第2章 第2节 第1课时 分子结构的测定和多样性　价层电子对互斥模型（讲义及解析）-2024-2025学年高二下学期化学选择性必修2（人教版2019）

Chemistry 不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海 分子结构的测定和多样性　价层电子对互斥模型 ( 钠及其化合物 ) 一、分子结构的测定 1．分子结构的现代测定方法 红外光谱、质谱法(测定分子的相对分子质量)、晶体X射线衍射等。 2．红外光谱 (1)原理 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。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可分析出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 (3)实例 如乙醇的红外光谱： 读谱：该有机物分子中有3种不同的化学键，分别是C—H、O—H、C—O。 红外光谱图分析吸收峰与谱图库对比推断分子所含的官能团和化学键。 3．相对分子质量的确定——质谱法 (1)原理 现代化学常利用质谱仪测定分子的相对分子质量。它的基本原理是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)实例： 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。 【课堂小练1】 1.某有机物A的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示,则A的结构简式为( ) A. CH3CH2OCH2CH3 B.CH3OCH2CH2CH3 C.CH3CH2CH2OCH3 D.(CH3)2CHOCH3 2.下列说法中不正确的是( ) 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．CH3CH2OH的红外光谱图中显示含有C-H、C-O、O-H等键 C．质谱仪的基本原理是在质谱仪中使分子得到电子变成分子离子和碎片离子等粒子 D．化学家根据质谱图中最大质荷比推测被测物的相对分子质量 二、多样的分子空间结构 1．三原子分子 化学式 电子式 结构式 键角 空间结构 空间结构名称 CO2 O==C==O 180° 直线形 H2O 105° V形 2．四原子分子 化学式 电子式 结构式 键角 空间结构 空间结构名称 CH2O 约120° 平面三角形 NH3 107° 三角锥形 3．五原子分子 化学式 电子式 结构式 键角 空间结构 空间结构名称 CH4 109°28′ 正四面体形 CCl4 109°28′ 正四面体形 4．其他多原子分子的空间结构 【思考交流1】 1．四原子分子都是平面三角形或三角锥形吗？ 2．空间结构相同的分子，其键角完全相同吗？ 【课堂小练2】 1．正误判断 (1)所有的三原子分子都是直线形结构(　　) (2)五原子分子的空间结构都是正四面体(　　) (3)正四面体形的键角均为109°28′(　　) (4)SiCl4、SiH4、NH、CH3Cl均为正四面体结构(　　) (5)SF6分子的空间结构为正八面体形(　　) 2.下列分子的空间结构是正四面体形的是( ) ①CH4 ②NH3 ③CF4 ④SiH4 ⑤C2H4 ⑥CO2 A.①②③ B.①③④ C.①③⑤ D.②④⑤ 3.下列物质中,分子的空间结构与氨分子相似的是( ) A.CO2 B.H2S C.PCl3 D.SiCl4 4.能说明CH4分子不是平面四边形，而是正四面体结构的是__________(填字母)。 A.两个键之间的夹角为109°28′ B.C—H为极性共价键 C.4个C—H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) 三、价层电子对互斥模型 1．价层电子对互斥模型(VSEPR ) 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采取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，就有几个σ键电子对。如H2O分子中，O有2个σ键电子对，NH3分子中，N有3个σ键电子对。 (3)中心原子上的孤电子对数的计算 ①中心原子上的孤电子对数＝(a－xb) ⅰ.a表示中心原子的价电子数。