2.2分子的空间结构 课件(共63张PPT)

(共63张PPT)
第二节 分子的空间结构
第二章 分子结构与性质
P4O6
SF6
P4
P4O10
C60
S8
椅式C6H12
船式C6H12
【资料卡片】
一些分子的空间结构模型
分子的世界形形色色，异彩纷呈，美不胜收，常使人流连忘返。那么分子结构又是怎么测定的呢？
一、分子结构的测定
早年的科学家主要靠对物质的化学性质进行系统总结得出规律
分子结构的测定
推测
如今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。
现代仪器和方法
红外光谱仪
X射线衍射仪
1、用红外光谱法测定分子结构
——测定分子所含化学键或官能团
光源
棱镜
红外线
样品（不断振动的分子吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线）
红外图谱
记录
①红外光谱仪原理
红外图谱
分析吸收峰
与谱图库比对，或通过量子化学计算
推断分子所含的官能团和化学键
②分子结构的测定
强调：推断分子所含的官能团和化学键。
B
A
【课堂练习1】某未知物分子式为C2H6O，可能的结构 A或B，根据红外光谱图确定其结构。
分析：通过红外光谱图，发现未知物中含有O-H、C-H和C-O的振动吸收，可初步推测该未知物中含有羟基。可以确定其结构是A。
质谱仪
2、质谱法
——测定分子的相对分子质量
样品源
分子离子
碎片离子
质谱图
记录仪出现一系列峰
分子失去电子
电场加速
磁场偏转
根据离子相对质量不同分离
①质谱仪原理
相对分子质量＝最大质荷比
被测物的相对分子质量是92，该物质是甲苯（C6H5CH3)
m
z
分子碎片
②相对分子质量的测定
纵坐标是相对丰度（与粒子的浓度成正比）
横坐标是粒子的相对质量与其电荷数之比( )，简称质荷比。
【课堂练习2】某有机化合物A的红外光谱和质谱图如下图所示，由此可判断该有机化合物A是 (　 　)
A.甲醇 B.甲烷 C.丙烷 D.乙烯
A　
大多数分子是由两个以上的原子构成的，于是分子就有了原子的几何学关系和形状，这就是分子的空间结构。
双原子分子空间结构——直线形 键角180°
H2
O2
N2
HCl
O=O
N≡N
H-Cl
H-H
二、多样的分子空间结构
1、双原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 分子的空间结构模型 空间结构
空间充填模型 球棍模型 CO2
H2O
HCN
O
:
:
:
C
O
:
:
:
:
:
H
:
O
H
:
:
:
O=C=O
180°
直线形
V形
105°
三原子分子空间结构——直线形和V形（又称角形）
直线形
180°
H—C≡N
H
:
C
N
:
:
:
2、三原子分子
四原子分子空间结构——平面三角形、三角锥形、直线形或四面体形
化学式 电子式 结构式 键角 分子的空间结构模型 空间结构
空间充填模型 球棍模型 CH2O
NH3
C2H2
H
:
C
O
:
:
:
:
:
H
H
:
N
H
:
:
:
H
H
:
C
C
:
:
H
:
:
120°
107°
平面三角形
三角锥形
180°
直线形
H-C≡C-H
3、四原子分子
4、五原子分子
化学式 电子式 结构式 键角 分子的空间结构模型 空间结构
空间充填模型 球棍模型 CH4
109°28'
正四面体形
H
:
C
H
:
:
:
H
H
空间结构——构型更多，主要是四面体形
问题：五原子分子都是正四面体形结构吗
提示：不是。如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等，虽为四面体形结构，但由于碳原子所连的四个原子不相同，使四个键的键长、键角不全相等，所以并不是正四面体形结构。
课堂小结
测定分子结构方法
晶体X射线衍射法
红外光谱法
化学键或官能团
质谱法
相对分子质量
分子空间结构
三原子
直线形
V形
四原子
平面三角形
三角锥形
五原子
形状很多，主要正四面形
化学式 电子式 分子空间结构模型 成键特点
CO2
H2O
CH2O
NH3
中心原子C最外层电子全部与2个O成双键
中心原子O最外层电子两个与O成键，有2个孤电子对
中心原子C最外层电子2个与O成双键，2个与H键成单键
中心原子N最外层电子3个与H成单键，1对孤电子对
难道分子空间结构除了与成键原子数有关，还与孤电子对有关？
【问题与讨论】
三原子分子CO2和H2O、四原子分子CH2O和NH3，为什么它们的空间结构不同？比较其电子式，你能找到原因吗？
