4.1.1　分子的空间结构模型 课件 (共56张PPT)2023-2024学年高二化学苏教版选择性必修2

(共56张PPT)
专题4　分子空间结构与物质性质
第一单元　第1课时　分子的空间结构模型
素 养 目 标
能运用相关的理论来解释或预测简单分子或离子的空间结构。借助实物模型感受、识别,提升模型认知能力,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
一、杂化轨道理论与分子的空间结构
1.sp3杂化与CH4分子的空间结构
(1)杂化轨道的形成
在形成CH4分子的过程中,碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道,
　　　　2s轨道和　　　　2p轨道“混杂”,形成能量相等、成分相同的
　　个sp3杂化轨道。
1个
3个
4
(2)sp3杂化轨道的空间指向
碳原子的4个sp3杂化轨道指向　　　　　　　　　　　　,每个轨道上都有一个未成对电子。
(3)共价键的形成
碳原子的4个　　　　　　　轨道分别与H原子的　　　　轨道重叠,形成4个相同的σ键。
(4)CH4分子的空间结构
CH4分子为空间　　　　　　结构,分子中C—H键之间的夹角——键角都是　 。
正四面体的4个顶点
sp3杂化
1s
正四面体
109°28'
2.sp2杂化与BF3分子的空间结构
(1)sp2杂化轨道的形成
在形成BF3分子的过程中,硼原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道。1个2s轨道和　　　　2p轨道发生杂化,形成能量相等、成分相同的　　　sp2杂化轨道。
2个
3个
(2)sp2杂化轨道的空间指向
硼原子的3个sp2杂化轨道指向　　　　　　　　　　　　　　,3个sp2杂化轨道间的夹角为　　　。
(3)共价键的形成
硼原子的3个　　　　　　轨道分别与3个氟原子的1个2p轨道重叠,形成3个相同的σ键。
(4)BF3分子的空间结构
BF3分子的空间结构为　　　　　　　,键角为　　　　。
平面三角形的三个顶点
120°
sp2杂化
平面三角形
120°
3.sp杂化与BeCl2分子的空间结构
(1)杂化轨道的形成
在形成气态BeCl2分子的过程中,Be原子的1个2s轨道和1个2p轨道发生杂化,形成能量相等、成分相同的　　个sp杂化轨道。
(2)sp杂化轨道的空间指向
两个sp杂化轨道呈　　　　　　,其夹角为　　　　。
(3)共价键的形成
Be原子的2个sp杂化轨道分别与2个Cl原子的1个　　　轨道重叠,形成
　　　相同的σ键。
2
直线形
180°
3p
2个
教材阅读 想一想阅读教材“实验探究”。
思考:CH4、NH3、H2O分子中,中心原子形成什么类型的杂化轨道 为什么三种分子中键角CH4>NH3>H2O
提示 CH4、NH3、H2O分子中,中心原子都是sp3杂化。
CH4分子中碳原子发生sp3杂化形成4个完全等同的sp3杂化轨道,每个轨道上都有一个未成对电子,可与4个氢原子形成4个相同的σ键,由于4个σ键之间排斥作用完全相同,因此CH4为正四面体形结构,键角为109°28';NH3分子中N原子的杂化轨道上有一对孤电子对,H2O分子中O原子的杂化轨道上有两对孤电子对,由于孤电子对对成键电子对的“压缩”,导致分子中键角减小;孤电子对越多,这种“压缩”作用越大,键角越小,因此键角CH4>NH3>H2O。
易错辨析 判一判
(1)在CH4分子中,碳原子为sp3杂化。(　　)
(2)杂化轨道能量集中,形成的共价键更加牢固。(　　)
(3)C2H6、C2H4和C2H2中碳原子的杂化方式相同。(　　)
提示 C2H6、C2H4和C2H2中碳原子的杂化方式不同,碳原子的杂化方式依次为sp3、sp2、sp杂化。
(4)科学家研制出有望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3,其结构为 。已知该分子中N—N—N的键角都是108.1°。四个氮原子相互连接构成的是正四面体。(　　)
提示 N—N—N的键角都是108.1°,故四个氮原子相互连接构成的不是正四面体,应是三角锥。
√
√
×
×
二、确定分子空间结构的方法
1.价层电子对互斥模型
(1)价层电子对互斥模型的基本内容
