内容正文:
分子的空间结构
第 二 讲
(基础落实课)
内容与目标
1.掌握利用价层电子对理论预测分子或离子的空间结构。
2.会根据杂化轨道理论解释分子或离子的空间结构。
3.会比较键角大小和中心原子的杂化类型。
CONTENTS
目录
1
逐点清(一) 价层电子对互斥模型
逐点清(二) 杂化轨道理论
课时跟踪检测(三十七)
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价层电子对互斥模型
逐点清
(一)
再认再现·旧知新学
1.理论要点
(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。
2.中心原子价层电子对数的计算
用价层电子对互斥模型推测分子的空间结构的关键是判断分子中的中心原子上的价层电子对数。
2
4
3.价层电子对数与VSEPR模型的关系
价层电子对数 VSEPR模型名称
2 _______形
3 ___________形
4 ________形
5 三角双锥形
6 正八面体形
直线
平面三角
四面体
微点澄清训练
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)价层电子对互斥模型中,π键电子对数不计入中心原子的价层电子对数( )
(2)PH3分子的空间结构为三角锥形,H—P—H键角小于109°28′( )
(3)某分子的中心原子价层电子对数为3,则分子的空间结构一定为平面三角形( )
(4)分子的空间结构与其VSEPR模型的结构相同,则该分子中心原子不含孤电子对( )
√
√
×
√
答案:(1)3 平面三角形
(2)4 四面体形
(3)5 三角双锥形
(4)4 三角锥形
(5)3 平面三角形
边练边学·实践提能
√
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√
3.(2024年1月·贵州高考适应性演练)磷酸聚合可以生成链状多磷酸和环状多磷酸,三分子磷酸聚合形成的链状三磷酸结构如图所示。下列说法正确的是( )
√
解析:双键键能大于单键键能,故键能P—O<P===O,A错误;
根据元素电负性的规律,同一周期从左到右,依次增强,同主族从上到下,电负性依次减弱,电负性顺序为O>P,B错误;
杂化轨道理论
逐点清
(二)
再认再现·旧知新学
1.理论要点
(1)当原子成键时,原子中能量相近的价电子轨道发生混杂,混杂时保持轨道总数______,得到与原轨道数目相同、方向不同的一组新的杂化轨道。
(2)杂化轨道数不同,轨道间的夹角不同,形成分子的空间结构也不同。
不变
2.三种类型
直线
平面三角
正四面体
3.中心原子杂化类型和分子的空间结构的相互判断
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 分子空间结构 示例
AB2 0 sp 直线形 BeCl2
1 sp2 V形 SO2
2 sp3 ____形 H2O
AB3 0 sp2 _________形 BF3
1 sp3 ________形 NH3
AB4 0 sp3 _________形 CH4
V
平面三角
三角锥
正四面体
微点澄清训练
√
×
×
√
2.BeCl2是共价分子,可以以单体、二聚体和多聚体形式存在。它们的结构简式如下,请写出单体、二聚体和多聚体中Be的杂化轨道类型:
答案:(1)sp杂化 (2)sp2杂化 (3)sp3杂化
边练边学·实践提能
一、杂化类型的判定
1.下列粒子的中心原子为sp2杂化的是( )
A.NCl3 B.BF3
C.H3O+ D.H2O
解析:BF3中心原子的孤电子对数为0,采用sp2杂化。
√
2.(2024年1月·河南高考适应性演练)(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O
可用于印染、畜牧等领域,其晶体的部分结构如图所示。下列说法正确的是( )
A.电负性:O>S>Fe>H
B.基态Fe2+的价层电子排布式为3d44s2
C.晶体中N和S原子的轨道杂化类型均为sp3
D.晶体中微粒间的相互作用只有离子键、共价键和配位键
√
解析:一般非金属的电负性强于金属,故H的非金属性强于铁,电负性由强到弱的顺序为O>S>H>Fe,故A错误;
基态Fe的价层电子排布式为3d64s2,失去最外层2个电子变成Fe2+,故基态Fe2+的价层电子排布式为3d6,故B错误;
晶体中N原子和S原子都连有4个共价键,故都采用sp3杂化,故C正确;
晶体中微粒间的相互作用有离子键、共价键和配位键,还有分子间作用力、氢键,故D错误。
判断中心原子杂化类型的方法
(1)根据杂化轨道的空间结构
①直线形—sp,②平面三角形—sp2,③四面体形—sp3。
(2)根据杂化轨道间的夹角
①109°28′—sp3,②120°—sp2,③180°—sp。
思维建模
(3)利用价层电子对数确定三种杂化类型(适用于中心原子)
2对—sp杂化,3对—sp2杂化,4对—sp3杂化。
(4)在复杂的化合物中,可根据中心原子形成的σ键数与孤电子对数确定杂化类型。
答案:(1)①> < ②< < > ③> =
④< < (2)> 含π键,π键电子斥力较大,键角较大
解析:ClO2为V形结构,且存在3原子5电子的大π键,则Cl的杂化类型为sp2,Cl有1个孤电子对,Cl2O中O存在2个孤电子对,根据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,知Cl2O中Cl—O—Cl键角小于ClO2中O—Cl—O键角。