孤电子对：指未形成共价键的成对价电子
为了探其原因，发展了许多结构理论。有一种比较简单的理论叫做价层电子对互斥模型(VSEPR models) ，这种简单的理论可用来预测分子的空间结构。
分子的空间结构是中心原子周围的“价层电子对”相互排斥的结果。
ABn型分子：
价层电子对
互相排斥
尽可能远离
能量最低最稳定
注意：多重键只计其中σ键的电子对，不计π键电子对。
价层电子对数：
是指分子中的中心原子与结合原子间的σ 键电子对和中心原子上的孤电子对数。
三、价层电子对互斥模型(VSEPR模型)
1、内容
价层电子对数=σ 键电子对+中心原子上的孤电子对数
①σ 键电子对数
由化学式确定
σ键电子对数＝中心原子结合的原子数
分子 中心原子 共价键 键数 键电子对数
H2O O O－H 2
NH3 N N－H 3
SO3 S 3
SO42- S 4
2
3
3
4
2、价层电子对数的确定
②中心原子上的孤电子对数
a：根据电子式直接确定
1
2
0
0
0
0
中心原子上孤电子对数＝ (a-xb)
2
1
中心原子价电子数
与中心原子结合的原子数
与中心原子结合的原子最多容纳电子数(H为1，其它原子为：8-价电子数)
b：根据公式计算确定
对主族元素，a = 最外层电子数；
对于阳离子，a = 价电子数-离子电荷数；
对于阴离子，a = 价电子数+|离子电荷数|。
(1)以P和S为例，说明如何根据主族元素在周期表中的位置确定它的价电子数。
(2)以N和Cl为例，说明如何根据主族元素在周期表中的位置确定它最多能接受的电子数。
主族元素价电子数＝最外层电子数＝主族序数
P原子价电子数为5； S原子价电子数为6
主族元素最多接受电子数＝8-最外层电子数＝8-主族序数(H为1)
最多接受电子数：N原子为8－5＝3， S原子为8－6＝2
【思考与讨论】
③价层电子对数
价层电子对数=σ 键电子对+中心原子上的孤电子对数
化学式 价层电子对数 结合的原子数 孤电子对数
H2O 4 2 2
SO3 3 3 0
NH3 4 3 1
CO2 2 2 0
SF4 5 4 1
SF6 6 6 0
PCl5 5 5 0
PCl3 4 3 1
CH4 4 4 0
化学式 价层电子对数 结合的原子数 孤电子对数
HCN 2 2 0
SO2 3 2 1
NH2－ 4 2 2
BF3 3 3 0
H3O+ 4 3 1
SiCl4 4 4 0
CHCl3 4 4 0
NH4+ 4 4 0
SO42－ 4 4 0
价层电子对数 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6
VSEPR 模型
VSEPR 模型名称
直线形
平面三角形
四面体形
三角双锥
八面体形
3、确定VSEPR模型
去掉VSEPR 模型中的孤对电子，得到分子的真实构型。
含孤电子对的VSEPR模型
分子空结构模型
H2O
NH3
四面体形
V形
三角锥形
4、确定分子空间结构
分子或离子 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR模型 VSEPR模型名称 分子或离子的空间结构 分子或离子的空间结构名称
CO2
SO2
CO32-
CH4
表2-4 根据价层电子对互斥模型对几种分子或离子的空间结构的推测
0
1
0
0
2
3
3
4
直线形
平面
三角形
平面
三角形
正四
面体形
直线形
V形
平面
三角形
正四
面体形
①预测分子立体构型
BF3
NH4+
SO32-
孤电子对数
价层电子对数
VSEPR模型
VSEPR模型名称
空间结构
空间结构名称
0
3
平面
三角形
平面
三角形
0
4
正四
面体形
正四
面体形
1
4
四面体形
三角锥形
【思考与讨论】确定BF3、NH4+和SO32-的VSEPR模型和它们的空间结构，并与同学交流。
5、VSEPR模型的应用
（1）确定σ键电子对数
（2）确定中心原子上的孤电子对数
（3）得到中心原子上的价层电子对数
价层电子对数 ＝σ键电子对数＋孤电子对数
（4）画出分子的VSEPR模型
（5）略去孤电子对，得到分子的立体构型
小结：确定分子的空间结构的步骤：
②判断分子中键角的大小
【2021年全国乙卷】H2O的键角小于NH3的，分析原因。
答案：H2O中含有两对孤电子对而NH3中含有一对孤电子对，H2O中孤电子对对成键电子对的排斥作用较大。
CH4
H2O
NH3
解析：CH4、H2O、NH3的价层电子对均为4，VSEPR模型均为四面体形
这是由于孤电子对有较大的斥力的原因。孤电子对越多，与成键电子对之间的排斥力越大，键角越小。