具体情况如下表所示： 对象 公式 主族元素 a＝原子的最外层电子数 阳离子 a＝中心原子的价电子数－离子的电荷数 阴离子 a＝中心原子的价电子数＋离子的电荷数(绝对值) ⅱ.x表示与中心原子结合的原子数。 ⅲ.b表示与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。 对象 公式 H b＝1 其他原子 b＝8－该原子的价电子数 ②几种常见分子或离子的中心原子上的孤电子对数如下表所示： 分子或离子 中心原子 a x b 中心原子上的孤电子对数 SO2 S 6 2 2 1 NH3 N 5 3 1 1 NH N 5－1＝4 4 1 0 CO C 4＋2＝6 3 2 0 3.价层电子对的空间结构(即VSEPR模型) 4．VSEPR模型的应用——预测分子或离子空间结构 (1)基本思路 对于ABn型分子，利用VSEPR模型推测分子或离子空间结构的思路如下： (2)具体实例 ①中心原子不含孤电子对 分子或离子 中心原子的价层电子对数 VSEPR模型及名称 分子或离子的空间结构及名称 CO2 2 直线形 直线形 CO 3 平面三角形 平面三角形 CH4 4 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 中心原子的价层电子对数 中心原子的孤电子对数 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 V形 H3O＋ 4 1 四面体形 三角锥形 SO2 3 1 平面三角形 V形 4．孤电子对对键角影响的理论解释 (1)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，如：CH4、NH3和H2O分子中的键角依次减小 (2)中心原子上有孤电子对(价电子中未参加形成共价键的电子对)，会占据中心原子周围空间，与成键电子互相排斥，使分子的空间结构发生变化，键角也相应变化。如：H2O和H2S的VSEPR构型为四面体形，有两个成键电子对和孤电子对。氧的半径比硫要小，氧的孤电子对对成键电子排斥力力度更大，所以H2O的键角会比H2S要大。 四．等电子原理 性质 分子 原子数 价电子数 立体构型 沸点/℃ 熔点/℃ 液体密度/ g·cm－3 N2 2 10 直线形 －195.81 －210.00 0.796 CO 2 10 直线形 －191.49 －205.05 0.793 结论 CO分子和N2分子具有相同的原子总数、相同的价电子数，其性质相近 1.等电子体的概念：原子总数相同，价电子总数也相同的微粒。 如：CO和N2，CH4和NH4+ 2.等电子原理：等电子体具有相似的化学键特征，它们结构相似，物理性质相近，但化学性质不相同，此原理称为等电子原理 3.等电子体的寻找方法：原子总数相同、价电子总数相同的粒子互为等电子体，根据等电子体定义，寻找等电子体的常用方法就是换原子 ①技巧一(竖换——同族替换) 换同族原子(同族原子价电子数相同) 以寻找NH3的等电子体为例 NH3PH3、AsH3 ②方法二(横换——左右移位) 换相邻族的原子，这时价电子发生变化，再通过得失电子使价电子总数相等 以寻找CO的等电子体为例 COCN—，CN—C22— CON2 【思考交流2】 1．价层电子对的VSEPR模型与分子的空间结构一定一致吗？什么时候一致？ 2．试解释CH4键角(109°28′)、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的原因。 【课堂小练3】 1．正误判断 (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的分子组成相似，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)根据价层电子对互斥模型可以判断H3O＋与NH3的分子(或离子)的空间结构一致(　　) 2.用价层电子对互斥模型可以预测许多分子或离子的空间构型，也可推测键角大小，下列判断正确的是( ) A．PCl3为平面三角形 B．SO3与CO32-为平面三角形 C．SO2键角大于120° D．BF3是三角锥形分子 3.用价层电子对互斥理论预测H2S和BF3的立体结构，两个结论都正确的是(　　) A．直线形；三角锥形 B．V形；三角锥形 C．直线形；平面三角形 D．V形；平面三角形 【课时对点练习】 题组一　分子结构的测定 1．TBC的一种标准谱图如图所示，它是(　　) A．核磁共振氢谱 B．质谱 C．红外光谱 D．紫外光谱 2．已知某分子质谱图如图所示，且分子的红外光谱信息中含有C—O、C—H、O—H的吸收峰。