資源簡(jiǎn)介

分子的空間結(jié)構(gòu)
第1課時(shí)
教學(xué)目標(biāo)
1. 知道分子的結(jié)構(gòu)是可以測(cè)定的，紅外光譜技術(shù)是測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法；能說(shuō)明紅外光譜等實(shí)驗(yàn)手段在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用。
2. 結(jié)合實(shí)例了解共價(jià)分子具有特定的空間結(jié)構(gòu)，體會(huì)共價(jià)分子的多樣性和復(fù)雜性。能借助實(shí)物模型等建立對(duì)分子的空間結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)。
教學(xué)重難點(diǎn)
1.通過(guò)搭建模型類比微觀電子對(duì)相互排斥，理解2、3、4對(duì)電子互相排斥時(shí)電子對(duì)在空間的形狀。
2.理解電子對(duì)在空間的分布與分子形狀的關(guān)聯(lián)。
教學(xué)過(guò)程
一、新課導(dǎo)入
【科學(xué)史話】
我國(guó)科學(xué)家屠呦呦因成功提取青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。你了解青蒿素分子的組成和結(jié)構(gòu)測(cè)定的方法嗎？
從青蒿素的結(jié)構(gòu)式中我們可以看到，青蒿素包含的原子多，原子連接關(guān)系復(fù)雜，還含有過(guò)氧鍵，醚鍵，酯基等官能團(tuán)。
我國(guó)研究人員從1973年初開(kāi)始測(cè)定青蒿素的組成與結(jié)構(gòu)，研究工作于1976年基本結(jié)束，歷時(shí)四年。
下面讓我們一起看看科學(xué)家運(yùn)用了怎樣的手段與方法，測(cè)定出了這些肉眼看不見(jiàn)的分子結(jié)構(gòu)。
二、講授新課
一、分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定
1. 質(zhì)譜
在質(zhì)譜儀中使分子失去電子變成帶正電荷的分子離子和碎片離子等粒子。由于生成的離子具有不同的相對(duì)質(zhì)量，它們?cè)诟邏弘妶?chǎng)加速后，通過(guò)狹縫進(jìn)入磁場(chǎng)得以分離，在記錄儀上呈現(xiàn)一系列峰，對(duì)這些峰進(jìn)行系統(tǒng)分析，便可得知樣品分子的相對(duì)分子質(zhì)量。
研究人員利用高分辨質(zhì)譜儀測(cè)定出青蒿素的相對(duì)分子質(zhì)量為282.33。元素分析結(jié)果表明，青蒿素分子中含有63.8%的C、7.9%的H和28.3%的O。結(jié)合以上數(shù)據(jù)可推知，青蒿素的分子式為（C15H22O5）。
2. 紅外光譜
有機(jī)物的同分異構(gòu)現(xiàn)象是普遍且復(fù)雜的。知道分子式后需要進(jìn)一步知道其中含有怎樣的官能團(tuán)。通過(guò)紅外光譜的可以得到這一重要信息。
分子中的原子不是固定不動(dòng)的，而是不斷地振動(dòng)著。當(dāng)一束紅外線透過(guò)分子時(shí)，分子會(huì)吸收跟它的某些化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率相同的紅外線，再記錄到圖譜上呈現(xiàn)吸收峰。
這些吸收峰和化學(xué)鍵種類、振動(dòng)方式是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，利用這種關(guān)系，就可以分析出分子中含有的化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息。
