2.1.1分子结构的测定多样的分子空间结构 价层电子对互斥模型（导学案）（含答案）-2024年化学 选择性必修2
文档属性
| 名称 | 2.1.1分子结构的测定多样的分子空间结构 价层电子对互斥模型（导学案）（含答案）-2024年化学 选择性必修2 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 816.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-03-05 21:52:27 | ||
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文档简介
第二节 分子的空间结构
第1课时 分子结构的测定多样的分子空间结构
价层电子对互斥模型
1.通过对分子结构测定方法的学习,能说明分子的结构测定的常用方法,能辨识简单的波谱图。
2.通过对典型分子空间结构的学习,认识微观结构对分子空间结构的影响,能够辨识分子结构的多样性及复杂性,能分析构成不同物质分子空间结构差异及其原因。
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,能应用价层电子对互斥模型进行解释和预测分子的空间结构。
学习任务1 认识分子结构的测定
1.分子结构的测定方法
2.红外光谱在测定分子结构中的应用
(1)红外光谱仪工作原理: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。
(2)应用:分析分子中含有何种化学键或官能团的信息。
(3)示例:通过此红外光谱图发现某未知物有O—H、C—H、和C—O化学键的振动吸收,初步推测该未知物中含有的官能团为羟基。
通过红外光谱图可以推断分子中化学键或官能团的种类,能否确认化学键或官能团的个数
提示:不能。
3.质谱法
(1)应用:测定分子的相对分子质量。
(2)读谱:相对分子质量=最大质荷比。
(3)示例(以甲苯为例)。
由图可得,甲苯的相对分子质量为92。
某有机化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图只有C—H、O—H、C—O的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,则该有机物的结构简式是( B )
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2OH D.CH3COOH
解析:A中不存在O—H;C中有机物的相对分子质量不是60;D中还存在CO。
研究有机化合物一般要经过以下几个基本步骤,每个步骤中都有一些常用的基本方法。
分离、提纯确定实验式确定分子式确定分子结构
探究 有机物组成、结构的测定方法
分离提纯某有机物A并用化学方法测定其元素组成,确定其最简式(有机物分子中各原子最简整数比即为其最简式,又称实验式)为C2H6O。
问题1:用质谱仪测定有机物A的质谱图如下,据此可知A的相对分子质量是多少 结合其最简式确定该有机物的分子式。
提示:根据质荷比最大值可以确定A的相对分子质量是46;结合其最简式为C2H6O,可推知A的分子式为C2H6O。
问题2:用红外光谱仪处理有机物A,得到如图所示信息。推测该有机物A含有的化学键或官能团。
提示:该物质中含有C—H、O—H、C—O,可以推测该有机物含有羟基官能团。
问题3:核磁共振氢谱图可以获得有机化合物分子中有几种不同类型的氢原子及它们相对数目的信息。处在不同化学环境中的氢原子在谱图上出现的位置不同,且核磁共振氢谱中吸收峰的面积与氢原子数成正比。测得A的核磁共振氢谱如图所示,推测A中有几种氢原子,各种氢原子个数之比是多少
提示:核磁共振氢谱有三个峰对应三种氢原子,峰面积之比是1∶2∶3,说明三种氢原子个数之比为1∶2∶3。
问题4:综合以上信息,写出该有机物A的结构简式。
提示:CH3CH2OH。
分子结构的测定的常用方法比较
方法 原理 应用
红外光 谱图 不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图中将处于不同的位置,从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息 推知有机物中含有哪些化学键、官能团
质谱法 质谱图中质荷比最大值就是样品分子的相对分子质量(质荷比:指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷数的比值) 推知相对分子质量