下列关于其分子结构的叙述正确的是(　　) A．该分子的结构为CH3CH2OH B．该分子的相对分子质量可能为27、31、45 或46 C．该分子的结构为CH3—O—CH3 D．该分子的红外光谱和质谱都可以全面反映分子结构的信息 题组二　多样的分子空间结构 3.下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是(　　) A．键角为180°的分子，空间结构是直线形 B．键角为120°的分子，空间结构是平面三角形 C．键角为60°的分子，空间结构可能是正四面体形 D．键角为90°~109°28'之间的分子，空间结构可能是V形 4．H2O2的结构式为H—O—O—H，下列有关H2O2的说法正确的是(　　) A．分子呈直线形 B．分子呈三角锥形 C．分子呈V形 D．分子中只有σ键，没有π键 5.下列分子的空间结构模型正确的是( ) A．CO2的空间结构模型： B．H2O的空间结构模型： C．NH3的空间结构模型： D．CH4的空间结构模型： 题组三　价层电子对互斥模型及应用 6.用价层电子对互斥模型可以预测许多分子或离子的空间构型，也可推测键角大小，下列判断正确的是( ) A．PCl3为平面三角形 B．SO3与CO32-为平面三角形 C．SO2键角大于120° D．BF3是三角锥形分子 7.下列分子或离子中，中心原子含有孤电子对的是( ) A．PCl5 B．NO C．SiCl4 D．PbCl2 8.有关NH3分子的结构分析正确的是(　　) A．中心原子孤电子对数为0，分子为平面三角形，键角为120° B．中心原子孤电子对数为0，分子为三角锥形，键角为107° C．中心原子孤电子对数为1，分子为三角锥形，键角为107° D．中心原子孤电子对数为1，分子为平面三角形，键角为109°28′ 9.用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．PCl3分子中三个共价键的键能、键长、键角都相等 B．NH3、PH3、AsH3键角由大到小的顺序为AsH3＞PH3＞NH3 C．CO2分子的键角是120° D．PCl3、PCl5都是三角锥形的分子 10.硒(Se)是第ⅥA族元素，则SeS3的分子构型是( ) A．正四面体形 B．V形 C．三角锥形 D．平面三角形 11．下列说法正确的是(　　) A．NO2、BF3、NCl3分子中没有一个分子中原子的最外电子层都满足8电子稳定结构 B．SO2的VSEPR模型与分子的空间结构相同 C．NH的电子式为，离子呈平面正方形结构 D．NH3分子中有一个孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强 12．下列各组微粒的空间结构相似的是( ) A．SO2与O3 B．CO2与NO2 C．NO3-与SO32- D．PCl3与PCl5 13．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、V形、直线形。回答下列问题： (1)Z的氢化物的结构式为____________，HZO分子的中心原子价层电子对数的计算式为________________________________________________________________________， 该分子的空间结构为____________________。 (2)Y的价层电子排布为__________，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层电子对数不同 b．D、E的非金属性不同 c．E的氢化物分子中有一个孤电子对，而D的氢化物分子中没有 14．完成下列问题。 (1)H2O的键角小于NH3的键角，分析原因_______。 (2)Xe是第五周期的稀有气体元素，与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为_______；OF2分子的空间构型为_______。 (3)磷酸根离子的空间构型为_______，其中P的价层电子对数为_______。 15．20世纪50年代科学家提出价层电子对互斥模型(简称VSEPR模型)，用于预测简单分子的空间结构。其要点可以概括： Ⅰ.用AXnEm表示只含一个中心原子的分子组成，A为中心原子，X为与中心原子相结合的原子，E为中心原子最外层未参与成键的电子对(称为孤电子对)，(n＋m)称为价层电子对数。分子中的价层电子对总是互相排斥，均匀地分布在中心原子周围的空间； Ⅱ.分子的空间结构是指分子中的原子在空间中的排布，不包括中心原子未成键的孤电子对； Ⅲ.