结论：价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：
孤电子对－孤电子对＞孤电子对－成键电子对＞成键电子对－成键电子对
>成键电子对－单电子
【课堂练习3】NO2与SO2空间构型均为V形，NO2键角大于120°，分析原因。
解析：NO2与SO2的价层电子对均为3，VSEPR模型均为平面三角形，但NO2中孤电子是一个单电子，NO2键角大于120°，SO2键角小于120°
说明斥力：电子对-电子对>电子对-单电子，。
【课堂练习4】预测NO2、NO2-、NO2+的结构并比较键角大小
NO2价层电子对为3，VSEPR模型均为平面三角形，但NO2中孤电子是一个单电子，由于斥力：电子对-电子对>电子对-单电子，NO2键角大于120°。
NO2-价层电子对为3，VSEPR模型均为平面三角形，孤电子对数为1，由于斥力：孤电子对-成键电子对>成键电子对-成键电子对，NO2-键角小于120°。
NO2+价层电子对为2，VSEPR模型均为直线型，键角180°。
A的价层电子对数 成键电子对数 孤电子对数 VSEPR模型 分子空间构型 分子类型 实 例
2 2 0
3 3 0
2 1
直线形
AB2
CO2、BeCl2、HgCl2
平面三角形
AB3
SO3、NO3- 、BF3
V形
AB2
O3、NO2- 、PbCl2
共价分子的构型
【总结】
A的价层电子对数 成键电子对数 孤电子对数 A的价层电子对排布方式 分子空间构型 分子类型 实 例
4 4 0
3 1
2 2
正四面体
AB4
CH4、SO42-、PO43-
三角
锥形
AB3
NH3、ClO3- 、NF3
AB2
H2O、SCl2
V形
A的价层电子对数 成键电子对数 孤电子对数 A的价层电子对排布方式 分子空间构型 分子 类型 实 例
5
5 0
三角
双锥
4 1
变形四
面体
3 2
ClF3
2 3
直线形
SF4
PCl5
T形
AB5
AB4
AB3
AB2
A的价层电子对数 成键电子对数 孤电子对数 A的价层电子对排布方式 分子空间构型 分子类型 实 例
6
6 0
正八
面体
5 1
四方
锥形
IF5
4 2
平面
正方形
AB6
AB5
AB4
SF6
1.预测分子的空间结构方法：
σ键电子对数
孤电子对数
价层电子对数
VSEPR模型
空间结构
2.比较键角的大小：
①根据VSEPR模型，直线型键角>平面三角形>四面体形
②结构相同，随着孤电子对数目的增多，孤电子对与成键电子对之间的斥力增大，键角减小。
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。
课堂小结
价层电子对互斥模型(VSEPR模型)
略去孤电子对
1. 根据基态原子的价层电子轨道表示式，解释为什么碳原子与氢原子结合形成CH4，而不是CH2 ？
价层电子轨道表示式（电子排布图）
C
H
1s
解决方案：碳原子的一个2s电子受外界影响跃迁到2p的空轨道上，使碳原子价层有四个单电子，因此碳原子与氢原子结合生成CH4。
1s
激发
1s
1s
1s
1s
【问题与讨论】
2. CH4分子为什么能形成正四面体结构？
按照我们已经学过的价键理论，甲烷的4个C-H单键都应该是σ键，然而，碳原子的4个价层原子轨道是3个相互垂直的2p 轨道和1个球形的2s轨道，用它们跟4个氢原子的1s原子轨道重叠，不可能得到正四面体构型的甲烷分子。
为了解决这一矛盾，鲍林提出了杂化轨道理论，杂化轨道理论是一种价健理论模型。
甲烷分子中C原子的1个2s轨道与3个2p轨道形成4个相同的sp3杂化轨道，夹角109°28′分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个C-Hs-sp3σ键，呈正四面体形。
解决方案：
sp3杂化轨道
四、杂化轨道理论简介
价层电子
空轨道
激发
杂化轨道
轨道重新组合
成对电子中的一个
与激发电子临近
能量相近、类型不同的原子
吸收能量
轨道总数目不变，角度和形状发生变化，成键时释放能量较多，轨道重叠程度更大，生成的分子更稳定
对杂化过程的理解
1、概念：
原子轨道杂化
杂化轨道
在外界条件影响下，中心原子能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。
原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化轨道。
2、杂化的条件：
(1)只有在形成化学键时才能杂化
