第二章 分子结构与性质第二节 分子的空间结构【学习目标】 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，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。1.通过杂化轨道理论的学习，能从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型。【基础知识】一、分子结构的测定1、早年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进行推测，现代科学家应用了许多测定分子结构的现代仪器和方法，如 红外光谱 、晶体 X 射线 衍射等。2、红外光谱在测定分子结构中的应用分子中的原子不是 固定不动 的，而是不断地振动着的。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，可以得知各吸收峰是由哪种 化学键 、哪种 振动 方式引起的，综合这些信息，可分析分子中含有何种 化学键 或 官能团 的信息。3、质谱法在测定分子相对分子质量中的应用现代化学常利用质谱仪测定分子的 相对分子 质量。它的基本原理是在质谱仪中使分子失去电子变成带 正电荷 的分子离子和碎片离子等粒子。由于生成的离子具有不同的相对质量，它们在高压电场 加速 后，通过狭缝进入磁场得以分离，在记录仪上呈现一系列峰，化学家对这些峰进行系统分析，便可得知样品分子的 相对分子 质量。二、多样的分子空间结构1、三原子分子化学式电子式 结构式 键角空间结构空间结构名称CO2O==C==O 180° 直线形H2O 105° V 形 2、四原子分子化学式电子式结构式键角空间结构空间结构名称CH2O约120° 平面三角形NH3 107° 三角锥形3、五原子分子化学式电子式结构式键角空间结构空间结构名称CH4 109°28′ 正四面 体形CCl4 109°28′ 正四面 体形4、其他多原子分子的空间结构 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，就有几对 σ 键电子对。如 H2O 分子中， O 有 2 对 σ 键电子对。NH3分子中， N 有 3 对 σ 键电子对。(3)中心原子上的孤电子对数的计算中心原子上的孤电子对数＝(a－xb)①a表示中心原子的价电子数；对主族元素：a＝ 最外层电子数 ；对于阳离子：a＝ 价电子数－离子所带电荷数 ；对于阴离子：a＝ 价电子数＋离子所带电荷数 。②x表示与 中心原子 结合的原子数。③b表示与中心原子结合的原子最多能接受的 电子数 ，氢为 1，其他原子＝ 8 －该原子的价电 子数 。3、价层电子对的空间结构(即 VSEPR 模型)价层电子对数目： 2 　、　　 3 　　、　　 4 VSEPR 模型： 直线形 　 平面三角形 　　 正四面体形 4、VSEPR 模型的应用——预测分子空间结构由价层电子对的 相互排斥 ，得到含有孤电子对的 VSEPR 模型，然后，略去 VSEPR 模型中的中心原子上的 孤电子对 ，便可得到分子的空间结构。(1)中心原子不含孤电子对分子或离子σ键电子对数孤电子对数VSEPR 模型及名称分子(或离子)的空间结构及名称CO2 2 0 直线形直线形CO 3 0 平面三角形平面三角形CH4 4 0 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价层电子对数孤电子对数VSEPR 模型及名称分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 SO2 3 1 平面三角形 V 形四、杂化轨道理论简介（一）杂化轨道理论要点1、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。2、杂化前后原子轨道数目不变，且杂化轨道的 能量 相同。3、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 。杂化轨道在角度分布上比单纯的 s 或 p 轨道在某一方向上更集中，例如 s 轨道与 p 轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图 ，成键时根据 最大 重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠， 重叠 程度更大，形成的 共价键 更牢固。4、为使相互间的排斥最 小 ，杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同，但形状完全相同。二、杂化轨道类型与分子空间结构的关系1、杂化轨道的类型(1)sp3杂化轨道——正四面体形sp3杂化轨道是由 1 个 ns 轨道和 3 个 np 轨道杂化而成，每个 sp3杂化轨道都含有 s 和 p 的成分，sp3杂化轨道间的夹角为 109°28′ ，空间结构为正四面体形。(2)sp2杂化轨道——平面三角形sp2杂化轨道是由 1 个 ns 轨道和 2 个 np 轨道杂化而成的，每个 sp2杂化轨道含有 s 和 p 成分，sp2杂化轨道间的夹角都是 120°，呈平面三角形。(3)sp 杂化——直线形sp 杂化轨道是由 1 个 ns 轨道和 1 个 np 轨道杂化而成的，每个 sp 杂化轨道含有 s 和 p 的成分，sp 杂化轨道间的夹角为 180°，呈直线形。2、杂化轨道类型与分子空间结构的关系(1)当杂化轨道全部用于形成 σ 键时，分子或离子的空间结构与杂化轨道的空间结构相同。