2.2.2 价电子对互斥理论和等电子原理-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （鲁科版2019，京粤闽皖豫宁陕）

第2课时　价电子对互斥理论和等电子原理 [核心素养发展目标]　理解价电子对互斥理论和等电子原理，能根据有关理论判断简单分子或离子的空间结构。 一、 价电子对互斥(VSEPR)理论 1．基本观点 分子中的中心原子的价电子对——成键电子对(bp)和孤电子对(lp)由于相互排斥作用，处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离。 注意　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；一对孤电子对看作一个空间取向。 2．中心原子价电子对数的计算 价电子对数＝成键电子对数＋孤电子对数 说明：(1)成键电子对数＝σ键电子对数＝中心原子结合的原子数 (2)孤电子对数＝ 另外，在计算中心原子的价电子对数时应注意如下规定： ①中心原子价电子数的确定方法 对于分子，中心原子的价电子数＝最外层电子数；对于阳离子，中心原子的价电子数＝最外层电子数－离子电荷数；对于阴离子，中心原子的价电子数＝最外层电子数＋离子电荷数。 ②配位原子的未成对电子数确定方法 与中心原子结合的原子称为配位原子，氢原子为1，其他原子＝8－该原子的最外层电子数。(如氧和氧族元素中的S、Se等均为2，卤族元素均为1) 例如，NH3分子中中心N原子价电子对数的计算过程如下： 成键电子对数＝σ键电子对数＝中心原子结合的原子数＝3；孤电子对数＝＝1。因此NH3分子中中心N原子价电子对数为4，分子中有一对孤电子对。 3．电子对之间的相互排斥作用大小的一般规律 (1)成键电子对之间的斥力由大到小顺序 三键—三键＞三键—双键＞双键—双键＞双键—单键＞单键—单键。 (2)含孤电子对的斥力由大到小顺序 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．根据价电子对互斥理论判断分子或离子的空间结构 价电子对互斥(VSEPR)理论指的是价电子对的空间结构，而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构，不包括孤电子对。 (1)当中心原子无孤电子对时，结构保持一致 ①有机分子(以乙酸为例) 乙酸分子中，羧基上的碳原子的价电子对均为成键电子对，因此部分呈三角形。 ②常见无机分子或离子 价电子 对数 VSEPR模型 实例 分子或离子 的空间结构 键角 空间结 构模型 2 直线形 HgCl2 直线形 180° 3 三角形 BF3 三角形 120° 4 四面体形 NH 正四面体形 109°28′ 5 三角双锥形 PCl5 三角双锥形 6 八面体形 SF6 八面体形 (2)当中心原子有孤电子对时，两者的结构不一致。例如： ①有机分子(以乙醇为例) 乙醇分子中，羟基上的氧原子的价电子对数为4，故价电子对空间结构为四面体形，但氧原子上有两对孤电子对，因此C—O—H呈角形。 ②常见无机分子或离子 分子或离子 中心原子的价电子对数 孤电子对数 VSEPR模型及名称 分子或离子的空间结构及名称 NH3 4 1 四面体形 三角锥形 H2O 4 2 四面体形 角形 H3O＋ 4 1 四面体形 三角锥形 SO2 3 1 三角形 角形 1．正误判断 (1)孤电子对的空间排斥力大于σ键电子对的排斥力(　　) (2)价电子对就是σ键电子对(　　) (3)VSEPR模型和分子的空间结构一定是一致的(　　) (4)SO2与CO2分子的组成相似，故它们的空间结构相同(　　) (5)价电子对数等于杂化轨道数(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√ 2．甲酸分子(HCOOH)中碳原子的价电子对数为(　　) A．1 B．2 C．3 D．4 答案　C 解析　该有机物中碳原子不存在孤电子对，价电子对数＝σ键数，故选C。 3．用价电子对互斥理论完成下列问题(加“·”的原子为中心原子)。 σ键电子对数 孤电子对数 空间结构 H2e Cl2 Cl3 O F2 lF 答案 σ键电子对数 孤电子对数 空间结构 H2e 2 2 角形 Cl2 2 2 角形 Cl3 3 1 三角锥形 O 4 0 正四面体形 F2 2 2 角形 lF 2 2 角形 4.试回答下列问题： (1)利用价电子对互斥理论推断下列分子或离子的空间结构： SeO3____________；NO____________； NO____________；HCHO____________； HCN____________。 (2)利用价电子对互斥理论推断键角的大小： ①SnBr2分子中Br—Sn—Br的键角________(填“>”“<”或“＝”，下同)120°。 ②PCl3分子中，Cl—P—Cl的键角________109°28′。 (3)NH3与CH4分子中心原子杂化方式相同，均为________杂化，但NH3的键角小于CH4的键角，原因是___________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________。 答案　(1)三角形　直线形　角形　三角形　直线形　(2)①＜　②＜　(3)sp3　NH3分子中N有一对孤电子对，对成键电子对的斥力作用大，使得NH3分子键角减小 解析　(1)SeO3中，Se的价电子对数为3＋＝3，孤电子对数为0，SeO3的空间结构为三角形；NO中，N的价电子对数为2，孤电子对数为0，NO的空间结构为直线形；NO中，N的价电子对数为3，孤电子对数为1，NO的空间结构为角形；HCHO中有1个碳氧双键，看作1对成键电子，2个C—H单键为2对成键电子，C的价电子对数为3，且无孤电子对，所以HCHO的空间结构为三角形；HCN的结构式为H—C≡N，含有1个C≡N，看作1对成键电子，1个C—H为1对成键电子，故C的价电子对数为2，无孤电子对，所以HCN的空间结构为直线形。 (2)①SnBr2中，Sn的价电子对数是2＋＝3，成键电子对数为2，孤电子对数为1，由于孤电子对对Sn—Br键的排斥作用大于Sn—Br键之间的排斥作用，故键角小于120°。②PCl3中，P的价电子对数为3＋＝4，含有1对孤电子对，由于孤电子对对P—Cl键的排斥作用大于P—Cl键间的排斥作用，所以Cl—P—Cl的键角小于109°28′。 二、等电子原理 1．基本观点 化学通式相同且价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间结构和相同的化学键类型等结构特征。 2．等电子体 满足等电子原理的分子或离子互称为等电子体。等电子体具有相同的原子总数和价电子总数。 3．应用举例 利用等电子体原理可以推断一些简单分子或离子的空间结构。互为等电子体的分子或离子，其中心原子的杂化类型相同，与成键原子形成的化学键类型相同。 (1)CS2与CO2互为等电子体，CS2的结构式为S==C==S，C原子的杂化类型为sp，分子空间结构为直线形。 (2)PH3、AsH3、H3O＋与NH3互为等电子体，可知它们的空间结构均为三角锥形。 4．常见的等电子体 类型 实例 空间结构 双原子10价电子 N2、CO、NO＋、C、CN－ 直线形 三原子16价电子 CO2、CS2、N2O、CNO－、NO、N、SCN－、BeCl2 直线形 三原子18价电子 NO、O3、SO2 角形 四原子24价电子 NO、CO、BO、SiO、BF3、SO3 平面三角形 四原子26价电子 NF3、PCl3、NCl3、SO 三角锥形 五原子8价电子 CH4、NH、SiH4 正四面体形 五原子32价电子 SiF4、CCl4、BF、SO、PO 1．下列各组微粒互为等电子体的是(　　) A．12CO2和14CO B．H2O和NH3 C．NO＋和CN－ D．NO和CO 答案　C 解析　根据等电子体的条件：①原子总数相同，②最外层电子数之和相等，NO＋和CN－互为等电子体。 2．等电子体的结构相似、物理性质相似，下列各对粒子中，空间结构相似的是(　　) A．SO2与O3 B．CO2与NO2 C．CS2与NO2 D．PCl3与BF3 答案　A 解析　A项中SO2与O3互为等电子体，故结构相似。 3．根据等电子原理，由短周期元素组成的粒子，只要其原子总数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体，它们也具有相似的结构特征。 (1)仅由第2周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是________和________；________和________。 (2)在短周期元素组成的物质中，与NO互为等电子体的分子有________。 答案　(1)N2　CO　CO2　N2O　(2)SO2、O3 解析　(1)仅由第2周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，如N2与CO的价电子总数均为10，CO2与N2O的价电子总数均为16。 (2)依题意，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和也相同，即可互称为等电子体，NO为三原子，各原子最外层电子数之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也为三原子，各原子最外层电子数之和均为18。 