(2)只有能量相近的轨道间才能杂化
（同一能级组或相近能级）
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
109°28′
3、杂化轨道的类型
①sp3杂化
sp3杂化轨道特征：
①1个ns 轨道与3个np 轨道进行的杂化，形成4个sp3 杂化轨道。
②每个sp3杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有 1/4 s 轨道和 3/4 p 轨道的成分。
③每两个轨道间的夹角为109 28′，空间构型为正四面体形。
【问题与讨论】如何用杂化轨道理论解释NH3和H2O的空间结构呢？
注：杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。
NH3分子中氮原子的4个sp3杂化轨道1个被孤电子对占据，3个与氢原子的1s轨道重叠，形成3个C-Hs-sp3σ键。
H2O分子中氧原子的4个sp3杂化轨道2个被孤电子对占据，2个与氢原子的1s轨道重叠，形成2个C-Hs-sp3σ键。
VSEPR模型四面体形
中心原子采用sp3杂化。如SO42-、NH4+等）
结论：
2s
2p
sp3不等性杂化
sp3
N
NH3
H2O
sp3不等性杂化
sp3
2p
2s
O
②sp2杂化
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
120°
②每个sp2杂化轨道的形状也为一头大，一头小，含有 1/3 s 轨道和 2/3 p 轨道的成分。
sp2杂化轨道特征：
①1个s 轨道与2个p 轨道进行的杂化，形成3个sp2 杂化轨道。
③每两个轨道间的夹角为120°，呈平面三角形。
④ 3个sp2杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的p轨道用于形成π键。
【问题与讨论】如何用杂化轨道理论解释CH2=CH2和BF3的空间结构呢？
↑
↑
↑
↓
2s
2p
↑
↑
↑
↑
sp2
sp2杂化
CH2=CH2分子中碳原子的3个sp2杂化轨道有一个相互重叠形成sp2-sp2σ键，另外2个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-sp2σ键，未参与杂化的2P轨道相互重叠形成π键。
↑
↑
↓
2s
2p
↑
↑
↑
sp2
sp2杂化
120°
BF3分子中硼原子的3个sp2杂化轨道与氟原子p轨道重叠形成三个p-sp2σ键
VSEPR模型平面三角形
中心原子采用sp2杂化（CO32-、SO2等）
结论：
CH2=CH2
BF3
B
C
③sp杂化
x
y
z
x
y
z
z
x
y
z
x
y
z
180°
②每个sp杂化轨道的形状为一头大，一头小，含有1/2 s 轨道和1/2 p 轨道的成分。
①1个s 轨道与1个p 轨道进行的杂化，形成2个sp杂化轨道。
sp杂化轨道特征：
③两个轨道间的夹角为180°，呈直线型。
④ 2个sp杂化轨道用于形成σ键，未参与杂化的2个p轨道用于形成2个π键。
【问题与讨论】如何用杂化轨道理论解释CH≡CH和BeCl2的空间结构呢？
CH≡CH分子中碳原子的2个sp杂化轨道有一个相互重叠形成sp-spσ键，另外1个杂化轨道与氢原子1s轨道重叠形成两个s-spσ键，未参与杂化的2个2P轨道相互重叠形成2个π键。
BeCl2分子中铍原子的2个sp杂化轨道与氟原子p轨道重叠形成三个sp-pσ键
VSEPR模型直线形
中心原子采用sp杂化（CO2等）
结论：
CH≡CH
BeCl2
↑
↓
2s
2p
sp2杂化
↑
↑
sp
Be
↑
↑
↑
↓
2s
2p
sp杂化
↑
↑
sp
↑
↑
C
4、杂化轨道理论规律：
杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数，杂化前后轨道数不变
杂化过程中轨道的形状、方向发生变化，杂化后的新轨道能量、形状都相同
③ 杂化轨道用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。未参与杂化的p轨道，可用于形成π键。
④ 杂化前后原子轨道在空间取最大夹角分布，能使相互间排斥力最小。故形成的键较稳定，成键能力增强。不同类型的杂化轨道之间夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。
确定BF3和H3O+的中心原子的杂化轨道类型，并与同学讨论。