1.设H+的质荷比为β,某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷,信号强度与该离子的多少有关),则该有机物可能是( B )
A.甲醇(CH3OH) B.甲烷
C.丙烷 D.乙烯
解析:从题图中可看出其右边最高质荷比为16,是H+质荷比的16倍,即其相对分子质量为16,可能是甲烷。
2.如图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图,则该有机物可能为( A )
A.CH3COOCH2CH3
B.CH3CH2CH2COOH
C.HCOOCH2CH2CH3
D.(CH3)2CHCH2COOH
解析:本题所给选项中有机物的结构简式分别为、、、。首先排除D项,因D项的分子式为C5H10O2,与题干不符;再由题图可知有不对称—CH3、C—O—C,则排除B、C项;而A项存在不对称—CH3、CO与C—O—C,所以该有机物可能是CH3COOCH2CH3。
学习任务2 认识多样的分子空间结构
多原子分子中存在原子的几何学关系和形状,即“分子的空间结构”。
分子类型 化学式 结构式 空间结构模型 键角 空间结构名称
三原子分子 CO2 OCO 180° 直线形
H2O 105° V形(又称角形)
四原 子分 子 CH2O 120° 平面三角形
NH3 107° 三角锥形
五原 子分子 CH4 109°28′ 正四面 体形
四原子分子一定都是平面三角形或三角锥形吗
提示:不一定。如乙炔分子(C2H2)是四原子分子,其空间结构为直线形。
判断正误。
(1)所有的三原子分子都是直线形结构。( × )
提示:也可能是V形。
(2)所有的四原子分子都是平面三角形结构。( × )
提示:也可能是三角锥形(如NH3)或正四面体形(如白磷)等。
(3)CH4、SiH4、SiCl4、CH3Cl等五原子分子均为正四面体结构。( × )
提示:CH3Cl不是正四面体结构。
(4)正四面体形的键角均为109°28′。( × )
提示:不一定,如白磷(P4)中的键角为60°。
探究 分子的空间结构及相关因素
问题1:H2S中,两个H—S的键角接近90°,BeCl2中两个Be—Cl的键角是180°,推测H2S和BeCl2的分子的空间结构分别是怎样的
提示:H2S的空间结构是V形,BeCl2的空间结构是直线形。
问题2:CH3Cl分子是正四面体形结构吗
提示:C—H与C—Cl的键长不同,所以CH3Cl是四面体形,但不是正四面体形。
问题3:白磷(P4)分子为正四面体形,其键角是否与甲烷一样也为109°28′
提示:不是。白磷分子中四个P原子位于四面体顶点,因此其键角为60°。
问题4:NH3与BF3分子组成相似,但NH3是三角锥形,而BF3是平面三角形,试写出两种分子的电子式,并结合以上分析总结分子的空间结构与哪些因素有关。
提示:H;分子的空间结构与原子数目、键长、键角、孤电子对等有关。
分子的空间结构与键角的关系
分子类型 键角 空间结构 实例
AB2 180° 直线形 CO2、BeCl2、CS2
<180° V形 H2O、H2S
AB3 120° 平面三角形 BF3、BCl3
<120° 三角锥形 NH3、PH3
AB4 109°28′ 正四面体形 CH4、CCl4
1.下列分子的空间结构错误的是( B )
A.SO2: B.NH3:
C.CS2: D.CH4:
解析:NH3的空间结构是三角锥形,B错误。
2.下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是( B )
A.键角为180°的分子,空间结构是直线形
B.键角为120°的分子,空间结构是平面三角形
C.键角为60°的分子,空间结构可能是正四面体形
D.键角为90°～109°28′之间的分子,空间结构可能是V形
解析:键角为180°的分子,空间结构是直线形,例如CO2分子是直线形分子,A正确;苯分子的键角为120°,但其空间结构是平面正六边形,B错误;白磷分子的键角为60°,空间结构为正四面体形,C正确;水分子的键角为105°,空间结构为V形,D正确。
学习任务3 探究价层电子对互斥模型
1.价层电子对互斥模型
(1)模型要点: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。
(2)价层电子对
2.中心原子上价层电子对数的计算