分子中价层电子对之间的斥力主要顺序为 ⅰ.孤电子对之间的斥力>孤电子对与共用电子对之间的斥力>共用电子对之间的斥力； ⅱ.双键与双键之间的斥力>双键与单键之间的斥力>单键与单键之间的斥力； ⅲ.X原子得电子能力越弱，A—X形成的共用电子对之间的斥力越强； ⅳ.其他。 请仔细阅读上述材料，回答下列问题： (1)根据要点Ⅰ可以画出AXnEm的VSEPR理想模型，请填写下表： n＋m 2 VSEPR理想模型 正四面体形 价层电子对之间的理想键角 109°28′ (2)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因：________________________________。 (3)H2O分子的空间结构为________，请你预测水分子中∠H—O—H的大小范围并解释原因： _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________。 (4)SO2Cl2和SO2F2都属AX4E0型分子，S与O之间以双键结合，S与Cl、S与F之间以单键结合。请你预测SO2Cl2和SO2F2分子的空间结构：________________，SO2Cl2分子中∠Cl—S—Cl________(填“<”“>”或“＝”)SO2F2分子中∠F—S—F。 【参考答案】 【课堂小练1】 1.【答案】A 【解析】红外光谱图中显示存在对称的甲基、对称的亚甲基和醚键,可得分子的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。 2.【答案】C 【解析】质谱仪的基本原理是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，C项错误。 【思考交流1】 1.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.不一定，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′。 【课堂小练2】 1.答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　 2.【答案】B 【解析】CH4、CF4、SiH4分子的空间结构都是正四面体形,而NH3是三角锥形,CO2是直线形,C2H4是平面形分子。 3.【答案】C 【解析】氨分子是三角锥形，CO2是直线结构,H2S分子是V形，PCl3是三角锥形，SiCl4是正四面体形。 4.【答案】AD 【解析】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；若为前者，则键角为90°，CH2Cl2有两种： 和；若为后者，则键角为109°28′，CH2Cl2只有一种。 【思考交流2】 1.不一定一致。中心原子有孤电子对时，二者结构不一致；当中心原子无孤电子对时，二者结构一致。 2.CH4分子中C原子没有孤电子对，NH3分子中N原子上有1个孤电子对，H2O分子中O原子上有2个孤电子对，对成键电子对的排斥作用增大，故键角依次减小。 【课堂小练3】 1.答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√ 2.【答案】B 【解析】PCl3分子中，P原子的价层电子对数为3+×(5-3×1)=4，含有1个孤电子对，分子应为三角锥形，A项错误；SO3和CO32-中S和C的价层电子对数均为3，中心原子无孤电子对，微粒结构均为平面三角形，B项项正确；SO2的中心原子为硫原子，其价层电子对数为2+×(6-2×2)=3，有1个孤电子对，孤电子对对两个成键电子对的斥力大，键角小于120°，C项错误；BF3的中心原子为B原子，其价层电子对数为3+×(3-3×1)=3，无孤电子对，空间结构为平面三角形，D项错误。 3.【答案】D 【解析】H2S与H2O类似，中心原子S上有2对孤电子对，为了减小孤电子对的排斥作用，只能将H和孤电子对相间排列，H2S分子构型呈V形；BF3分子的中心原子B上无孤电子对，当分子构型呈平面三角形时，成键电子对之间的斥力最小，分子最稳定，D项正确。 【课时对点练习】 1.答案　C 2.答案　A 解析　题中分子的相对分子质量为46，B错误；从该分子的红外光谱信息可知，分子中有羟基，A正确、C错误；质谱只能反映分子相对分子质量信息，不能全面反映分子结构的信息，D错误。 3.