2.2 分子的空间结构 课件 2024-2025学年高二下学期化学人教版选择性必修2

第二章　分子结构与性质 第二节 1课时 分子的空间结构 　任务一:分子结构的测定 【思考】阅读P41总结测定分子结构的现代仪器和方法？ 早年的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。 红外光谱、晶体X射线衍射等 红外光谱仪 2 　任务一:分子结构的测定 【思考】 红外光谱测定原理？ 分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着的。分子的空间结构是分子中的原子处于平衡位置时的模型。 分子振动需要能量，当红外线透过分子时，分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线，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，可以得知分子中含有何种化学键或官能团的信息。 3 通过红外光谱图，发现未知物中含有O-H、C-H和C-O的振动吸收，可初步推测该未知物中含有羟基。 化学式：C2H6O 乙醇 CH3CH2OH 二甲醚 CH3OCH3 　任务一:分子结构的测定 【思考】 红外光谱测定原理？ 4 纵坐标表示相对丰度，横坐标表示粒子的相对质量与其电荷数之比（m/z），简称荷质比，化学家通过分析得知，被测物的相对分子质量是92，该物质是甲苯。 　任务一:分子结构的测定 【思考】 质谱图测定原理？ 　任务二:多样的分子空间结构 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。 物质 化学式 空间结构 结构式 键角 空间结构模型 二氧化碳 CO2 180° 水 H2O 105° 三原子分子的空间构型 直线形 V形 6 　任务二:多样的分子空间结构 四原子分子的空间构型 物质 化学式 空间结构 结构式 键角 空间结构模型 甲醛 CH2O 120° 氨 NH3 107° 平面三角形 三角锥形 7 　任务二:多样的分子空间结构 五原子分子的空间构型 物质 化学式 空间结构 结构式 键角 空间结构模型 甲烷 CH4 109°28′ 四氯化碳 CCl4 109°28′ 正四面体形 正四面体形 8 分子的立体构型与键角的关系： 分子类型 键角 立体构型 实例 AB2 180° CO2、BeCl2、CS2 <180° H2O、H2S AB3 120° BF3、BCl3 <120° NH3、H3O＋、PH3 AB4 109°28′ CH4、NH4+、CCl4 直线形 V形 平面三角形 三角锥形 正四面体形 　任务二:多样的分子空间结构 9 　任务三:价层电子对互斥理论 【思考】为什么三原子分子CO2和H2O、四原子分子NH3和CH2O空间结构不同？ 价层电子对互斥模型(VSEPR)：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。 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电子对。 σ键电子对可由化学式确定 分子 中心原子 共价键 键数 键电子对数 H2O O O－H 2 NH3 N N－H 3 SO3 S S=O 2 2 3 2 σ键电子对数＝结合原子数 10 中心原子上的价层电子对数的计算 其中：a表示中心原子的价电子数 对主族元素：a＝　　　　　　； 对于阳离子：a＝　　　　－　　　　； 对于阴离子：a＝　　　　＋　　　　。 x为与中心原子结合的 。 b为与中心原子结合的原子 ， H为1，其他原子= 。 价电子数 原子数 最多能接受的电子数 8﹣该原子的价电子数 最外层电子数 电荷数 价电子数 电荷数 　任务三:价层电子对互斥理论 计算H2O、NH3、SO3、NH4+、CO32－分子的孤电子对数。 方法二：根据电子式/结构式直接确定 方法1：根据公式计算 11 　任务三:价层电子对互斥理论 价层电子对数 正四面体 平面三角形 直线形 2 3 4 VSEPR模型 　任务三:价层电子对互斥理论 根据价层电子对互斥模型判断分子的空间构型 对于ABn型分子，利用VSEPR模型预测分子空间结构的思路： VSEPR模型 分子立体构型 σ键电子对数＋孤电子对数＝价层电子对数 价层电子对互斥模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子 13 分子或离子 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR模型名称 分子或离子的立体构型 CO2 SO2 CO32- H2O NH3 CH4 NH4+ 0 2 直线形 直线形 1 3 平面三角形 V形 0 3 平面三角形 平面三角形 2 4 正四面体 V形 1 4 正四面体 三角锥形 0 4 正四面体 正四面体 0 4 正四面体 正四面体 　任务三:价层电子对互斥理论 14 【思考】H2O、NH3的键角分别是105°、107°，请解释原因。 H2O、NH3的价层电子对均为4，H2O、NH3的的孤电子对分别为2、1，分子中电子对之间的斥力大小顺序：孤电子对-孤电子对＞孤电子对-成键电子对 ＞成键电子-成键电子，故H2O、NH3的键角分别是105°、107°。 　任务三:价层电子对互斥理论 15 【思考】 　任务四:杂化轨道理论 写出碳原子的核外电子排布图 思考为什么碳原子与氢原子结合形 成CH4，而不是CH2 ？ 当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂时保持轨道总数不变，却得到4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的4个顶角，夹角109°28'，称为sp3杂化轨道，表示这4个轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。 当碳原子跟4个氢原子结合时，碳原子以4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C-H σ键，因此呈正四面体形的空间结构。 16 杂化轨道理论 杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。 轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。 