(1)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中的中心原子为O,O有2个σ键电子对,NH3中的中心原子为N,N有3个σ键电子对。
(2)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为中心原子的价电子数。
对于主族元素:a=原子的最外层电子数。
对于阳离子:a=中心原子的价电子数-离子的电荷数。
对于阴离子:a=中心原子的价电子数+离子的电荷数(绝对值)。
②x为与中心原子结合的原子数。
③b为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。
如何确定C和N的中心原子的孤电子对数
提示:阳离子:a为中心原子的价电子数减去离子的电荷数,故N中的中心原子为N,a=5-1,b=1,x=4,所以中心原子上的孤电子对数为(a-xb)=×(4-4×1)=0。
阴离子:a为中心原子的价电子数加上离子的电荷数(绝对值),故C中的中心原子为C,a=4+2,b=2,x=3,所以中心原子上的孤电子对数为(a-xb)=×(6-3×2)=0。
3.应用VSEPR模型对分子或离子的空间结构的推测
(1)推测思路:价层电子对数VSEPR模型分子或离子的空间结构。
(2)示例。
分子或 离子 孤电子 对数 价层电 子对数 VSEPR 模型名称 分子或离子 的空间结 构名称
CO2 0 2 直线形 直线形
SO2 1 3 平面三角形 V形
C 0 3 平面三角形 平面三角形
H2O 2 4 四面体形 V形
NH3 1 4 四面体形 三角锥形
CH4 0 4 正四面体形 正四面体形
价层电子对的VSEPR模型与分子或离子的空间结构一定一致吗 什么时候两者一致
提示:不一定一致。中心原子无孤电子对时两者一致。
判断正误。
(1)分子的空间结构是价层电子对互斥的结果。( √ )
(2)分子的VSEPR模型和相应分子的空间结构是相同的。( × )
提示:VSEPR模型和相应分子的空间结构可能不同。
(3)SO2与CO2的分子组成相似,故它们分子的空间结构相同。( × )
提示:SO2分子的空间结构为V形,CO2为直线形。
(4)由价层电子对互斥模型可知SnBr2分子中Sn—Br的键角小于180°。( √ )
(5)根据价层电子对互斥模型可以判断H3O+与NH3的分子(或离子)的空间结构一致。( √ )
(6)H2O2的结构式为H—O—O—H,它很有可能是直线形分子。( × )
提示:H2O2分子的空间结构类似于一本打开的书,两个氧原子在两页书的交接处,两个H原子分别在翻开的书的两页面上。
1940年,希吉维克和坡维尔(Powell)在总结实验事实的基础上提出了一种简单的理论模型,用以预测简单分子或离子的空间结构。这种理论模型后经吉列斯比和尼霍尔姆在20世纪50年代加以发展,定名为价层电子对互斥模型,简称VSEPR模型。
探究 利用VSEPR模型推测分子或离子的空间结构
问题1:BF3和PCl3的分子组成相似,其分子空间结构是否相同
提示:两者分子空间结构不同,BF3的价层电子对数为3,VSEPR模型为平面三角形,分子空间结构为平面三角形;PCl3的价层电子对数为4,VSEPR模型为四面体形,分子空间结构为三角锥形。
问题2:CH4(键角为109°28′),NH3(键角为107°),H2O(键角为105°)的VSEPR模型相同,但键角不同,试分析这三种分子键角差异的原因。
提示:CH4分子中碳原子4个价层电子全部参与成键,无孤电子对,NH3分子中氮原子价层电子对数为4,孤电子对数为1,H2O分子中氧原子价层电子对数为4,孤电子对数为2,孤电子对与成键电子对之间的排斥作用依次增大,故键角依次减小。
问题3:很多非ABn型分子也可以用“价层电子对相互排斥而尽量远离”的原则快速地判断它们的分子结构。试分析判断乙酸分子(结构如下图)中①、②、③C—O—H的空间结构是什么
提示:①为四面体结构,②为平面三角形,③为V形。
VSEPR模型与分子或离子的空间结构
σ键电子对数+孤电子对数=价层电子对数VSEPR模型分子或离子的空间结构。
(1)若ABn型分子中,A与B之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成,则价层电子对互斥模型把双键或三键作为一对电子对看待。
(2)价层电子对之间的斥力。
①电子对之间的夹角越小,斥力越大。
②分子中电子对之间的斥力大小顺序: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。随着孤电子对数目的增多,成键电子对与成键电子对之间的斥力增大,键角减小。如CH4、NH3和H2O分子中的键角依次减小。
