O： B．SO2： C.NF3： D．SO： D　解析：中心原子价电子对数为3＋＝3，无孤电子对，空间结构为平面三角形，A错误；中心原子的价电子对数为2＋＝3，有1个孤电子对，空间结构为V形，B错误； 中心原子的价电子对数为3＋＝4，有1个孤电子对，空间结构为三角锥形，C错误；SO的中心原子的价电子对数为4＋＝4，为sp3杂化，空间结构为正四面体形，D正确。 3．下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述不正确的是(　　　　　) A．VSEPR模型可用来推测分子的空间结构 B．VSEPR模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子 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，价层电子对相互排斥力越大，分子越稳定 D　解析：VSEPR模型可用来推测分子的空间结构，注意实际空间结构要略去孤电子对，A正确；VSEPR模型可用于推测简单分子的空间结构，不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子，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，且孤电子对间排斥力＞孤电子对与σ键电子对间的排斥力，C正确；分子的稳定性与键角没有关系，与化学键强弱有关，D错误。 4．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形的是(　　　　　) A．PCl3 B．H3O＋ C．NO D．PH3 C　解析：根据价层电子对互斥模型，PCl3中P的价层电子对数为3＋×(5－3×1)＝4，含有1个孤电子对，则PCl3是三角锥形，A错误；H3O＋中O的价层电子对数为3＋×(6－1－3×1)＝4，含有1个孤电子对，则其空间结构是三角锥形，B错误；NO中N的价层电子对数为3＋×(5＋1－3×2)＝3，不含孤电子对，则其空间结构是平面三角形，C正确；PH3中P的价层电子对数为3＋×(5－3×1)＝4，含有1个孤电子对，则其空间结构是三角锥形，D错误。 5．根据价层电子对互斥模型，回答下列问题： (1)指出下列分子或离子的空间结构： SO：________；AsF3：________。 (2)按要求写出第三周期非金属元素构成的中性分子的化学式： 平面形分子______；三角锥形分子________；四面体形分子____________。 (3)下列一组粒子中按键角由大到小的顺序排列的是______________(填标号)。 ①CO2　②SiH4　③OF2　④CO 答案：(1)正四面体形　三角锥形 (2)AlCl3　PCl3　SiCl4 (3)①＞④＞②＞③ 学科网（北京）股份有限公司 $$