书写等电子体的方法 (1)同主族替换法 同主族元素最外层电子数相等，故可将粒子中一个或几个原子换成同主族元素原子，如O3与SO2、CO2与CS2互为等电子体。 (2)左右移位法 ①将粒子中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n＝1,2等)的原子，如N2与CO、N与CNO－互为等电子体。 ②将粒子中的一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素带n个单位电荷的阳离子(或阴离子)，如C与O、N2O与N互为等电子体。 (3)叠加法 互为等电子体的微粒分别再增加一个相同的原子或同主族元素的原子，如N2与CO互为等电子体，N2O与CO2也互为等电子体。 题组一　价电子对互斥理论 1．(2022·浙江诸暨中学高二期中)下列关于价电子对互斥(VSEPR)理论的叙述不正确的是(　　) A．VSEPR理论可用于预测分子的空间结构 B．VSEPR理论不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子的空间结构 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，价电子对相互排斥力越大，分子越稳定 答案　D 解析　VSEPR理论可用于预测分子的空间结构，注意实际空间结构要去掉孤电子对，A正确；VSEPR理论可用于预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的空间结构，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＞孤电子对和成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。 2．根据价电子对互斥理论，O3、H2S、SO2、SO3分子中，中心原子的价电子对数不同于其他分子的是(　　) A．O3 B．H2S C．SO2 D．SO3 答案　B 解析　O3分子中，中心原子的价电子对数为2＋＝3；H2S分子中，中心原子的价电子对数为2＋＝4；SO2分子中，中心原子的价电子对数为2＋＝3；SO3分子中，中心原子的价电子对数为3＋＝3，B项符合题意。 3．(2023·广东顺德第一中学期中)根据VSEPR理论判断下列各组分子或离子空间结构相同的是(　　) A．SO2和CO2 B．BF3和NH3 C．PH3和H2S D．CCl4和NH 答案　D 解析　CO2中心原子价电子对数为2＋＝2，中心C原子为sp杂化，为直线形分子，SO2中心原子价电子对数为2＋＝3，中心S原子为sp2杂化，有孤电子对，为角形分子，故A不选；同理得，BF3为三角形分子，NH3为三角锥形分子，故B不选；PH3为三角锥形分子，H2S为角形分子，故C不选；CCl4为正四面体形分子，NH也为正四面体形分子，故D选。 4．下列说法正确的是(　　) A．CO2分子的空间结构为角形 B．ClO的空间结构为平面三角形 C．SF6中每个原子均满足最外层8电子稳定结构 D．SiF4和SO的中心原子均无孤电子对 答案　D 解析　CO2分子中碳原子形成2个σ键，孤电子对数为0，应为直线形分子，故A错误；ClO中氯原子形成3个σ键，孤电子对数为＝1，空间结构为三角锥形，故B错误；SF6中硫原子最外层电子数为6＋6＝12，故C错误；SiF4分子中硅原子形成4个σ键，孤电子对数为0，硅原子发生了sp3杂化，SO中硫原子形成4个σ键，孤电子对数为＝0，故D正确。 5．X射线衍射测定发现，I3AsF6中存在I。该I的空间结构为(　　) A．直线 B．角形 C．四面体形 D．三角锥形 答案　B 解析　I中以1个碘为中心原子，则中心原子价电子对数为2＋＝4，中心原子采用sp3杂化，且含有2对孤电子对，所以是角形结构。 6．有X、Y两种活性反应中间体微粒，均含有1个碳原子和3个氢原子，其球棍模型如图所示： 　 下列说法错误的是(　　) A．X的组成为CH B．Y的组成为CH C．X的价电子对数为4 D．Y中键角小于120° 答案　C 解析　由图可知，X为平面三角形结构，其碳原子应该有三对价电子对，其组成为CH，A项正确、C项错误；Y为三角锥形结构，其碳原子有四对价电子对，故其组成为CH，键角比120°小，B、D项正确。 题组二　等电子原理 7．下列不互为等电子体的是(　　) A．N2和CO B．CO2和N2O C．PH3和HCl D．