答案:sp2 > 键长:ClO2<Cl2O,ClO2中为氯氧双键,Cl2O中为氯氧单键,双键键能大,键长短
键角比较的三种思维模板
(1)杂化类型不同→sp>sp2>sp3。
(2)杂化类型相同
①孤电子对数越多,键角越小,如H2O<NH3。
②孤电子对数相同,中心原子电负性越大,键角越大,如H2O>H2S。
③孤电子对数相同,中心原子相同,配位原子电负性越大,键角越小,如NF3<NCl3。
(3)在同一分子中,π键电子斥力大,键角大。
思维建模
课时跟踪检测(三十七)
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A级——强基训练
1.下列分子的VSEPR模型与分子的空间结构相同的是( )
A.H2S B.BF3
C.NCl3 D.SO2
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解析:A项中VSEPR模型为正四面体,空间结构为V形;
B项VSEPR模型与空间结构相同,为平面三角形;
C项VSEPR模型为正四面体,空间结构为平面三角形;
D项VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形。
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PH3的空间结构呈三角锥形,B错误;
H3O+的空间结构呈三角锥形,C错误;
OF2中心原子的价层电子对的空间结构为正四面体形且分子的空间结构为V形,D正确。
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4.下列关于BeF2和SF2的说法错误的是( )
A.BeF2分子中,中心原子Be的价层电子对数等于2,成键电子对数也等于2
B.BeF2分子的孤电子对数为0
C.SF2分子中,中心原子S的价层电子对数等于4,其空间结构为四面体形,成键电子对数等于2,没有孤电子对
D.在气相中,BeF2是直线形而SF2是V形
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5.下列有关杂化轨道理论的说法不正确的是( )
A.杂化前后的轨道数不变,但轨道的形状发生了改变
B.杂化轨道全部参与形成化学键
C.sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°
D.四面体形、三角锥形的结构可以用sp3杂化轨道理论解释
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解析:杂化前后的轨道数不变,杂化后,各个轨道尽可能分散、对称分布,导致轨道的形状发生了改变,故A正确;
杂化轨道可以部分参与形成化学键,例如NH3中N发生了sp3杂化,形成了4个sp3杂化轨道,但是只有3个参与形成了化学键,故B错误;
sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角分别为109°28′、120°、180°,故C正确;
四面体形、三角锥形分子的结构可以用sp3杂化轨道理论解释,如甲烷、氨气分子,故D正确。
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7.根据价层电子对互斥模型填空:
(1)OF2分子中,中心原子上的σ键电子对数为________,孤电子对数为________,价层电子对数为________,中心原子的杂化方式为________杂化,VSEPR模型为____________,分子的空间结构为________。
(2)BF3分子中,中心原子上的σ键电子对数为________,孤电子对数为________,价层电子对数为________,中心原子的杂化方式为________杂化,VSEPR模型为________________,分子的空间结构为________________。
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答案:(1)2 2 4 sp3 正四面体形 V形
(2)3 0 3 sp2 平面三角形 平面三角形
(3)4 0 4 sp3 正四面体形 正四面体形
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8.(1)已知H2O、NH3、CH4三种分子中,键角由大到小的顺序是______________,原因为_______________________________。
(2)NH3的键角________PH3的键角,原因是_________________________
___________________________________________________________________。
(3)NF3的键角________NH3的键角,理由是_________________________
___________________________________________________________________。
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答案:(1)CH4>NH3>H2O CH4分子中无孤电子对,NH3分子中含有1个孤电子对,H2O分子中含有2个孤电子对,孤电子对对成键电子对的排斥作用依次增大,故键角逐渐减小
(2)> 中心原子的电负性N强于P,中心原子的电负性越大,成键电子对离中心原子越近,斥力越大,键角也越大