③由于三键、双键比单键包含的电子多,所以斥力大小顺序:三键>双键>单键。
题点一 VSEPR模型理论的理解辨析
1.下列关于价层电子对互斥模型理论说法错误的是( D )
A.价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对
B.分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定
C.用该理论预测H2S和BF3的空间结构为V形和平面三角形
D.该理论一定能预测出多中心原子的分子、离子或原子团的空间结构
解析:价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对,不包含π键中的电子对,A正确;分子中键角越大,价层电子对之间的距离越大,相互排斥力越小,则分子越稳定,B正确;H2S中的中心原子S原子的价层电子对数为2+=4,孤电子对数为2,分子的空间结构为V形;BF3中的中心原子B原子的价层电子对数为3+=3,不含孤电子对,分子的空间结构为平面三角形,C正确;该理论不能预测所有分子或离子的空间结构,如:许多过渡金属化合物的空间结构不能用VSEPR模型理论解释,D错误。
2.若ABn分子的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对,根据价层电子对互斥模型,下列说法正确的是( C )
A.若n=2,则分子的空间结构为V形
B.若n=3,则分子的空间结构为三角锥形
C.若n=4,则分子的空间结构为正四面体形
D.以上说法都不正确
解析:若中心原子A上没有未用于成键的孤电子对,则根据斥力最小的原则,当n=2时,分子的空间结构为直线形;当n=3时,分子的空间结构为平面三角形;当n=4时,分子的空间结构为正四面体形。
题点二 利用VSEPR模型预测的分子空间结构
3.下列粒子的VSEPR模型与空间结构一致的是( A )
A.BF3 B.SO2
C.H2O D.S
解析:BF3中的中心原子B原子的价层电子对数为3+=3,不含孤电子对,VSEPR模型和空间结构相同,均为平面三角形,A符合题意;SO2中的中心原子S原子的价层电子对数为2+=3,孤电子对数为1,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,B不符合题意;H2O中的中心原子O原子的价层电子对数为2+=4,孤电子对数为2,VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,C不符合题意;S中的中心原子S原子价层电子对数为3+=4,孤电子对数为1,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,D不符合题意。
4.下列分子或离子中,键角由大到小排列正确的是( A )
① ②NH3 ③H2O ④BF3 ⑤CO2
A.⑤④①②③ B.⑤①④②③
C.④①②⑤③ D.③②④①⑤
解析:①的空间结构为正四面体形,键角为109°28′;
②NH3分子中N原子价层电子对数为4,孤电子对数为1,其空间结构为三角锥形,键角约为107°;
③H2O分子的空间结构为V形,键角为105°;
④BF3中的中心原子的价电子都用来形成共价键,所以价层电子对数为3,其空间结构为平面三角形,键角为120°;
⑤CO2中的中心原子的价电子都用来形成共价键,所以价层电子对数为2,为直线形,键角为180°;
所以键角由大到小排列顺序是⑤④①②③。
5.用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间结构。
分子或离子 VSEPR模型名称 空间结构名称
BeCl2
SCl2
PF3
N
S
解析:根据各分子或离子的电子式和结构式,分析中心原子的孤电子对数,依据中心原子连接的原子数和孤电子对数,确定VSEPR模型和分子、离子的空间结构:
分子或 离子 中心原子的 孤电子对数 价层电 子对数 VSEPR 模型名称 空间结 构名称
BeCl2 0 2 直线形 直线形
SCl2 2 4 四面体形 V形
PF3 1 4 四面体形 三角锥形
N 0 4 正四面 体形 正四面 体形
S 1 4 四面体形 三角锥形
答案:
分子或离子 VSEPR模型名称 空间结构名称
BeCl2 直线形 直线形
SCl2 四面体形 V形
PF3 四面体形 三角锥形
N 正四面体形 正四面体形
S 四面体形 三角锥形
