第二章 第二节 第1课时 分子结构的测定和多样性 价层电子对互斥模型（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修2教师用书（人教版 浙苏）

第二节　分子的空间结构 第1课时　分子结构的测定和多样性　价层电子对互斥模型 ［核心素养发展目标］　1.了解分子结构的测定方法。2.通过对典型分子空间结构的学习，认识微观结构对分子空间结构的影响，了解共价分子结构的多样性和复杂性。3.通过对价层电子对互斥模型的探究，建立解决复杂分子结构判断的思维模型。 一、分子结构的测定 　　科学家应用红外光谱、晶体X射线衍射等方法测定分子结构，应用质谱法测定分子的相对分子质量。 1.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 某未知物的红外光谱图： 通过红外光谱图可知，该物质中有C—H、O—H、C—O化学键，并推测可能含有羟基官能团。 2.相对分子质量的确定——质谱法 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。 1.如图所示是某分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物可能为 (　　) A.CH3COOCH2CH3 B.CH3CH2CH2COOH C.HCOOCH2CH2CH3 D.(CH3)2CHCH2COOH 答案　A 解析　该物质分子中至少含有两个甲基，且不对称，含有碳氧双键和碳氧单键。A项，CH3COOCH2CH3分子中存在不对称—CH3、C—O—C和C==O，且分子式为C4H8O2，正确；B项，CH3CH2CH2COOH分子中含有1个—CH3，且不存在C—O—C，错误；C项，HCOOCH2CH2CH3分子中只含有1个—CH3，错误；D项，(CH3)2CHCH2COOH分子中存在对称—CH3，不存在C—O—C，且含有5个碳原子，错误。 2.如图是有机物A的质谱图，则A的相对分子质量是 (　　) A.29　　　　　B.43　　　　　C.57　　　　　D.72 答案　D 解析　由有机物A的质谱图可以看出，最大质荷比为72，故A的相对分子质量为72。 二、多样的分子空间结构 观察下列几种简单的分子的空间结构模型。 化学式 电子式 结构式 键角 分子的空间结构 三原子分子 CO2 O==C==O 180° 直线形 H2O H 105° V形(角形) 四原子分子 BF3 120° 平面正三 角形 NH3 H 107° 三角锥形 CH2O 120° 平面三角形 五原子分子 CH4 H 109°28' 正四面体形 CH3Cl — 四面体形 四原子分子都是平面三角形或三角锥形吗？ 提示　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。 1.正误判断 (1)所有的三原子分子都是直线形结构 (　　) (2)正四面体形的键角均为109°28' (　　) (3)SiCl4、SiH4、N、CH3Cl均为正四面体结构 (　　) (4)SF6分子的空间结构为正八面体形 (　　) (5)椅式C6H12比船式C6H12稳定 (　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√ 2.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 答案　B 解析　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。 3.(1)硫化氢(H2S)分子中，两个H—S的夹角接近90°，说明H2S分子的空间结构为　　　　。  (2)二硫化碳(CS2)分子中，两个C==S的夹角是180°，说明CS2分子的空间结构为　　　　。  (3)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) 答案　(1)V形　(2)直线形　(3)ad 解析　(3)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。 几种常见分子的空间结构 (1)常见的空间结构为直线形的分子有BeCl2、HCN、C2H2、CO2等。 (2)常见的空间结构为V形的分子有H2O、H2S、SO2等。 (3)常见的空间结构为平面三角形的分子有BF3、SO3、HCHO等。 (4)常见的空间结构为三角锥形的分子有PH3、PCl3、NH3等。 (5)常见的空间结构为正四面体形的分子有CH4、CCl4、SiH4、SiF4等；是四面体形但不是正四面体形的有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等。 三、价层电子对互斥模型 1.价层电子对互斥模型(VSEPR model) 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 N N 5-1=4 4 1 0 C 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——预测分子或离子的空间结构 (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 C 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 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？ 提示　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.试解释CH4键角(109°28')、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的原因。 提示　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。 (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个电子对看待。 (2)由于孤电子对有较大斥力，含孤电子对的分子的实测键角几乎都小于VSEPR模型的预测值。 价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：孤电子对与孤电子对>孤电子对与成键电子对>成键电子对与成键电子对。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。 (3)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。 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 (　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√ 2.下列分子或离子中，中心原子含有孤电子对的是 (　　) A.PCl5　　　　　B.N　　　　　　　C.SiCl4　　　　　　D.PbCl2 答案　D 解析　PCl5中中心原子磷原子含有的孤电子对数=×(5-5×1)=0，故A不选；N中中心原子氮原子含有的孤电子对数=×(5+1-3×2)=0，故B不选；SiCl4中中心原子硅原子含有的孤电子对数=×(4-4×1)=0，故C不选；PbCl2中中心原子铅原子含有的孤电子对数=×(4-2×1)=1，故D选。 3.美国化学家鲍林教授具有独特的化学想象力：只要给他物质的分子式，他就能大体上想象出这种物质的分子结构模型。多核离子所带电荷可以认为是中心原子得失电子所致，根据VSEPR模型，下列离子中所有原子都在同一平面上的一组是 (　　) A.N和N B.H3O+和Cl C.N和C D.P和S 答案　C 4.用价层电子对互斥模型完成下列问题(加“·”的原子为中心原子)。 σ键电子对数 孤电子对数 空间结构 H2 SCl2 PCl3 SO2 S OF2 答案 σ键电子对数 孤电子对数 空间结构 H2 2 2 V形 SCl2 2 2 V形 PCl3 3 1 三角锥形 SO2 2 1 V形 S 4 0 正四面体形 OF2 2 2 V形 2 2 V形 　　　　 课时对点练　［分值：100分］ (选择题1~12题，每小题5分，共60分) 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 答案　C 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 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。 题组二　多样的分子空间结构 3.(2023·天津高二期末)下列各组分子中所有的原子都处于同一平面的是 (　　) A.CH4、CS2、BF3 B.CO2、H2O、NH3 C.甲醛(CH2O)、C2H2、苯(C6H6) D.CCl4、BeCl2、PH3 答案　C 解析　CH4和CCl4均为正四面体形分子，NH3和PH3均为三角锥形分子，所有原子不可能在同一平面内。 4.在白磷(P4)分子中，4个P原子分别处在正四面体的四个顶点，结合有关P原子的成键特点，下列有关白磷的说法正确的是 (　　) A.白磷分子的键角为109°28' B.分子中共有4对共用电子对 C.白磷分子的键角为60° D.分子中有6对未成键价电子 答案　C 解析　根据共价键的方向性和饱和性，每个磷原子都以3个共价键与其他3个磷原子结合，从而形成正四面体结构，键角为60°。 题组三　价层电子对互斥模型及应用 5.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.HCHO D.PH3 答案　C 解析　PCl3中P原子含有的孤电子对数是=1，σ键电子对数为3，P的价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体形，PCl3的空间结构为三角锥形，不选A；H3O+中O原子含有的孤电子对数是=1，σ键电子对数为3，O的价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体形，H3O+的空间结构为三角锥形，不选B；HCHO中C原子含有的孤电子对数是=0，σ键电子对数为3，C的价层电子对数为3，VSEPR模型为平面三角形，甲醛的空间结构是平面三角形，选C；PH3中P原子含有的孤电子对数是=1，σ键电子对数为3，P的价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体形，PH3的空间结构为三角锥形，不选D。 6.下列各组粒子中，空间结构不同的是 (　　) A.SO3和BF3 B.S和P C.CO2和CNS- D.S和C 答案　D 解析　SO3中中心S原子上的价层电子对数=3+×(6-3×2)=3，且不含孤电子对，其空间结构为平面三角形；BF3中中心B原子上的价层电子对数=3+×(3-3×1)=3，且不含孤电子对，其空间结构为平面三角形，A项不符合题意；S中中心S原子上的价层电子对数=4+×(6+2-4×2)=4，且不含孤电子对，其空间结构为正四面体形；P中中心P原子上的价层电子对数=4+×(5+3-4×2)=4，且不含孤电子对，其空间结构为正四面体形，B项不符合题意；CO2中中心C原子上的价层电子对数=2+×(4-2×2)=2，且不含孤电子对，其空间结构为直线形；CNS-中中心C原子上的价层电子对数=2+×(4+1-1×3-1×2)=2，且不含孤电子对，其空间结构为直线形，C项不符合题意；S中中心S原子上的价层电子对数=3+×(6+2-3×2)=4，含1个孤电子对，其空间结构为三角锥形；C中中心C原子上的价层电子对数=3+×(4+2-2×3)=3，且不含孤电子对，其空间结构为平面三角形，D项符合题意。 7.下列描述正确的是 (　　) A.CO2分子的空间结构为V形 B.Cl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S的中心原子无孤电子对 答案　D 解析　CO2分子中C原子形成2个σ键，孤电子对数为0，为直线形分子，A错误；Cl中Cl原子形成3个σ键，孤电子对数为=1，为三角锥形离子，B错误；SF6中S原子最外层电子数为6×2=12，C错误；SiF4分子中Si原子形成4个σ键，孤电子对数为0，S中S原子形成4个σ键，孤电子对数为=0，D正确。 