【答案】B 【解析】键角为180°的分子，空间结构是直线形，例如CO2是直线形分子，A正确；苯分子的键角为120°，但其空间结构是平面正六边形，B错误；白磷分子的键角为60°，空间结构为正四面体形，C正确；水分子的键角为105°，空间结构为V形，D正确。 4.答案　D 解析　H2O2的结构式为H—O—O—H，两个H—O、一个O—O均为σ键，没有π键，故D正确；以氧原子为中心的三个原子呈V形结构，H2O2中相当于有两个V形结构，呈半开的“书页型”，故不可能呈直线形、三角锥形或V形，故A、B、C不正确。 5.【答案】D 【解析】CO2的空间结构为直线形，A项错误；H2O的空间结构为V形，B项错误；NH3的空间结构为三角锥形，C项错误；CH4的空间结构为正四面体形，D项正确。 6.【答案】B 【解析】PCl3分子中，P原子的价层电子对数为3+×(5-3×1)=4，含有1个孤电子对，分子应为三角锥形，A项错误；SO3和CO32-中S和C的价层电子对数均为3，中心原子无孤电子对，微粒结构均为平面三角形，B项项正确；SO2的中心原子为硫原子，其价层电子对数为2+×(6-2×2)=3，有1个孤电子对，孤电子对对两个成键电子对的斥力大，键角小于120°，C项错误；BF3的中心原子为B原子，其价层电子对数为3+×(3-3×1)=3，无孤电子对，空间结构为平面三角形，D项错误。 7.【答案】D 【解析】A项，PCl5中心原子碳原子孤电子对个数=(5-5×1)=0，没有孤对电子，故A不选；B项，NO3-中心原子碳原子孤电子对个数=(5+1-3×2)=0，没有孤对电子，故B不选；C项，SiCl4中心原子碳原子孤电子对个数=(4-4×1)=0，没有孤对电子，故C不选；D项，PbCl2中心原子碳原子孤电子对个数=(4-2×1)=1，有孤对电子，故D选；故选D。 8.【答案】C 【解析】N原子上的孤电子对数＝(5－3×1)＝1，NH3为三角锥形。 9.【答案】A 【解析】PCl3是三角锥形的分子，其结构类似于氨气，分子中三个共价键的键能、键长、键角都相等，A项正确；NH3、PH3、AsH3中中心原子都是sp3杂化，都有1个孤电子对，NH3分子的中心原子N的电负性最大，成键电子对距离中心原子最近，键角最大，键角由大到小的顺序为NH3＞PH3＞AsH3，B项错误；CO2是直线形分子，键角是180°，C项错误；PCl3是三角锥形的分子，PCl5分子中中心原子的价层电子对数，没有孤电子对，是三角双锥形结构，D项错误。 10.【答案】D 【解析】SeS3中的Se原子呈＋6价，Se原子的价层电子对全部用于形成共价键，Se周围有3个硫原子，故其分子构型为平面三角形，D项正确。 11.答案　D 解析　NCl3分子原子的最外电子层都满足8电子稳定结构，故A错误；NH呈正四面体形结构，故C错误；分子中，孤电子对对成键电子对的排斥力大于成键电子对间的排斥力，所以NH3分子中的孤电子对对成键电子对的排斥作用较强，故D正确。 12.【答案】A 【解析】A项，SO2分子中S原子价层电子对数=2+=3且含有1个孤电子对，则SO2的空间结构为V形，O3与SO2互为等电子体，空间结构相似，均为V形，故A正确；B项，CO2中C原子价层电子对数=2+=2且不含孤电子对，为直线形结构，NO2分子中N原子价层电子对数=2+=3且含有1个孤电子对，则NO2的空间结构为V形，故B错误；C项，NO3-中心原子N的价层电子对数为3+=3，无孤电子对，其空间结构为平面三角形，SO32-中S原子价层电子对数=3+=3且含有1个孤电子对，空间结构为三角锥形，故C错误；D项，PCl3中心原子价层电子对数为：=4，有1对孤电子对，为三角锥形结构，PCl5的价电子对数为：5+=5，不含有孤电子对，其分子的空间构型为三角双锥形，故D错误；故选A。 13.答案　(1)H—Cl　2＋×(6－1×1－1×1)　V形　(2)3s23p4　平面三角形　(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。 14.【答案】(1)NH3中N原子含有1对孤对电子，而H2O中O原子含有2对孤对电子，H2O中的孤对电子对成键电子对的排斥作用较大 (2) 5     V形 (3) 正四面体形     4 15.答案　(1)4　直线形　180° (2)CO2属AX2E0，n＋m＝2，故为直线形 (3)V形　H2O属AX2E2，n＋m＝4，VSEPR理想模型为正四面体形，价层电子对之间的夹角应均为109°28′，根据Ⅲ中的ⅰ，应有∠H—O—H<109°28′ (4)四面体形　> ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$