分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)由于　　　　　　　作用,而趋向于尽可能彼此远离以减小斥力,分子尽可能采取　　　　的空间结构。
相互排斥
对称
(2)价电子对数计算方法
对于ABm型分子(A为中心原子,B为配位原子),分子的价电子对数可以通过下式确定:
在计算中心原子的价电子对数时的注意事项:
①作为配位原子,卤素原子和H原子提供1个价电子,氧族元素的原子按不提供价电子计算。
②作为中心原子,卤素原子按提供7个价电子计算,氧族元素的原子按提供6个价电子计算。
(3)规律
①具有相同价电子对数的分子,中心原子的　　　　　　　　　　　　,价电子对分布的几何构型也相同。
②如果分子中中心原子的杂化轨道上有孤电子对,由于孤电子对比成键电子对更靠近中心原子的原子核,因而价电子对之间的斥力大小顺序为:孤电子对与孤电子对之间的斥力>孤电子对与成键电子对之间的斥力>成键电子对与成键电子对之间的斥力。随着孤电子对数目的增多,孤电子对对成键电子对的排斥作用增强,使得成键电子对与成键电子对之间的键角也被“压缩”而减小。
杂化轨道类型相同
(4)典型实例
分子 BeCl2 BF3 CH4
价电子对数 　 　 　
几何构型 　　 　 　　 　 　 　　 　
键角 180° 120° 109°28'
2
3
4
直线形
平面三角形
正四面体
2.等电子原理
(1)内容:具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构特征,这一原理称为“等电子原理”。
(2)等电子体:原子总数相同、价电子总数相同的分子或离子互为等电子体。
(3)等电子原理的应用
①利用等电子原理可判断简单分子或离子的空间结构,如NH3与H3O+互为等电子体,二者空间结构相同。
②应用于制造新材料。
教材阅读 想一想自学教材“分子中的价电子对(包括成键电子对和孤电子对)”连续两段,“图4-8”和“方法导引”。
思考:运用价层电子对互斥模型分析BCl3和NCl3空间结构是否相同 两种分子中中心原子分别是什么杂化方式
提示 空间结构不同。BCl3和NCl3中心原子分别是sp2和sp3杂化。
BCl3:价电子对数为 =3,价电子对分布的几何构型为平面三角形,分子中价电子对数等于Cl原子数,因此分子空间结构为平面三角形,B原子为sp2杂化。
NCl3:价电子对数为 =4,价电子对分布的几何构型为正四面体形,分子中价电子对数为4,Cl原子数为3,说明分子中还含有一对孤电子对,因此分子空间结构为三角锥形,N原子为sp3杂化。
易错辨析 判一判
(1)NH3和H2O都含有10个电子,互为等电子体。(　　)
提示 NH3和H2O所含原子数不同,二者不是等电子体。
(2)CH4和 空间结构都是正四面体形。(　　)
(3)NF3的价电子对分布的几何构型和分子空间结构相同。(　　)
提示 NF3的中心原子N价电子对数为4,价电子对分布的几何构型为正四面体形,有一对孤电子对,分子空间结构为三角锥形。
(4)SO2和SO3中心原子杂化方式相同,但空间结构不同。(　　)
×
√
×
√
重难探究·能力素养全提升
探究一　杂化轨道
情境探究
有机化合物是自然界中存在最多的一类化合物,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。下图为甲苯和乙醇的球棍模型。
1.烷烃分子中碳原子杂化方式是否相同 采用的杂化轨道类型有哪些
2.甲苯分子中所有碳原子的杂化方式是否相同 采用何种杂化方式 乙醇分子中氧原子采用何种杂化方式
提示 由于碳原子的成键方式均是与其他原子形成单键,所以杂化方式相同,均采用sp3杂化成键。
提示 甲苯分子中碳原子的杂化方式不全相同。其中甲基上的碳原子采用sp3杂化成键,苯环上的所有碳原子均是sp2杂化成键。
乙醇分子中氧原子为sp3杂化。
3.烯烃的碳碳双键和炔烃的碳碳三键上的碳原子的杂化方式是否相同 各是什么杂化方式
提示 不相同。碳碳双键上的碳原子采用的杂化方式是sp2杂化,碳碳三键上的碳原子是sp杂化成键。
方法突破
1.杂化轨道的特点
2.分子空间结构的确定
根据σ键(成键电子对数)和孤电子对数之和确定杂化方式
应用体验
视角1 杂化轨道的特点
1.下列说法正确的是(　　)
A.中心原子为sp3杂化的分子一定是四面体形结构
B.中心原子为sp2杂化的分子不一定是平面形结构