杂化类型 sp sp2sp3轨道夹角 180° 120° 109°28′杂化轨道示意图实例 BeCl2BF3CH4分子结构示意图分子空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形 (2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间结构与杂化轨道的形状有所不同。ABn型分子中心原子杂化类型中心原子孤电子对数空间结构实例AB2sp21 V 形 SO2AB3sp31 三角锥形NH3、PCl3、NF3、H3O＋AB2或(B2A)2 V 形 H2S、NH【考点剖析】考点一　价层电子对互斥模型的理解1．下列关于价层电子对互斥模型的叙述中不正确的是(　　)A．价层电子对互斥模型可用来预测分子的空间结构B．分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构 C．中心原子上的孤电子对不参与互相排斥D．分子中键角越大，价层电子对相互排斥力越小，分子越稳定2．SO 离子的中心原子孤对电子计算公式为中，下列对应的数值正确的是(　　)A．a＝8　x＝3　b＝2B．a＝6　x＝3　b＝2C．a＝4　x＝2　b＝3D．a＝6　x＝2　b＝3考点二　价层电子对互斥模型的应用3．用价层电子对互斥模型判断 SO3分子的空间结构为(　　)A．正四面体形 B．V 形C．三角锥形 D．平面三角形4．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．PH35．下列描述中正确的是(　　)A．CS2为 V 形分子B．ClO 的空间结构为平面三角形C．SF6中有 6 对完全相同的成键电子对D．SiF4和 SO 的中心原子均无孤电子对6．下列分子的 VSEPR 模型与分子的空间结构相同的是(　　)A．CCl4 B．SO2C．NH3 D．H2O7．用价层电子对互斥模型分别预测 H2S 和 BF3的空间结构，两个结论都正确的是(　　)A．直线形　三角锥形 B．V 形　三角锥形C．直线形　平面三角形 D．V 形　平面三角形考点三　杂化轨道的理解8．下列关于杂化轨道的说法中，错误的是(　　)A．Ⅰ A 族元素成键时不可能有杂化轨道B．杂化轨道既可能形成 σ 键，也可能形成 π 键C．s 轨道和 p 轨道杂化不可能有 sp4杂化轨道出现D．孤电子对有可能参加杂化9．下列关于原子轨道的说法正确的是(　　)A．凡中心原子采取 sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体B．CH4分子中的 sp3杂化轨道是由 4 个 H 原子的 1s 轨道和 1 个 C 原子的 2p 轨道混合起来而形成的C．sp3杂化轨道是由同一原子中能量相近的 s 轨道和 p 轨道混合起来形成的一组能量相等的新轨道D．凡 AB3型的共价化合物，其中心原子 A 均采用 sp3杂化轨道成键10．水分子在特定条件下容易得到一个 H＋，形成水合氢离子(H3O＋)。下列对上述过程的描述不合理的是(　　)A．氧原子的杂化类型发生了改变B．微粒的形状发生了改变C．微粒的化学性质发生了改变D．微粒中的键角发生了改变11．下列说法中正确的是(　　)A．PCl3分子是三角锥形，这是因为磷原子是 sp2杂化的结果B．sp3杂化轨道是由任意的 1 个 s 轨道和 3 个 p 轨道混合形成的 4 个 sp3杂化轨道C．中心原子采取 sp3杂化的分子，其空间结构可能是四面体形或三角锥形或 V 形D．AB3型的分子空间结构必为平面三角形12．氨气分子空间结构是三角锥形，而甲烷是正四面体形，这是因为(　　)A．两种分子的中心原子杂化轨道类型不同，NH3为 sp2型杂化，而 CH4是 sp3型杂化B．NH3分子中 N 原子形成三个杂化轨道，CH4分子中 C 原子形成 4 个杂化轨道C．NH3分子中有一对未成键的孤电子对，它对成键电子的排斥作用较强D．氨气的相对分子质量大于甲烷13．了解有机物分子中化学键特征以及成键方式是研究有机物性质的基础。下列关于有机物分子的成键方式的描述不正确的是(　　)A．烷烃分子中碳原子均采用 sp3杂化轨道成键B．炔烃分子中碳碳三键由 1 个 σ 键、2 个 π 键组成 C．甲苯分子中所有碳原子均采用 sp2杂化轨道成键D．苯环中存在 6 个碳原子共有的大 π 键14．如图在乙烯分子中有 5 个 σ 键、一个 π 键，它们分别是(　　)A．sp2杂化轨道形成 σ 键、未杂化的 2p 轨道形成 π 键B．sp2杂化轨道形成 π 键、未杂化的 2p 轨道形成 σ 键C．C—H 之间是 sp2形成的 σ 键，C—C 之间是未参加杂化的 2p 轨道形成的 π 键D．C—C 之间是 sp2形成的 σ 键，C—H 之间是未参加杂化的 2p 轨道形成的 π 键考点四　杂化类型的判断15．在 分子中，羰基( )碳原子与甲基碳原子成键时所采取的杂化方式分别为 ()A．sp2杂化；sp2杂化B．sp3杂化；sp3杂化C．sp2杂化；sp3杂化D．sp 杂化；sp3杂化16．BF3是典型的平面三角形分子，它溶于氢氟酸或 NaF 溶液中都形成 BF，则 BF3和 BF 中 B 原子的杂化轨道类型分别是(　　)A．sp2、sp2 B．sp3、sp3C．sp2、sp3 D．sp、sp217．下列分子所含原子中，既有 sp3杂化，又有 sp2杂化的是(　　)A．乙醛[ ] B．丙烯腈[ ]C．甲醛[ ] D．丙炔[ ]18．氯化亚砜(SOCl2)可作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是 (　　)A．三角锥形、sp3 B．V 形、sp2C．平面三角形、sp2 D．三角锥形、sp219．下列关于 NH、NH3、NH 三种微粒的说法不正确的是(　　)A．三种微粒所含有的电子数相等B．三种微粒中氮原子的杂化方式相同C．三种微粒的空间结构相同D．键角大小关系：NH>NH3>NH