【提問(wèn)】未知物分子式為C2H6O，它的紅外光譜如下圖所示，那它是乙醇（CH3CH2OH）還是二甲醚（CH3OCH3）？
【講解】從紅外光譜中可以看出，分子中存在C-H、C-O、O-H三種鍵的振動(dòng)吸收，據(jù)此可推測(cè)未知物分子中含有羥基。故該分子式為C2H6O的未知物為乙醇CH3CH2OH 。
青蒿素分子的紅外光譜在831 cm 1、881 cm 1、1115 cm 1和1745cm 1等處有特征吸收峰。
831 cm 1、881 cm 1和1115 cm 1處的吸收峰被科學(xué)家指認(rèn)為過(guò)氧鍵的吸收峰。
1745cm 1處的吸收峰被科學(xué)家指認(rèn)為酯基的吸收峰。
二、多樣的分子空間結(jié)構(gòu)
大多數(shù)分子是由兩個(gè)以上原子構(gòu)成的，于是分子就有了原子的幾何學(xué)關(guān)系和形狀，這就是分子的空間結(jié)構(gòu)。
例如，三原子分子的空間結(jié)構(gòu)有直線形和V形（又稱角型）兩種。
CO2呈直線形，而H2O呈V形，兩個(gè)H-O的鍵角為105°。
四原子分子的空間結(jié)構(gòu)有平面三角形和三角錐兩種。
甲醛（CH2O）呈平面三角形，鍵角約120°；
NH3呈三角錐形，鍵角107°
五原子分子的空間結(jié)構(gòu)有多種，最常見(jiàn)的是四面體形。
CH4鍵角109°28′，其結(jié)構(gòu)式上加的虛線表明氫原子的幾何關(guān)系。
對(duì)于更多原子組成的分子，他們的空間結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和豐富，例如
分子空間結(jié)構(gòu)與其穩(wěn)定性有關(guān)。例如，S8像頂皇冠，如果把其中一個(gè)向上的硫原子倒轉(zhuǎn)向下，則不如皇冠式穩(wěn)定；椅式C6H12比船式C6H12穩(wěn)定。
三、價(jià)層電子對(duì)互斥模型
【交流分享】
通過(guò)上面對(duì)分子空間結(jié)構(gòu)多樣性和測(cè)定方法的介紹，大家還能提出怎樣的問(wèn)題？
1.CO2和H2O都是三原子分子，為什么CO2呈直線形而H2O呈V形？
2.CH2O和NH3都是四原子分子，為什么CH2O呈平面三角形而NH3呈三角錐形？
3.相同原子的分子空間結(jié)構(gòu)不同，是什么因素決定了不同的結(jié)果？
4.人類測(cè)量、了解分子的空間結(jié)構(gòu)有何意義？
5.把每個(gè)分子或離子都測(cè)定一遍，這樣的工作量大到難以完成，是否有便捷的方法可以對(duì)它們的空間結(jié)構(gòu)做出預(yù)測(cè)？
【思維啟迪】
研究分子的空間結(jié)構(gòu)有助于我們了解分子的性質(zhì)，進(jìn)而了解物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。比如物質(zhì)的溶解性，蛋白質(zhì)精密的空間結(jié)構(gòu)對(duì)于它發(fā)揮生理功能的影響等。
有一種比較簡(jiǎn)單的理論叫做價(jià)層電子對(duì)互斥模型（VSEPR），它可以用來(lái)預(yù)測(cè)分子的空間結(jié)構(gòu)。該理論的的核心觀點(diǎn)為：
分子的空間結(jié)構(gòu)是中心原子周圍的“價(jià)層電子對(duì)”相互排斥的結(jié)果。
價(jià)層電子對(duì)是指分子中的中心原子與結(jié)合原子間的σ鍵電子對(duì)和中心原子上的孤電子對(duì)。多重鍵只計(jì)算其中的σ鍵電子對(duì)，不計(jì)π鍵電子對(duì)。
【模型制作演示】
為什么CH4呈四面體而不是正方形？下面我們通過(guò)搭建模型的方式體會(huì)、驗(yàn)證。
將4個(gè)大小相同的氣球系在一起，它會(huì)自動(dòng)排列成什么形狀？
四個(gè)氣球會(huì)自動(dòng)排列成為四面體的形狀。這是由于氣球之間相互排斥，彼此要盡可能遠(yuǎn)離。
