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第二章 分子結構與性質
第二節 分子的空間結構
教學目標
1、教學目標
1) 知道分子的結構是可以測定的，紅外光譜技術是測定物質結構的基本方法；能說明紅外光譜等實驗手段在物質結構研究中的應用。
2) 結合實例了解共價分子具有特定的空間結構，體會共價分子的多樣性和復雜性。能借助實物模型等建立對分子的空間結構的直觀認識。
3) 能運用價層電子對互斥模型預測簡單分子的空間結構，發展學生的模型認知能力。
4) 結合實例了解雜化軌道理論的要點和類型(sp、sp2、sp3)，能運用雜化軌道理論解釋簡單共價分子和離子的空間結構。
教學目標
2、教學重點和難點
1) 重點：應用價層電子對互斥模型預測簡單分子或離子的空間結構；應用雜化軌道理論解釋分子的空間結構。
2) 難點：中心原子上的孤電子對數的計算；用雜化軌道理論解釋含有孤電子對的分子的空間結構。
美麗的化學結構
一、分子結構測定的方法
肉眼看不見的分子，科學家如何知道其結構呢？
思考
早期：對物質化學性質進行系統總結得出規律后進行推測；
如今：應用現代儀器和方法，如紅外光譜、晶體X射線衍射等
紅外光譜儀
質譜儀
X射線衍射儀
一、分子結構測定的方法
1、分子結構測定的方法——紅外光譜法
原理：分子會吸收跟它的某些化學鍵的振動頻率相同的紅外線
紅外光譜圖
分析吸收峰
與譜圖庫比對
推斷分子所含的官能團和化學鍵
一、分子結構測定的方法
2、相對分子質量的測定——質譜法
待測物
分子離子
碎片離子
電場加速
磁場偏轉
獲得質譜圖
分子
離子M＋
對應橫坐標即相對分子質量
二、多樣的分子空間結構
1、三原子分子常見的空間結構：直線形或V形(又稱角形)
化學式 空間 結構 結構式 鍵角 分子的 空間結構模型
CO2
H2O
直線形
V形
O＝C＝O
O
H H
180o
105o
二、多樣的分子空間結構
2、四原子分子常見的空間結構：平面三角形或三角錐形
化學式 空間 結構 結構式 鍵角 分子的 空間結構模型
CH2O
NH3
平面
三角形
三角
錐形
120o
107o
O＝C
H
H
N
H H
H
二、多樣的分子空間結構
3、五原子分子常見的空間結構：四面體形
化學式 空間 結構 結構式 鍵角 分子的 空間結構模型
CH4
正四面
體形
109o28′
二、多樣的分子空間結構
4、其他多原子分子的空間結構
二、多樣的分子空間結構
為什么CH4的空間結構是正四面體形而不是正方形？
思考
C
H
H
H
H
··
··
··
··
三、價層電子對互斥模型 (VSEPR model)
核心：分子的空間結構是中心原子周圍的“價層電子對”相互排斥的結果。
“氣球空間互斥”類比“電子對互斥”
制作氣球模型
任務
“氣球空間互斥”類比“電子對互斥”
價層電子對
電子對互斥模型
空間結構
氣球空間互斥模型
2
3
4
直線形
平面三角形
四面體形
“氣球空間互斥”類比“電子對互斥”
寫出分子的電子式，對照球棍模型，分析結構不同的原因
任務
化學式 電子式 分子的空間模型
CH4
NH3
H2O
H O H
·
·
·
·
·
·
·
·
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
H
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
孤電子對
成鍵電子對
分子的空間結構除了與中心原子的成鍵電子對有關，還與中心原子的孤電子對有關。
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，影響分子的空間結構
三、價層電子對互斥模型
價層電子對：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。
即：價層電子對數＝σ鍵電子對數＋中心原子上的孤電子對數
三、價層電子對互斥模型 (VSEPR model)
核心：分子的空間結構是中心原子周圍的“價層電子對”相互排斥的結果。
價層
電子對
互相排斥
盡可能遠離
能量最低
最穩定
三、價層電子對互斥模型
三、價層電子對互斥模型 (VSEPR model)
價層
電子對
互相排斥
盡可能遠離
能量最低
最穩定
直線形 平面三角形 四面體形
價層電子對數＝σ鍵電子對數＋孤電子對數
判斷VSEPR理想模型
略去孤電子對
得到分子空間結構
三、價層電子對互斥模型
化學式 結構式
含孤電子對的
VSEPR模型
分子的空間結構
H2O
NH3
O
H H
：
：
N
H H
H
：
三、價層電子對互斥模型→計算價層電子對數
價層
電子對數
σ鍵
電子對數
中心原子上的孤電子對數
分子 中心原子 共價鍵 σ鍵數 σ鍵電子對數
H2O O O H 2 2
NH3 N N H 3 3