H2S和H2O 答案　C 解析　A项，N2和CO均为双原子分子，且均有10个价电子，互为等电子体；B项，CO2和N2O均为三原子分子，且均有16个价电子，互为等电子体；C项，PH3和HCl分子中所含原子数不同，不互为等电子体；D项，H2S和H2O均为三原子分子，价电子数均为8，互为等电子体。 8．下列几组微粒互为等电子体的是(　　) ①SO和PO　②NO＋和C　③CO2和CS2　④N2O和BeCl2　⑤BF3和SO3 A．仅①②③ B．仅④⑤ C．仅①③④ D．①②③④⑤ 答案　D 解析　等电子体具有两个明显特征：一是原子总数相等，二是价电子总数相等。①～⑤组微粒的原子总数分别相等，其中①SO和PO的价电子总数均为26，②NO＋和C的价电子总数均为10，③CO2和CS2的价电子总数均为16，④N2O和BeCl2的价电子总数均为16，⑤BF3和SO3的价电子总数均为24，故D项正确。 9．根据等电子原理，下列各组分子或离子的空间结构不相似的是(　　) A．NO和CO B．NH和CH4 C．H3O＋和NH3 D．CO2和H2O 答案　D 解析　D项中，CO2分子和H2O分子原子总数相等，价电子总数前者为16，后者为8，二者不互为等电子体，则空间结构不相似。 10．CH、—CH3(甲基)、CH都是重要的有机反应中间体，有关它们的说法正确的是(　　) A．它们均由甲烷去掉一个氢原子所得 B．它们互为等电子体，碳原子均采取sp3杂化 C．CH与NH3、H3O＋互为等电子体，空间结构均为三角锥形 D．CH中的碳原子采取sp3杂化，所有原子均共面 答案　C 解析　甲烷分子变成CH、—CH3、CH时，失去的分别是氢负离子、氢原子和质子，空间结构也不再与原来的分子相同，故A错误；CH、—CH3、CH分别具有6个、7个和8个价电子，价电子数不相同，不互为等电子体，故B错误；CH与NH3、H3O＋均具有8个价电子，互为等电子体，微粒中中心原子含有1对孤电子对和3对成键电子对，空间结构均为三角锥形，故C正确；CH中的碳原子采取sp2杂化，为平面结构，所有原子均共面，故D错误。 11．用分子结构的知识推测下列说法正确的是(　　) A．CO2、BeCl2互为等电子体，分子均为直线形 B．Na2CO3中，阴离子的空间结构为三角形，C原子的杂化形式为sp3 C．根据价电子对互斥理论，SO2与H2O均呈角形，中心原子价电子对数相等 D．三氧化硫有单分子气体和三聚分子固体()两种存在形式，两种形式中S原子的杂化轨道类型相同 答案　A 解析　CO2、BeCl2价电子总数都是16，分子中的原子总数都为3，互为等电子体，价电子对数为2，孤电子对数为0，分子均为直线形，A正确；CO中心原子碳原子的孤电子对数为0，价电子对数是3，空间结构是三角形，碳原子杂化方式是sp2，B项错误；H2O的中心原子是O，价电子对数是4，有孤电子对，呈角形，SO2的中心原子是S，价电子对数是3，有孤电子对，呈角形，C项错误；SO3的空间结构是三角形，硫原子杂化方式是sp2，而三聚分子固体中硫原子杂化方式是sp3，D项错误。 12．我国科学家成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)，经X射线衍射测得化合物R的晶体结构，其局部结构如图所示。从结构角度分析，R中两种阳离子不同之处为(　　) A．电子总数 B．中心原子的价电子对数 C．空间结构 D．共价键类型 答案　C 解析　H3O＋和NH均含有10个电子，A不符合题意；H3O＋的中心原子O的价电子对数为3＋＝4，NH的中心原子N的价电子对数为4＋＝4，即两种离子的中心原子的价电子对数相同，B不符合题意；由B项分析可知，H3O＋的中心原子O的价电子对数为4，采取sp3杂化，含有1对孤电子对，其空间结构为三角锥形，NH的中心原子N的价电子对数为4，采取sp3杂化，无孤电子对，其空间结构为正四面体形，即两种离子的空间结构不同，C符合题意；H3O＋和NH都含有极性共价键，D不符合题意。 13．(1)写出一种与SO互为等电子体的分子的化学式：______。 (2)已知CO2为直线形结构，SO3为平面正三角形结构，NF3为三角锥形结构，请推测COS、CO、PCl3的空间结构：______________________________________________________ ____________________________________________________________________________。 答案　(1)CCl4(或SiCl4，答案合理均可) (2)COS为直线形结构；CO为平面正三角形结构；PCl3为三角锥形结构 解析　(1)与SO互为等电子体的分子有CCl4、SiCl4等。