(3)< F的电负性比H大,NF3中成键电子对离中心原子较远,斥力较小,因而键角也较小
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10.用价层电子对互斥模型(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间结构,有时也能用来推测键角大小,下列判断错误的是( )
A.SO2、CS2、HI都是直线形的分子
B.BF3键角为120°,SnBr2键角小于120°
C.CH2O、BF3、SO3都是平面三角形的分子
D.NCl3的键角大于PCl3的键角
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解析:A项,SO2为V形分子,错误;B项,SnBr2 中有一个孤电子对,键角小于120°,正确。
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F2与NaCl溶液反应时是F2先与水反应生成HF和O2,不能置换出Cl2,选项D错误。
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13.下列关于磷酸氯喹(结构如图所示)的说法错误的是( )
A.分子式为C18H32ClN3O8P2
B.分子中含有2个sp3杂化的氮原子和1个sp2杂化的氮原子
C.分子中碳的杂化类型有2种
D.H3PO4中磷的杂化类型为sp2杂化
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解析: D项,H3PO4中磷的杂化类型为sp3杂化,错误。
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14.(2023·全国新课标卷)一种可吸附甲醇的材料,其化学式为[C(NH2)3]4[B(OCH3)4]3Cl,部分晶体结构如下图所示,其中[C(NH2)3]+为平面结构。
下列说法正确的是( )
A.该晶体中存在N—H…O氢键
B.基态原子的第一电离能:C<N<O
C.基态原子未成对电子数:B<C<O<N
D.晶体中B、N和O原子轨道的杂化类型相同
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解析:从结构图可看出,该晶体中存在N—H…O氢键,A正确;
N的价电子排布式为2s22p3,2p能级处于半满稳定状态,其第一电离能大于O,B错误;
根据B(1s22s22p1)、C(1s22s22p2)、O(1s22s22p4)、N(1s22s22p3)的电子排布式,可知其未成对电子数分别为1、2、2、3,C错误;
该晶体中B、O原子轨道的杂化类型均为sp3,[C(NH2)3]+为平面结构,则其中N的杂化类型为sp2,D错误。
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15.As2O3(砒霜)可用于白血病的治疗,As2O3是两性氧化物(分子结构如图所示),溶于盐酸生成AsCl3,AsCl3用LiAlH4还原生成AlH3。下列说法正确的是( )
A.As2O3 分子中As原子的杂化方式为sp3
B.LiAlH4为共价化合物
C.AsCl3空间结构为平面正三角形
D.AlH3分子键角小于109.5°
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AlH3中有3个σ键,无孤电子对,空间结构为平面三角形,所以键角大于109.5°,D错误。
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17.(2024年1月·安徽高考适应性演练)我国学者用氮气为氮源高效合成了活性氮物质Li2CN2,用于多种高附加值含氮化合物的合成。Li2CN2可与乙醇、有机卤代物等反应,其制备及转化为物质甲的过程如下:
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下列说法错误的是( )
A.反应Ⅰ实现了氮的固定
C.反应Ⅱ中的溶剂可为水
D.物质甲中碳原子的杂化轨道类型有sp和sp3
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解析:氮的固定是指N由游离态转化为化合态的过程,反应Ⅰ实现了氮的固定,A正确;
反应Ⅱ溶剂不能为水,水会与反应物发生反应,干扰反应Ⅱ的进行,C错误;
物质甲中甲基上的C为sp3杂化,与N相连的C为sp杂化,D正确。
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18.(2023·浙江选考·节选)Si(NH2)4分子的空间结构(以Si为中心)名称为__________________,分子中氮原子的杂化轨道类型是____________。Si(NH2)4受热分解生成Si3N4和NH3,其受热不稳定的原因是____________________________________________________________________________________________________________。
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答案:四面体形 sp3 Si周围的NH2基团较大,受热时斥力较强,其中的Si—N键能较小;产物中气态分子数增多,熵增