CH4中的四根C-H σ鍵是4對(duì)共用電子，電子對(duì)均為負(fù)電，彼此之間的排斥與氣球的排斥類似，因此4對(duì)電子也彼此遠(yuǎn)離，最終CH4呈現(xiàn)出了最穩(wěn)定的正四面體形。
【模型制作】
請(qǐng)大家運(yùn)用手頭的氣球，變換氣球的個(gè)數(shù)分別為2個(gè)和3個(gè)，觀察它們會(huì)自然排列成怎樣的空間結(jié)構(gòu)。
【總結(jié)】
運(yùn)用類比的方法，總計(jì)歸納價(jià)層電子對(duì)（氣球）數(shù)量分別為2、3、4時(shí)，
電子對(duì)在空間的排列分布形狀，完成下列表格。
價(jià)層電子對(duì)數(shù) 電子對(duì)空間結(jié)構(gòu)
2 直線形
3 平面三角形
4 四面體形
【提問(wèn)】（1）NH3為什么是三角錐形而不是平面三角形？
【講解】N原子共5個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)單電子，與3個(gè)H形成3個(gè)σ鍵，還有一對(duì)孤對(duì)電子。VSEPR中價(jià)層電子對(duì)除了共用的σ鍵電子對(duì)，還包含中心原子上的孤電子對(duì)。
【提問(wèn)】（2）為什么在考慮分子形狀時(shí)要先考慮中心孤對(duì)電子排斥，但是最終確定分子形狀時(shí)又要將其略去？
【講解】因孤對(duì)電子獨(dú)屬中心原子，而共用電子對(duì)共屬于中心原子，它們均在中心原子的周圍，它們之間的排斥是客觀存在的。
分子形狀描述的是組成分子的原子之間的幾何學(xué)關(guān)系，與孤對(duì)電子無(wú)關(guān)。
事實(shí)上，在用儀器（如晶體X射線衍射）測(cè)定分子形狀時(shí)，觀察到的是原子之間的位置關(guān)系，觀察不到孤對(duì)電子。
【提問(wèn)】（3）CH4和NH3中中心原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)均為4，為何H-C-H的鍵角為109°28′，而H-N-H的鍵角為107°？
【講解】相比成鍵電子對(duì)受到左右兩端帶正電的原子核的吸引，而孤對(duì)電子只受到一端原子核的吸引。相比之下，孤對(duì)電子對(duì)較“胖”一些，占據(jù)較大的空間；而成鍵電子對(duì)較“瘦”，占據(jù)較小的空間。孤電子對(duì)與成鍵電子對(duì)之間的斥力也要大一些。N上的孤電子對(duì)對(duì)成鍵電子對(duì)“擠壓”的更厲害，使鍵角減小。
【模型制作】
請(qǐng)利用橡皮泥和牙簽制作CH4和NH3的空間結(jié)構(gòu)模型。
注意NH3中孤對(duì)電子的影響，正確表示分子中的鍵角。
與小組的同學(xué)分享交流你的成果。
三、課堂小結(jié)
1.分子的微觀結(jié)構(gòu)是豐富多彩的，分子的空間結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)緊密相連。
2.科學(xué)家研究分子結(jié)構(gòu)的典型特征（如共價(jià)鍵的振動(dòng)），建立了系統(tǒng)的方法，通過(guò)諸多現(xiàn)代儀器可以測(cè)定分子結(jié)構(gòu)。
3.紅外光譜、晶體X射線衍射、質(zhì)譜都是常用的研究分析手段。
4.價(jià)層電子對(duì)互斥模型認(rèn)為分子的空間結(jié)構(gòu)是中心原子周圍的“價(jià)層電子對(duì)”相互排斥的結(jié)果。價(jià)層電子對(duì)數(shù)量不同時(shí)，他們?cè)诳臻g最穩(wěn)定的形狀也不同。2對(duì)為直線形，3對(duì)為平面三角形，4對(duì)為四面體形。
價(jià)層電子對(duì)中孤對(duì)電子在考慮分子形狀時(shí)要略去。

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