杂化轨道：原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。 轨道杂化的过程：激发→杂化→轨道重叠。 　任务四:杂化轨道理论 17 杂化轨道理论要点 原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。 杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。 杂化前后原子轨道数目不变（参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目），且杂化轨道的能量相同。 原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。 杂化轨道用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道可用于形成π键。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化类型。 杂化轨道数=中心原子的价层电子数=中心原子上的孤电子对数+与中心原子结合的原子数。 　任务四:杂化轨道理论 18 x y z x y z z x y z x y z 109°28′ sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个np轨道杂化而得。sp3杂化轨道的夹角为109°28′，呈空间正四面体形(如CH4、CF4、CCl4)。 　任务四:杂化轨道理论 1.sp3杂化——CH4分子的形成 　任务四:杂化轨道理论 2.sp2杂化——BF3分子的形成 sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道杂化而得。sp2杂化轨道间的夹角为120°，呈平面三角形(如BF3) sp2杂化后，未参与杂化的一个np轨道可以用于形成π键，如乙烯分子碳碳双键的形成。 x y z x y z z x y z x y z 120° B原子基态电子排布轨道表示式 　任务四:杂化轨道理论 2.sp2杂化——BF3分子的形成 21 x y z x y z z x y z x y z 180° sp杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道杂化而得。sp杂化轨道间的夹角为180°，呈直线形(如BeCl2)。杂化后的2个sp杂化轨道分别与氯原子的3p轨道发生重叠，形成2个σ键，构成直线形的BeCl2分子。 sp杂化后，未参与杂化的两个np轨道可以用于形成π键，如乙炔分子中的C≡C键的形成。 　任务四:杂化轨道理论 3.sp杂化——BeCl2分子的形成 22 Be原子基态电子排布轨道表示式 　任务四:杂化轨道理论 3.sp杂化——BeCl2分子的形成 23 杂化轨道与分子的空间结构的关系 杂化类型 sp sp2 sp3 轨道组成 轨道夹角 杂化轨道示意图 实例 分子的空间结构 1个ns和1个np 1个ns和2个np 1个ns和3个np 180° 120° 109°28′ BeCl2 BeF3 CH4 直线形 平面三角形 正四面体 　任务四:杂化轨道理论 24 【思考】分析CO2、SO2、SO3、H2O、NH3、CH4的杂化轨道类型、VSEPR模型、空间构型，总结VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系。 价电子对数 VSEPR模型 VSEPR模型名称 杂化轨道数 中心原子的杂化轨道类型 分子的空间构型 实例 2 直线形 2 sp 直线形 BeCl2、CO2 3 平面三角形 3 sp2 V形 SO2 3 平面三角形 3 sp2 平面三角形 SO3 4 正四面体形 4 sp3 V形 H2O 4 正四面体形 4 sp3 三角锥形 NH3 4 正四面体形 4 sp3 正四面体形 CH4、CCl4 　任务四:杂化轨道理论 25 　任务四:杂化轨道理论 【思考】NH3和H2O的的中心原子杂化？用杂化轨道理论解释NH3、H2O的空间结构。 sp3杂化 2s 2p 氮原子的3个sp3杂化轨道与3个氢原子的1s原子轨道重叠形成3个N-Hσ键，其中1个sp3杂化轨道中占有孤电子对。 26 根据杂化轨道的立体构型判断:①正四面体形或三角锥形，sp3杂化 ②平面三角形，sp2杂化。③呈直线形，sp杂化。 根据杂化轨道之间的夹角判断: ①若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化； ②若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化；③若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。 根据中心原子的价电子对数判断:中心原子的价电子对数为4，sp3杂化 ;中心原子的价电子对数为3，sp2杂化 ;中心原子的价电子对数为2，sp杂化 ; 根据分子或离子中有无π键及π键数目判断:没有π键为sp3杂化，含1个π键为sp2杂化，含2个π键为sp杂化。 中心原子轨道杂化类型的判断 　任务四:杂化轨道理论 27 【思考】CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3，键角为什么依次减小？从杂化轨道理论的角度比较键角大小时有什么方法？ CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子的孤电子对数依次为0个、1个、2个。 由于孤电子对对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。 比较键角时，先看中心原子杂化类型，杂化类型不同时：一般键角按sp、sp2、sp3顺序依次减小；杂化类型相同时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。 　任务四:杂化轨道理论 28 本节小结 价电子对数 中心原子的杂化轨道类型 VSEPR模型名称 孤电子对数 分子的空间构型 实例 2 sp 直线形 0 直线形 BeCl2、CO2 3 sp2 平面三角形 0 V形 SO2 3 sp2 1 平面三角形 SO3 4 sp3 正四面体形 0 V形 H2O 4 sp3 1 三角锥形 NH3 4 sp3 2 正四面体形 CH4、CCl4 　任务四:杂化轨道理论 29 $