8.(2024·重庆高二月考)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，其空间结构模型如图所示：，。下列说法错误的是 (　　) A.X的组成为C B.Y的组成为C C.X的价层电子对数为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3个价层电子对，其组成为C，A项正确、C项错误；Y为三角锥形，其碳原子有4个价层电子对，故其组成为C，键角小于120°，B、D项正确。 9.已知在CH4分子中C—H间的键角为109°28'，NH3分子中N—H间的键角为107°，H2O分子中O—H间的键角为105°。下列说法正确的是 (　　) A.孤电子对与σ键电子对间的斥力大于σ键电子对与σ键电子对间的斥力 B.孤电子对与σ键电子对间的斥力小于σ键电子对与σ键电子对间的斥力 C.孤电子对与σ键电子对间的斥力等于σ键电子对与σ键电子对间的斥力 D.题干中的数据不能说明孤电子对与σ键电子对间的斥力和σ键电子对与σ键电子对间的斥力之间的大小关系 答案　A 解析　孤电子对与σ键电子对间的斥力大于σ键电子对与σ键电子对间的斥力，孤电子对对σ键电子对的排斥导致分子中的键角变小，A项正确。 10.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.N的电子式为［H］+，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 答案　D 解析　NCl3分子中原子的最外电子层都满足8电子稳定结构，故A错误；N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。 11.用短线“—”表示共用电子对，用“‥”表示未成键孤电子对的式子叫路易斯结构式。R分子的路易斯结构式可以表示为，下列叙述错误的是 (　　) A.R与BF3的空间结构相同 B.键角：PH3<NH3<109°28' C.R可以是PH3或AsH3 D.R分子的中心原子上的价层电子对数为4 答案　A 解析　R的空间结构为三角锥形，BF3中心原子价层电子对数为3+0=3，其空间结构是平面三角形，因此其空间结构与BF3不相同，故A错误；PH3、NH3都为三角锥形，键角小于109°28'，而N的电负性大，吸引电子的能力比P强，因此NH3共用电子对之间的排斥力比PH3共用电子对之间的排斥力大，其键角大，所以键角：PH3<NH3<109°28'，故B正确；可能为NH3，根据第ⅤA族元素原子的特点得到R可以是PH3或AsH3，故C正确；R分子的中心原子上有三对成键电子和一对孤电子对，价层电子对数为4，故D正确。 12.在价层电子对互斥模型中，电子对斥力大小顺序可认为：孤电子对与孤电子对>孤电子对与成键电子对>成键电子对与成键电子对，当电子对之间的夹角大于90°时，斥力可忽略。当价层电子对数为5时，结构为三角双锥。PCl5是典型的三角双锥分子，两个编号为①的Cl原子和P原子在一条直线上，三个编号为②的Cl原子构成平面正三角形。SF4和BrF3价层电子对数也都是5，但它们分别有1个和2个孤电子对，以如图为参照。则它们的孤电子对分别占据什么位置时，价层电子对间斥力最小 (　　) A B C D SF4 ① ① ② ② BrF3 ①① ②② ①① ②② 答案　D 解析　SF4的孤电子对若在①位置时，孤电子对与成键电子对夹角为90°的有3组，而SF4的孤电子对在②位置时，孤电子对与成键电子对夹角为90°的有2组，孤电子对在②时价层电子对间斥力最小；BrF3有2个孤电子对，若均在①上，则孤电子对与成键电子对夹角为90°的有6组，斥力太大，若1个在①上，1个在②上，则还有孤电子对与孤电子对之间夹角为90°的1组，孤电子对与成键电子对夹角为90°的有3组，斥力较大，若两个孤电子对均在②上，则孤电子对与成键电子对夹角为90°的为4组，此时价层电子对之间斥力最小。 13.(14分)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。 (1)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 答案　(1)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.(10分)已知：①CS2　②PCl3　③H2S　④CH2O ⑤H3O+　⑥N　⑦BF3　⑧SO2。 (1)中心原子没有孤电子对的是　　　　　　(填序号，下同)。  (2)空间结构为直线形的分子或离子有　　　　；空间结构为平面三角形的分子或离子有　　　　。  (3)空间结构为V形的分子或离子有　　　　。  (4)空间结构为三角锥形的分子或离子有　　　　；空间结构为正四面体形的分子或离子有　　　　。  答案　(1)①④⑥⑦　(2)①　④⑦　(3)③⑧ (4)②⑤　⑥ 解析　(2)①CS2的中心C原子的价层电子对数为2+=2，不含孤电子对，故CS2为直线形结构；④CH2O的中心C原子的价层电子对数为3，不含孤电子对，故为平面三角形；⑦BF3的中心B原子的价层电子对数为3+=3，不含孤电子对，故为平面三角形。 (3)③H2S的中心S原子的价层电子对数为2+=4，孤电子对数为2，为V形；⑧SO2的中心S原子的价层电子对数为2+=3，孤电子对数为1，为V形。 (4)②PCl3的中心P原子价层电子对数为3+=4，孤电子对数为1，为三角锥形；⑤H3O+的中心O原子的价层电子对数为3+=4，含有1个孤电子对，为三角锥形；⑥N的中心N原子的价层电子对数为4+=4，不含孤电子对，为正四面体形。 15.(16分)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。  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　> 学科网（北京）股份有限公司 $