(2)COS与CO2互为等电子体，其结构与CO2相似，所以其为直线形结构；CO与SO3互为等电子体，其结构与SO3相似，所以CO为平面正三角形结构；PCl3与NF3互为等电子体，其结构与NF3相似，所以PCl3为三角锥形结构。 14．(1)肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。NH3分子的空间结构是________；N2H4分子中氮原子的杂化轨道类型是________。 (2)H＋可与H2O形成H3O＋，H3O＋中氧原子采用__________杂化。H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大，原因为_________________________________________________ ______________________________________________________________________________。 (3)PO的空间结构是________，其中磷原子的杂化轨道类型是________。 答案　(1)三角锥形　sp3 (2)sp3　H2O中氧原子有2对孤电子对，H3O＋中氧原子只有1对孤电子对，排斥力较小 (3)正四面体形　sp3 解析　(3)PO的中心原子磷的成键电子对数为4，无孤电子对，为正四面体形结构，中心原子采用sp3杂化。 15．N、O、S、Cl、Cu五种元素的单质及其化合物在现代工业生产中有着广泛应用。请回答下列问题： (1)第一电离能：N________(填“>”或“<”，下同)O，电负性：S________Cl。 (2)前四周期元素中，未成对电子数为5的元素符号是________。 (3)SO3的空间结构是________，分子中的大π键可用符号Π表示，其中m代表参与形成的大π键原子数，n代表参与形成大π键的电子数(如苯分子中的大π键可表示为Π)，则SO3分子中的大π键应表示为________。 (4)亚硒酸根离子(SeO)的VSEPR模型为______。 (5)与NO互为等电子体的微粒有________(任写两种)。 答案　(1)>　<　(2)Mn　(3)平面正三角形　Π　(4)四面体形　(5)BF3、SO3(合理即可) 解析　(1)N、O位于同一周期相邻位置，N原子的2p能级电子数达到了半满结构，比较稳定，则第一电离能：N>O，元素的电负性与非金属性有关，非金属性越强，电负性越大，则电负性：S<Cl。 (2)前四周期元素中，未成对电子数为5的元素的价电子排布为3d54s2，元素符号为Mn。 (3)SO3的中心原子为S原子，形成3个σ键，孤电子对数为×(6－3×2)＝0，则空间结构为平面正三角形，SO3中S原子形成3个σ键，还有3个电子，3个氧原子有3个电子，形成4原子6电子的大π键，应表示为Π。 (4)SeO的中心原子为Se，形成3个σ键，孤电子对数为×(6－3×2＋2)＝1，则VSEPR模型为四面体形。 (5)NO为含四个原子的离子，价电子总数为24，与NO互为等电子体的微粒有BF3、SO3等。 16．短周期元素D、E、X、Y、Z的原子序数逐渐增大，它们的最简单氢化物分子的空间结构依次是正四面体形、三角锥形、正四面体形、角形、直线形。回答下列问题： (1)Z的氢化物的结构式为________，HZO分子的中心原子价电子对数的计算式为__________________________________，该分子的空间结构为____________。 (2)Y的价电子排布式为__________，Y的最高价氧化物的VSEPR模型为________________。 (3)X与Z形成的最简单化合物的化学式是________________，该分子中的键角是________。 (4)D、E的最简单氢化物的分子空间结构分别是正四面体形与三角锥形，这是因为______(填字母)。 a．两种分子的中心原子的价电子对数不同 b．D、E的非金属性不同 c．E的氢化物分子中有一对孤电子对，而D的氢化物分子中没有 答案　(1)H—Cl　2＋×(6－1×1－1×1)　角形　(2)3s23p4　三角形　(3)SiCl4　109°28′　(4)c 解析　由题意可推出D、E、X、Y、Z分别为C、N、Si、S、Cl。(1)HClO中氧原子是中心原子，其价电子对数＝2＋×(6－1×1－1×1)＝4，所以HClO分子的空间结构为角形。(2)SO3中硫原子的价电子对数为3，VSEPR模型为三角形。(3)SiCl4是正四面体形结构，键角为109°28′。(4)CH4、NH3的中心原子价电子对数均为4，分子空间结构不同的根本原因是NH3分子中有孤电子对而CH4分子中没有，分子空间结构与元素的非金属性强弱无关。 学科网（北京）股份有限公司 $$