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19.(1)PCl5·AlCl3能在有机溶剂中发生电离,生成空间结构相同的阴、阳离子,阳离子的化学式为______,阴离子中心原子的杂化方式为______。
(2)NH3BH3中B的杂化轨道类型为__________,H—N—H键角:NH3______NH3BH3(填“>”“<”或“=”),原因是______________________
______________________________________________________________________________________________________。
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其中: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,阳离子要减去电荷数,阴离子要加上电荷数);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(氢原子为1,其他原子=8-该原子的价电子数,如卤族元素为1,氧族元素为2等)。如SO2中σ键电子对数为___,孤电子对数为_____________ (写出计算式,下同),SO中σ键电子对数为___,孤电子对数为________________。
(6-2×2)=1
(6+2-4×2)=0
2.写出下列分子或离子的中心原子的价层电子对数和空间结构。
(1)COCl2:________、____________。
(2)CH2Cl2:________、____________。
(3)PCl5:________、____________。
(4)SO:________、____________。
(5)NO:________、____________。
1.下列各组粒子的空间结构相同的是( )
①NH3和H2O ②NH和H3O+
③NH3和H3O+ ④O3和SO2 ⑤CO2和BeCl2
⑥SiO和SO ⑦BF3和NF3
A.全部 B.除④⑥⑦以外
C.③④⑤⑥ D.②⑤⑥
解析: NH3呈三角锥形结构,H2O为V形结构,①不合题意;NH为正四面体结构,H3O+为三角锥形结构,②不合题意;NH3和H3O+都呈三角锥形结构,③符合题意;O3和SO2都呈V形结构,④符合题意;CO2和BeCl2都呈直线形结构,⑤符合题意;SiO和SO都呈正四面体形结构,⑥符合题意;BF3为平面三角形,NF3为三角锥形,⑦不符合题意。
2.(2023·湖北卷)价层电子对互斥理论可以预测某些微粒的空间结构。下列说法正确的是( )
A.CH4和H2O的VSEPR模型均为四面体
B.SO和CO的空间构型均为平面三角形
C.CF4和SF4均为非极性分子
D.XeF2与XeO2的键角相等
解析: CH4和H2O的中心原子的价层电子对数均为4,故CH4和H2O的VSEPR模型均为四面体形,A正确;SO的中心原子S的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,故SO的空间构型为三角锥形,B错误;CF4的结构与甲烷相似,正、负电荷中心重合,为非极性分子,SF4中S的价层电子对数为4+=5,含有1个孤电子对,SF4的结构不对称,正、负电荷中心不重合,为极性分子,C错误;XeF2、XeO2中Xe的孤电子对数不同,F、O的电负性不同,故成键电子对间的排斥力不同,键角不相等,D错误。
A.键能:P—O>P===O
B.元素的电负性:P>O>H
C.PO的空间构型:平面四边形
D.六元环状三磷酸的分子式:H3P3O9
PO的价层电子对数为4+=4,无孤电子对,故空间构型为正四面体形,C错误;
六元环状三磷酸的结构式为,故分子式为H3P3O9,D正确。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)杂化轨道只用于形成σ键和容纳未参与成键的孤电子对( )
(2)只要分子的空间结构为V形,中心原子均采取sp2杂化( )
(3)NH3→NH过程中,N原子的杂化方式由sp2变为sp3( )
(4)CH3CH===CH2(丙烯)分子中碳原子采取sp2、sp3两种杂化方式( )
二、键角大小的比较
3.比较下列分子或离子中的键角大小。
(1)比较键角大小(填“>”“<”或“=”)。
①BF3________NCl3,H2O________CS2。
②H2O______NH3______CH4,SO3____SO。
③H2O________H2S,BF3________BCl3。
④NF3________NCl3,PCl3________PBr3。
(2)在分子中,键角∠HCO________(填“>”“<”或“=”)∠HCH。理由是_______________________________________
__________________________。
4.(2023·山东卷·节选) ClO2中心原子为Cl,Cl2O中心原子为O,二者均为V形结构,但ClO2中存在大π键(Π)。ClO2中Cl原子的轨道杂化方式为____________;O—Cl—O键角__________Cl—O—Cl 键角(填“>”“<”或“=”)。比较ClO2与Cl2O中Cl—O键的键长并说明原因:____________________________________________________________。