第一步 计算中心原子孤电子对数：
BF3
H3O+
第二步 计算价层电子对数：
3+0＝3
3+1＝4
第三步 确定VSEPR模型：
第四步 确定杂化轨道类型：
sp2
sp3
第三步 确定杂轨道数：
3
4
【思考与讨论】
5、VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型
典型例子
价层电子对数
VSEPR模型
VSEPR模型名称
杂化轨道数
中心原子的杂化轨道类型
分子空间结构
直线形
平面三角形
平面三角形
四面体
四面体
正四面体
sp
sp2
sp3
sp2
sp3
sp3
CO2
SO2
SO3
H2O
NH3
CH4
2+0＝2
2+1＝3
3+0＝3
2+2＝4
3+1＝4
4+0＝4
2
3
3
4
4
4
直线形
V形
平面三角形
三角锥形
正四面体
V形
①对于主族元素来说，
中心原子的杂化轨道数=价层电子数=σ键电子对数 + 孤电子对数
当中心原子的价层电子对数为4时，其杂化类型为 杂化，
当中心原子的价层电子对数为3时，其杂化类型为 杂化，
当中心原子的价层电子对数为2时，其杂化类型为 杂化。
sp3
sp2
sp
6、杂化轨道类型的判断：
化学式 H3O+ NH2- CO2 CHCl3 COCl2 PCl3
σ键电子对
孤电子对
杂化类型
【课堂练习5】推测下列微粒中心原子的杂化类型：
3
1
2
2
2
0
4
0
3
0
3
1
sp3
sp3
sp
sp3
sp2
sp3
σ键电子对数
+孤电子对数
价层电子对数
价层电子互斥理论
杂化轨道类型
分子空间结构
预测
解释
杂化轨道理论
小结：
VSEPR模型
②含碳化合物中碳原子的杂化类型判断
如果碳原子形成1个三键或两个双键，则其中有2个π键，用去2个p轨道，形成的是sp杂化，如CO2、HC≡CH等；
如果碳原子形成1个双键则其中必有1个π键，用去1个p轨道，形成的是sp2杂化，如HCHO、CH2=CH2等；
如果全部是单键（即碳原子饱和），则形成sp3杂化，如CH4、CH3OH等。
【课堂练习】推测下列有机物中碳的杂化类型：
(1)CH3CH2CH3 (2)CH3CH=CH2 (3)CH≡CCH=CH2
sp3
sp3
sp3
sp3
sp2
sp2
sp
sp
sp2
sp2
PCl3中心原子的杂化类型为sp3，那么PCl5中心原子的杂化类型如何？
三角双锥
sp3d杂化
↑
↑
↑
↓
3s
3p
↑
3d
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
3s
3p
↑
3d
↑
激发
杂化
7、其他典型的杂化类型
SF6中心原子的杂化
正八面体
sp3d2杂化
↑
↑
↑
↓
3s
3p
↑
3d
↓
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
激发
↑
↑
↑
3s
3p
↑
3d
↑
↑
杂化
C6H6平面形分子，键角120 。
C：sp2等性杂化 3条杂化轨道互成120°角 。未杂化的p轨道形成p-p大π键
石墨分子结构是层形结构，每层是由无限个碳六元环所形成的平面，碳原子取sp2杂化，每个碳原子尚余一个未参与杂化的p轨道，垂直于分子平面而相互平行。平行的n个p轨道形成了一个p-p大π键。电子在这个大π键中可以自由移动，所以石墨能导电。
物质 价电 子对数 中心原 子杂化 轨道类型 杂化轨道/ 电子对空 间构型 轨道 夹角 分子空 间构型 键角
气态BeCl2
CO2
BF3
CH4
NH4+
H2O
NH3
PCl3
2
2
3
4
4
4
4
4
sp
sp
sp2
sp3
直线形
直线形
平面三角形
正四面体
180°
180°
120°
109.5°
直线形
直线形
平面三角形
正四面体
V形
三角锥形
180°
180°
120°
109.5°
109.5°
104.5°
107.3°
107.3°
常见共价粒子的杂化方式
课堂小结
原子轨道杂化
杂化轨道
在外界条件影响下，中心原子能量相近的原子轨道发生混杂，重新组合成一组新的轨道的过程。
原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化轨道。
①杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数
②杂化改变了原子轨道的形状和方向
③杂化使原子的成键能力增强
④杂化轨道用于构建分子的σ轨道和孤电子对轨道
杂化轨道理论要点
杂化轨道类型
sp3杂化、sp2杂化、sp杂化……