C.通过sp3杂化形成的化合物分子中含有σ键
D.通过sp2或sp杂化形成的化合物分子中一定含有π键
C
解析 有孤电子对的中心原子采用sp3杂化形成的分子可能是V形或三角锥形,A项错误;中心原子为sp2杂化的分子一定是平面结构,B项错误;sp3杂化轨道只能形成σ键或容纳孤电子对,C项正确;BF3中的B原子为sp2杂化,BeF2中Be原子为sp杂化,但二者中均没有π键,D项错误。
2.下列有关杂化理论的说法中正确的是(　　)
A.NCl3分子呈三角锥形,这是氮原子采取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、三角锥形或V形
D.AB3型的分子空间结构必为平面三角形
C
解析 NCl3分子中心氮原子上的价电子对数: =4,因此NCl3分子中氮原子以sp3杂化,A错误;sp3杂化轨道是原子最外电子层上的s轨道和3个p轨道“混杂”起来,形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道,B错误;中心原子采取sp3杂化的分子所得到的价层电子对互斥模型为四面体形,若中心原子上没有孤电子对,则分子空间结构为四面体形,如CH4;若中心原子上有孤电子对,则空间结构发生变化,如NH3、PCl3分子是三角锥形,H2O为V形,D错误,C正确。
视角2 杂化轨道与分子的空间结构
3.下列分子的空间结构可用sp2杂化轨道来解释的是(　　)
①BF3　②CH2═CH2　③Cl2C═CCl2　④CH≡CH　⑤NH3　⑥CH4
A.①②③ B.①⑤⑥
C.②③④ D.③⑤⑥
A
解析 sp2杂化轨道形成夹角为120°的平面三角形,①BF3为平面三角形且B—F键之间的夹角为120°;②C2H4中碳原子发生sp2杂化,且未杂化的2p轨道形成π键;③与②相似;④乙炔中的碳原子发生sp杂化;⑤NH3中的氮原子、⑥CH4中的碳原子均发生sp3杂化。
4.下列分子中中心原子的杂化方式为sp杂化,分子的空间结构为直线形且分子中没有形成π键的是(　　)
A.C2H2 B.CO2 C.BeCl2 D.
C
解析 C2H2的结构简式为CH≡CH,分子中含有π键,A错误;CO2的结构式为O═C═O,分子中含有π键,B错误;BeCl2分子中,铍原子形成两个共价单键,不含孤电子对,中心原子以sp杂化轨道成键,分子的空间结构为直线形,分子中不含π键,C正确; 中S原子的价电子对数为4,是sp3杂化,为正四面体形,D错误。
归纳总结　有机化合物中碳原子的杂化方式
在有机化合物中:
饱和碳原子连接4个单键(形成4个σ键),则该碳原子为sp3杂化,如CH4、CH3CH3中碳原子均为sp3杂化。
若碳原子连接1个双键和2个单键(形成3个
σ键),则该碳原子为sp2杂化,如CH2═CH2、HCHO中碳原子均为sp2杂化。
若碳原子连接1个三键和1个单键或两个双键(形成2个σ键),则该碳原子为sp杂化,如CH≡CH中碳原子和CH2═C═O、CH2═C═CH2中连接2个双键的碳原子为sp杂化。
探究二　确定分子空间结构的简易方法
情境探究
下面是几种分子或离子的空间结构和杂化方式。
1.如何快速判断一个化合物的中心原子的杂化类型
提示 一看:分子的空间结构,如果是直线形,则是sp杂化;如果是平面三角形,则是sp2杂化;如果是四面体形,则是sp3杂化。
二看:中心碳原子有没有形成双键或三键,如果有1个三键,则其中有2个是π键,用去了2个p轨道,所以形成的是sp杂化;如果有1个双键,则其中有1个π键,用去了1个p轨道,所以形成的是sp2杂化;如果全部是单键,则形成的是sp3杂化。
3.请根据SO2的分子结构,推断O3分子的空间结构和中心原子的杂化方式。
2.H2O和SO2两种分子空间结构都是V形,二者的键角大小有何关系
提示 SO2分子的键角大于H2O分子。H2O分子中氧原子为sp3杂化,氧原子除与氢原子形成2个σ键外,还有2对孤电子对,由于孤电子对对σ键的排斥作用,则分子中键角小于109°28';SO2分子中硫原子为sp2杂化,硫原子除与氧原子形成2个σ键外,还有1对孤电子对,由于孤电子对对σ键的排斥作用,则分子中键角略小于120°,因此SO2分子的键角大于H2O分子。
提示 O3分子空间结构为V形,中心氧原子为sp2杂化。SO2与O3为等电子体,结构相似。
方法突破