2.下列描述正确的是( )
A.CS2为V形的极性分子
B.ClO的空间结构为平面三角形
C.SF6中有6对完全相同的成键电子对
D.SiF4和SO的中心原子均为sp2杂化
解析:CS2与CO2的分子结构相似,是直线形的非极性分子,A错误;
中心原子Cl有一个孤电子对,所以ClO的空间结构为三角锥形,B错误;
S有6个电子,正好与6个F形成6个共价键,C正确;
SiF4中Si有四个σ键,SO中S原子形成3个σ键,还有一个孤电子对,所以Si、S均是sp3杂化,D错误。
3.下列分子或离子中,中心原子的价层电子对的空间结构为正四面体形且分子或离子的空间结构为V形的是( )
A.NO B.PH3
C.H3O+ D.OF2
解析:NO的价层电子对的空间结构呈平面三角形,A错误;
解析: SF2分子中,中心原子S的孤电子对数为=2,成键电子对数为2,故价层电子对数为4,分子的空间结构为V形。
6.下列关于NH、NH3、NH三种粒子的说法不正确的是( )
A.三种粒子所含有的电子数相等
B.三种粒子中氮原子的杂化方式相同
C.三种粒子的空间结构相同
D.键角大小关系:NH>NH3>NH
解析: NH、NH3、NH所含的电子数均为10,A正确。
NH、NH3、NH中氮原子均采用sp3杂化,B正确。
NH的空间结构为正四面体形,NH3的空间结构为三角锥形,NH的空间结构为V形,C错误,D正确。
(3)SO中,中心原子上的σ键电子对数为______,孤电子对数为______,价层电子对数为______,中心原子的杂化方式为__________杂化,VSEPR模型为__________________,分子的空间结构为________________。
B级——对标高考
9.(2023·浙江选考)下列化学用语表示正确的是( )
A.H2S分子的球棍模型:
B.AlCl3的价层电子对互斥模型:
C.KI的电子式:
D.CH3CH(CH2CH3)2的名称:3甲基戊烷
解析:H2S分子是V形结构,故A错误;AlCl3中心原子价层电子对数为3+(3-1×3)=3,其价层电子对互斥模型为平面三角形,故B错误;KI是离子化合物,其电子式为,故C错误;CH3CH(CH2CH3)2的结构简式为,其名称为3甲基戊烷,故D正确。
11.下列关于元素及化合物的结构和性质的叙述正确的是( )
A.稳定性:H2Se<H2S<H2O,三者都是V形分子
B.SO3和H2SO4中的硫原子都采取sp3杂化
C.P4分子和NH中的键角都为109°28′
D.F2能与NaCl溶液反应置换出Cl2
解析:元素的非金属性越强,其简单氢化物的稳定性越强,非金属性O>S>Se,所以简单氢化物的稳定性强弱顺序是H2O>H2S>H2Se,与H2O结构相似,三者都是V形分子,选项A正确;
SO3中S的价层电子对数为3+=3,采取sp2杂化;H2SO4中S的价层电子对数为4+=4,采取sp3杂化,选项B错误;
P4分子的键角为60°,NH的键角为109°28′,选项C错误;
12.(2024·南通如东高级中学校联考)交警用经硫酸酸化处理的三氧化铬(CrO3)(与重铬酸钾原理类似)检查司机呼出的气体:2K2Cr2O7+3CH3CH2OH+8H2SO4===2Cr2(SO4)3+3CH3COOH+2K2SO4+11H2O,根据颜色的变化(橙黄变灰绿),可以判断司机是否酒后驾车。下列有关说法正确的是( )
A.Cr3+价层电子排布式为3d24s1
B.SO空间结构为正四面体形
C.CH3COOH中碳原子杂化类型为sp杂化
D.基态硫原子核外价层电子的轨道表示式为
解析:Cr价层电子排布式为3d54s1,先失最外层电子,Cr3+价层电子排布式为3d3,A错误;
SO中心原子的价层电子对数为4,无孤电子对,空间结构为正四面体形, B正确;
CH3COOH中碳原子杂化类型为sp3和sp2杂化,C错误;
基态硫原子核外价层电子的轨道表示式为,D错误。
解析: As2O3分子中形成了3个As—O共价键,As原子上还有一个孤电子对,As原子的杂化轨道数目为4,所以As原子的杂化方式为sp3杂化,A正确;
LiAlH4为离子化合物,阳离子是Li+,阴离子为AlH,B错误;
AsCl3中有3个σ键,孤电子对数为×(5-3×1)=1,As原子为sp3杂化,含有一个孤电子对,所以空间结构为三角锥形,C错误;
16.科学研究表明,PCl5在气态条件下为分子形态,在熔融条件下能发生电离:2PCl5PCl+PCl,下列说法错误的是( )
A.PCl5分子中的化学键为极性键
B.PCl5在熔融状态下具有一定的导电性
C.PCl呈正四面体结构
D.PCl中P只用3s、3p轨道参与成键
解析:PCl5分子中的化学键为P—Cl,为极性共价键,A说法正确;
PCl5在熔融状态下发生电离,生成PCl、PCl,存在自由移动的离子,具有一定的导电性,B说法正确;
PCl中心P原子为sp3杂化,四个氯原子呈正四面体结构,C说法正确;
PCl中心P原子孤电子对数=(5+1-1×6)=0,有6条共价键,用3s、3p、3d轨道参与成键,D说法错误。
B.CNeq \o\al(2-,2)的电子式为
CNeq \o\al(2-,2)的电子式为,每个原子均达到了8电子稳定结构,B正确;
(3)AlH的空间结构为________________,Al的杂化类型为________。
答案:(1)PCl sp3
(2)sp3 < NH3中N有1个孤电子对,NH3BH3中N无孤电子对,孤电子对对σ键电子对斥力大
(3)正四面体形 sp3
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