CO2 C C＝O 2 2
注：多重鍵只計其中的σ鍵電子對，不計π鍵電子對。
中心原子結合的原子數
三、價層電子對互斥模型→計算價層電子對數
價層
電子對數
σ鍵
電子對數
中心原子上的孤電子對數
中心原子結
合的原子數
方法一：根據電子式直接確定
H O H
·
·
·
·
·
·
·
·
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
H
H C H
·
·
·
·
·
·
·
·
H
三、價層電子對互斥模型→計算價層電子對數
價層
電子對數
σ鍵
電子對數
中心原子上的孤電子對數
中心原子結
合的原子數
方法一：根據電子式直接確定
方法二：依據公式計算
孤電子對數＝ (a xb)
1
2
中心原子的價電子數
與中心原子結合的原子數
與中心原子結合的原子最多能接受的電子數
－
×
2
＝
三、價層電子對互斥模型→計算價層電子對數
(a xb)
2
中心原子的價電子數
與中心原子結合的原子數
與中心原子結合的原子最多能接受的電子數
－
×
2
＝
a 中心原子的價層電子數
主族元素
陽離子
陰離子
x 與中心原子結合的原子數
b 與中心原子結合的原子最多能接受的電子數
H
其他原子
＝最外層電子數
＝中心原子的價層電子數﹣離子的電荷數
＝中心原子的價層電子數﹢離子的電荷數
＝1
＝8﹣該原子的價層電子數
三、價層電子對互斥模型→常見分子或離子的空間結構推測
實例
孤電子對數
價層電子對數
VSER
模型
VSER
模型名稱
空間
結構
空間結構名稱
CO2
BeCl2
CO32
BF3
SO2
PbCl2
0
2
直線形
直線形
0
1
3
平面
三角形
平面
三角形
V形
三、價層電子對互斥模型→常見分子或離子的空間結構推測
實例
孤電子對數
價層電子對數
VSER
模型
VSER
模型名稱
空間
結構
空間結構名稱
CH4
CCl4
NH3
NCl3
H2O
H2S
0
1
2
4
正四
面體形
四面體形
四面體形
正四
面體形
三角錐形
V形
無孤電子對的VSEPR模型與分子的空間結構相同；
有孤電子對的VSEPR模型與分子的空間結構不同。
高考真題中的對分子/離子空間結構的考查
[2020山東卷] Sn為ⅣA族元素，單質Sn與干燥Cl2反應生成SnCl4。 SnCl4空間構型為____________。
[2019全國Ⅱ卷] 元素As和N同族，預測As的氫化物分子的立體結構為____________。
[2019江蘇卷] SO42 的空間結構為________________(用文字序數)。
正四面體形
三角錐形
S原子的價層電子對數：4＋1/2×(6 4×2＋2)＝4
不含孤電子對，則SO42 的空間結構為正四面體形
四、雜化軌道理論簡介→CH4分子空間結構形成分析
2s
2p
1s
基態
能量相近的原子軌道
電子躍遷
2s
2p
激發態
矛盾：軌道重疊得到的空間構型不可能是正四面體形
四、雜化軌道理論簡介→CH4分子空間結構形成分析
2s
2p
1s
基態
能量相近的原子軌道
電子躍遷
2s
2p
激發態
混雜
sp3雜化軌道
雜化軌道能量相同、方向不同
混雜前后軌道總數不變
雜化軌道與氫原子軌道重疊，C H σ鍵
四、雜化軌道理論簡介
萊納斯·卡爾·鮑林
（1901-1994）
1、能量相近的原子軌道發生混雜
電子
躍遷
重疊
成鍵
軌道
混雜
理論要點
各種空間結構
2、生成雜化軌道能量相同、方向不同
3、混雜前后軌道總數不變
4、體系的能量降到最低(軌道間的排斥力最小)
四、雜化軌道理論簡介
sp3
sp2
sp
s軌道個數
p軌道個數
雜化軌道數
價層電子對數
軌道夾角
1
3
4
4
109°28′
1
2
3
3
120°
1
1
2
2
180°
理論要點：雜化軌道數＝價層電子對數＝孤電子對數＋σ鍵數
四、雜化軌道理論簡介
CH4
NH3
H2O
價層
電子對數
雜化
軌道數
雜化
類型
VSEPR
模型
分子式
分子
空間結構
4＋0＝4
正四面體形
三角錐形
V形
正四面體形
四面體形
四面體形
3＋1＝4
2＋2＝4
sp3
sp3
sp3
4
4
4
思路：中心原子上的價層電子對數→雜化軌道數目→雜化軌道類型
四、雜化軌道理論簡介
練、CH2O分子有____個σ鍵，有___個π鍵，中心原子有____對孤對電子，中心原子的價層電子對數為____，雜化軌道的數目為_____，中心原子的雜化類型為____，鍵角為_____。
3
3
0
1
3
理論要點：雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對
sp2
思考： π鍵是如何形成的呢？
120°
四、雜化軌道理論簡介
電子躍遷
混雜
2p
sp2雜化軌道
2s
2p
基態
2s
2p
激發態
2p
sp2雜化軌道
1s
氫原子
1s
2px
氧原子
2py