价层电子对互斥模型在确定分子空间结构中的应用
(1)确定中心原子A的价电子对数目
①对于ABm型分子,中心原子的杂化轨道数可以这样计算:
n= (中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数)。
例如:
②离子的杂化轨道计算:
n= (中心原子的价电子数+配位原子的成键电子数±电荷数)。
注意:①中心原子为主族元素和0族元素时,价电子数等于其最外层电子数。
②在ABm型分子或离子中配位原子:卤素原子和氢原子提供1个价电子;氧原子和硫原子按不提供价电子计算。
(2)确定价电子对的几何构型
由于价电子对之间的相互排斥作用,它们趋向于尽可能地相互远离。价电子对的空间结构与价电子对数目的关系如表:
价电子 对数目 2 3 4 5 6
价电子 对结构 直线形 平面三角形 正四面体形 三角 双锥形 如PCl5 为三角 双锥形 正八面
体形
如SF6
为正八
面体形
(3)确定分子空间结构
根据分子中成键电子对数和孤电子对数,可以确定相应的较稳定的分子空间结构,如下表:
价电子 对数 成键电 子对数 孤电子 对数 价层电子 对互斥模型 分子空 间结构 实例
2 2 0 直线形 直线形 BeCl2
3 3 0 三角形 平面三角形 BF3
2 1 V形 SnBr2
4 4 0 四面体形 正四面体形 CH4
3 1 三角锥形 NH3
2 2 V形 H2O
例如,H2O中的中心原子为氧原子,其价电子数为6,氢原子未成对电子数为1,可知:
应用体验
视角1 价层电子对数和孤电子对数的计算
1.计算下列分子中标“·”原子的价层电子对数
2.计算下列分子中标“·”原子的孤电子对数
4
2
3
4
2
0
0
1
视角2 分子或离子空间结构的判断
3.根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型,判断下列分子或者离子的空间结构正确的是(　　)
D
归纳总结　杂化轨道类型的判断方法
1.根据分子的空间结构判断
常考的分子或离子结构多为直线形、平面三角形、V形、四面体形、三角锥形等,故可按图索骥、简单判断,如CO2、C2H2为直线形,中心原子为sp
2.根据价层电子对互斥模型判断
根据价层电子对互斥模型能够比较容易而准确地判断ABm型共价分子或离子的空间结构和中心原子杂化轨道类型。
3.根据共价键类型判断
中心原子杂化轨道数n=中心原子的σ键数+中心原子的孤电子对数(双键、三键中只有一个σ键,其余均为π键)。如HCN的中心原子碳原子无孤电子对,形成2个σ键,因此C为sp杂化。
4.应用取代法判断
以常见的、熟悉的基础物质分子为原型,用其他原子或原子团取代原型分子中的部分原子或原子团,得到的新分子的中心原子与原型分子对应的中心原子的杂化轨道类型相同。如:
(1)CH3CH═CH2分子中碳原子的杂化轨道类型判断,可看作乙烯基取代了甲烷分子中的一个氢原子,则甲基碳原子采用sp3杂化;也可看作甲基取代了乙烯分子中的一个氢原子,故两个不饱和碳原子均采用sp2杂化。
(2)B(OH)3可看作三个羟基取代了BF3中的氟原子,可知B(OH)3中硼原子采用sp2杂化。
4.[2023河北唐山高二期末]根据价层电子对互斥模型判断下列各组分子或离子的空间结构相同的是(　　)
A.SO2和CO2 B.BF3和NH3
C.PH3和H2S D.CCl4和
D
A
6.(1)LiAlH4是有机合成中常用的还原剂,LiAlH4中的阴离子空间结构是　　　　　,中心原子的杂化形式为　　　　。
(2)《中华本草》等中医典籍中,记载了炉甘石(ZnCO3)入药,可用于治疗皮肤炎症或表面创伤。ZnCO3中,阴离子空间结构为　　　　　,C原子的杂化形式为　　　　。
(3) 的空间结构为　　　　　　　　　(用文字描述)。
(4)我国科学家成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)。经X射线衍射测得化合物R的晶体结构,其局部结构如图所示。
从结构角度分析,R中两种阳离子的相同之处为　　　　(填字母,下同),不同之处为　　　　。
A.中心原子的杂化轨道类型 B.中心原子的价电子对数
C.空间结构 D.共价键类型
答案 (1)正四面体形　sp3
(2)平面三角形　sp2
(3)平面三角形
(4)ABD　C
本 课 结 束