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第二章 分子結構與性質
第二節 分子的空間結構
2.2.1 分子結構的空間構型 價層電子對互斥模型
【教材分析】
本節從分子結構的測定、三原子、四原子、五原子分子的立體構型為例，介紹典型分子立體構型；然后從價層電子對互斥理論和雜化軌道理論解釋分子結構的多樣性和復雜性，并根據上述理論判斷簡單分子和離子的構型。
【課程目標】
課程目標 學科素養
1.了解分子結構的測定方法。 2.認識共價分子結構的多樣性和復雜性。 3.理解價層電子對互斥理論的含義。 4.能根據有關理論判斷簡單分子或離子的空間結構。 a.宏觀辨識與微觀探析：通過對典型分子空間結構的學習，認識微觀結構對分子空間結構的影響，了解共價分子結構的多樣性和復雜性。 b.證據推理與模型認知：通過對價層電子對互斥模型的探究，建立解決復雜分子結構判斷的思維模型。
【教學重難點】
教學重點：價層電子對互斥理論
教學難點：價層電子對互斥理論
【教學過程】
【情境引入】
肉眼不能看到分子，那么，科學家是怎樣知道分子的結構的呢？
早年的科學家主要靠對物質的化學性質進行系統總結得出規律后進行推測。
科學家應用了許多測定分子結構的現代儀器和方法，如紅外光譜、晶體X射線衍射等。下面先介紹紅外光譜，下一章還將介紹晶體X射線衍射。
任務一：分子結構的測定
【講解】
紅外光譜工作原理
原理：分子中的原子不是固定不動的，而是處于不斷振動著的。分子的空間結構是分子中的原子處于平衡位置時的模型。
分子振動需要能量，所以當一束紅外線透過分子時，分子會吸收跟它的某些化學鍵的振動頻率相同的紅外線，記錄到圖譜上呈現吸收峰。通過和已有譜圖庫比對，或通過量子化學計算，可以得知分子中含有何種化學鍵或官能團的信息。
紅外光譜儀原理示意圖
【案例探析1】
【案例探析2】
通過紅外光譜圖，發現未知物中含有O-H、C-H和C-O的振動吸收，可初步推測該未知物中含有羥基。
【講解】
質譜工作原理
縱坐標表示相對豐度，橫坐標表示粒子的相對質量與其電荷數之比（），簡稱荷質比，化學家通過分析得知，被測物的相對分子質量是92，該物質是甲苯。
【課堂練習】
1、2002年諾貝爾化學獎獲得者的貢獻之一是發明了對有機分子的結構進行分析的質譜法。其方法是讓極少量(10－9 g左右)的化合物通過質譜儀的離子化室使樣品分子大量離子化，少量分子碎裂成更小的離子。如C2H6離子化后可得到C2H、C2H、C2H……然后測定其質荷比β。設H＋的質荷比為1，某有機物樣品的質荷比如圖(假設離子均帶一個單位正電荷，信號強度與該離子多少有關)，則該有機物可能(　　)
A．CH3OH B．C3H8
C．C2H4 D．CH4
【過渡】
美麗的化學結構視頻
【展示】
多樣的分子空間結構
分子類型 化學式 空間結構 結構式 鍵角 空間填充模型 球棍模型
三原子 分子 CO2 直線形 O===C===O 180°
H2O V形 105°
四原子 分子 CH2O 平面 三角形 120°
NH3 三角錐形 107°
五原子 分子 CH4 四面體形 109°28′
【思考交流】
為什么甲烷分子的空間結構是正四面體形而不是正方形？
【學生活動】
用“氣球空間互斥”類比“電子對互斥”并展示成果
【思考交流】
三原子分子CO2和H2O、四原子分子NH3和CH2O，為什么它們的空間結構不同？
【學生活動】
寫出分子的電子式，再對照其球棍模型，運用分類、對比的方法，分析結構不同的原因。
【講解】
結論：由于中心原子的孤電子對占有一定空間，對其他成鍵電子對存在排斥力，影響其分子的空間結構。
分子的空間結構除了和中心原子與結合原子間的成鍵電子對有關，還和中心原子的孤電子對有關，兩者合稱為中心原子的“價層電子對”。
【思考交流】
實驗測得NH3的鍵角為107°，H2O的鍵角為105°,為什么NH3和H2O的鍵角均小于109°28′？
【講解】
相較成鍵電子對，孤電子對有較大的排斥力
任務二：價層電子互斥理論
【講解】
為了探究其原因，發展了許多結構理論，有一種比較簡單的理論叫做價層電子對互斥理論。
價層電子對互斥模型認為，分子的空間結構是中心原子周圍“價層電子對”相互排斥的結果。VSEPR的“價層電子對”是指分子中的中心原子與結合原子間的σ鍵電子對和中心原子上的孤電子對。多重鍵只計其中的σ鍵電子對，不計π電子對。
【講解】
預測分子的空間構型
中心原子無孤電子對的分子：VSEPR理想模型就是其分子的空間結構。
若有：先判斷VSEPR理想模型，后略去孤電子對，便可得到分子的空間結構
【思考交流】
如何計算價層電子對數
【講解】
價層電子對互斥模型(VSEPR)
(1)σ鍵電子對的計算
σ鍵電子對數 ＝ 結合原子數
由分子式確定，即中心原子形成幾個σ鍵，就有幾對σ鍵電子對。如H2O分子中，O有2對σ鍵電子對，NH3分子中，N有3對σ鍵電子對。
(2)中心原子上的孤電子對的計算
中心原子上的孤電子對數＝(a－xb)
①a表示中心原子的價電子數。
對于主族元素：a＝原子的最外層電子數。
對于陽離子：a＝中心原子的價電子數－離子的電荷數。
對于陰離子：a＝中心原子的價電子數＋離子的電荷數(絕對值)。
②x表示與中心原子結合的原子數。
③b表示與中心原子結合的原子最多能接受的電子數，氫為1，其他原子＝8－該原子的價電子數。
【課堂練習】
計算H2O、NH3、SO3、NH4+、CO分子的孤電子對數。
【講解】
【學生活動】
根據VSEPR，確定CO2、SO2、CO、H2O、NH3、CH4、NH4+分子的空間結構。
【講解】
分子或離子 孤電子對數 價層電子對數 VSEPR 模型名稱 分子或離子 的空間結構名稱
CO2 0 2 直線形 直線形
SO2 1 3 平面三角形 V形
CO 0 3 平面三角形 平面三角形
H2O 2 4 四面體形 V形
NH3 1 4 四面體形 三角錐形
CH4 0 4 正四面體形 正四面體形
NH4+ 0 4 正四面體形 正四面體形
【展示】
【總結】
VSEPR模型與分子或離子的空間結構
σ鍵電子對數＋孤電子對數＝價層電子對數VSEPR模型分子或離子的空間結構。
價層電子對之間的斥力
①電子對之間的夾角越小，斥力越大。
②分子中電子對之間的斥力大小順序：孤電子對-孤電子對＞孤電子對-成鍵電子對 ＞成鍵電子-成鍵電子。
③由于三鍵、雙鍵比單鍵包含的電子多，所以斥力大小順序：三鍵＞雙鍵＞單鍵 。

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