2pz
sp2-1s
sp2-2p
2p-2p
σ鍵
π鍵
理論要點：未參與雜化的p軌道可用于形成π鍵
四、雜化軌道理論簡介
練、CO2分子有____個σ鍵，有___個π鍵，中心原子有____對孤對電子，中心原子的價層電子對數為____，雜化軌道的數目為_____，中心原子的雜化類型為____，鍵角為_____。
2
2
0
2
2
sp
180°
四、雜化軌道理論簡介
試用雜化軌道理論分析乙烯的雜化類型及空間結構
C：2s22p2
2s
2p
sp2雜化
C
C
H
H
H
H
C
C
H
H
H
H
π鍵
三個相同的sp2雜化軌道指向三角形的三個頂點未雜化p軌道形成π鍵；雜化軌道間夾角為120°
sp2
2p
四、雜化軌道理論簡介
試用雜化軌道理論分析乙炔的雜化類型及空間結構
C
C
H
H
C：2s22p2
2s
2p
sp雜化
sp
2p
兩個相同的sp雜化軌道指向線段的兩端；
未雜化p形成π鍵；雜化軌道間夾角為180°
C
C
H
H
π鍵
π鍵
四、雜化軌道理論簡介
試用雜化軌道理論分析苯的雜化類型及空間結構
sp2雜化
(1)相鄰碳原子sp2雜化軌道成鍵，以及碳的sp2雜化軌道和H的1s軌道成鍵，六個碳原子、六個氫原子在同一平面上
(2)六個碳原子的2pz雜化軌道側面重疊形成大π鍵
四、雜化軌道理論簡介
小結：有機物中碳原子雜化類型判斷
(1)飽和C：sp3雜化 如：CH4、CH3CH3等飽和烷烴
(2)連接雙鍵C：sp2雜化 如：C2H4、HCHO、苯等
(3)連接叁鍵C：sp雜化 如：C2H2等
四、雜化軌道理論簡介
練、填寫下表
物質 價層電 子對數 中心原子雜化軌道類型 VSEPR 模型名稱 軌道 夾角 分子空 間構型 鍵角
CO2
SO2
CH2O
NH4+
CH4
NH3
H2O
2
3
3
4
sp
sp2
直線形
平面
三角形
180°
120°
直線形
V形
平面三角形
正四
面體形
180°
109.5°
120°
109°28′
107°
105°
4
4
4
sp3
正四面體
109°28′
三角錐形
V 形
四、雜化軌道理論簡介
價層電子對之間相互排斥作用大小的一般規律：
σ鍵電子對(bp)與孤電子對(lp)的斥力大小順序： lp lp > lp bp > bp bp
討論：為什么CH4、NH3、H2O的中心原子均為sp3雜化，而鍵角卻分別為109°28′、 107°和105°？
原因：孤電子對對成鍵電子對的排斥作用，孤電子對越多，排斥力越大，鍵角越小。
四、雜化軌道理論簡介
[2021全國甲卷] SiCl4是生產高純硅的前驅體，其中Si采取的雜化類型為_______。SiCl4可發生水解反應，機理如下：
含s、p、d軌道的雜化類型有：① dsp2、② sp3d、③ sp3d2，中間體SiCl4(H2O)中Si采取的雜化類型為________（填標號）。
sp3
②
[2021全國乙卷] H2O 的鍵角小于NH3的，分析原因_______________。
H2O和NH3均為sp3雜化，H2O有兩個孤電子對，NH3有1個孤電子對，孤電子對多，斥力大，鍵角小。
四、雜化軌道理論簡介
[2021山東卷] OF2分子的空間構型為________；Xe是第五周期的稀有氣體元素，與F形成的XeF2室溫下易升華。XeF2中心原子的價層電子對數為______，下列對XeF2中心原子雜化方式推斷合理的是_____(填標號)。A. sp B. sp2 C. sp3 D. sp3d
V形
5
D
[2021全國乙卷] PH3中P的雜化類型是__________。
sp3
[2021河北卷] 已知KH2PO2是次磷酸的正鹽，H3PO2的結構式為______，其中P采取______雜化方式。
sp3
H O P＝O
H

H

四、雜化軌道理論簡介
[2021湖南卷] 氣態SiX4分子的空間構型是____________；N-甲基咪唑
分子中碳原子的雜化軌道類型為 _____________。
正四面體形
sp2、sp3
[2021廣東卷] 在 中 S 原子采取 sp3 雜化
√
[2021八省聯考重慶卷] 氧化鎂載體及鎳催化反應中涉及到CH4、CO2和 CH3OH等物質。在上述三種物質的分子中碳原子雜化類型不同于其他兩種的是_______，立體構型為正四面體的分子是_______。
CO2
CH4
CH2 SH
CH SH
CH2 OH
四、雜化軌道理論簡介
[2020全國Ⅰ卷] 磷酸根離子的空間構型為_____________，其中P的價層電子對數為______，雜化軌道類型為______。
正四面體形
4
sp3
[2020江蘇卷] 抗壞血酸的分子結構如圖所示，分子中碳原子的雜化軌道類型為____________。
sp2、sp3

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