利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构的思维流程
[footnoteRef:2] [2: 命题解密与解题指导
情境解读:以常见的10电子和18电子微粒为载体考查分子(离子)组成特点、VSEPR模型及其与空间结构的关系。
素养立意:通过分子组成、应用VSEPR模型预测、判断分子空间结构以及分子结构测定等的考查,强化证据推理与模型认知素养。
解题路径:首先,分别以稀有气体氖、氩为中心向前找满足10电子和18电子对应元素的氢化物(分子)及其分子失去或得到氢离子所形成的满足10电子和18电子的离子。然后,以熟悉的微粒的空间结构为依据或直接应用VSEPR模型,判断微粒的空间结构。]
第二、三周期的部分非金属元素与氢元素形成的分子或离子常含有10电子或18电子。按下列要求写出满足条件的微粒。
(1)写出具有10个电子,两个或两个以上原子核的离子的符号: 、 、 、 。
(2)写出具有10个电子,含两个或两个以上原子核的分子: 、 、 、 。
(3)写出具有18个电子的无机化合物的分子式: 、 、 、 、 。
(4)在上述ABn型分子中,VSEPR模型为四面体形的有 种,分子空间结构为正四面体形的有 、 ;为三角锥形的有 、 。
(5)甲烷的某种同系物经质谱仪测定相对分子质量为72,发现其核磁共振氢谱峰面积之比为6∶1∶2∶3,试确定该物质的结构简式: (已知:①吸收峰数目=氢原子类型数;②不同吸收峰的面积之比=不同氢原子的个数之比)。
解析:(1)第二周期元素的氢化物具有10个电子,其分子结合一个H+或电离出一个H+后,形成阴、阳离子所具有的电子数不变,离子符号为N、H3O+、N、OH-。(2)10电子分子为CH4、NH3、H2O、HF,空间结构分别为正四面体形、三角锥形、V形、直线形。(3)第三周期元素的氢化物分子具有18个电子,第二周期元素形成R2Hx型化合物,如C2H6、H2O2等,也具有18个电子。符合条件的分子有H2O2、SiH4、PH3、H2S、HCl,其中
SiH4为正四面体形,PH3为三角锥形。(4)上述ABn型分子中,VSEPR模型为四面体形的有CH4、NH3、H2O、SiH4、PH3、H2S,共6种。(5)甲烷的同系物为烷烃,根据质谱仪测得的该同系物的相对分子质量可以确定该同系物的分子式是C5H12,存在三种同分异构体,又结合核磁共振氢谱可确定结构简式为CH3CH2CH(CH3)2。
答案:(1)OH- N H3O+ N (2)CH4 NH3 H2O HF (3)H2O2 H2S PH3 SiH4 HCl (4)6 CH4 SiH4 NH3 PH3 (5)CH3CH2CH(CH3)2
课时作业
选题表
考查点 基础巩固 能力提升
分子结构的测定 7 14
分子空间结构 10,11
价层电子对互斥模型 2,3,4,5,6 9,12,13
综合应用 1,8 15,16
1.下列化学用语或图示表达正确的是( D )
A.NaCl的电子式N
B.SO2的VSEPR模型
C.pp σ键电子云轮廓图
D.C的空间结构模型
解析:氯化钠是离子化合物,由钠离子与氯离子构成,氯化钠的电子式为Na+]-,故A错误;SO2中的中心原子S上的价层电子对数为2+=3,孤电子对数为1,其VSEPR模型为,故B错误;pp σ键电子云以“头碰头”方式形成,其电子云轮廓图为是pp π键电子云模型,故C错误;C的价层电子对数为3+=3,无孤电子对,其VSEPR模型和空间结构均为平面三角形,即,故D正确。
2.下列分子或离子中,中心原子含有孤电子对的是( D )
A.PCl5 B.N
C.SiCl4 D.PbCl2
解析:PCl5中的中心原子P上的孤电子对数为(5-5×1)=0,故A不符合题意;N中的中心原子N上的孤电子对数为(5+1-3×2)=0,故B不符合题意;SiCl4中的中心原子Si上的孤电子对数为(4-4×1)=0,故C不符合题意;PbCl2中的中心原子Pb上的孤电子对数为(4-2×1)=1,有孤电子对,故D符合题意。
3.下列关于分子空间结构的判断,不正确的是( A )
A.CS2:V形 B.CH4:正四面体形
C.BF3:平面三角形 D.NH3:三角锥形
解析:CS2中的中心原子C上的孤电子对数为=0、价层电子对数为2+=2,则其空间结构为直线形,A错误;CH4中的中心原子C上的孤电子对数为=0、价层电子对数为4+0=4,空间结构为正四面体形,B正确;BF3中的中心原子B上的孤电子对数为=0、价层电子对数为3+0=3,空间结构为平面三角形,C正确;NH3中的中心原子N上的孤电子对数为=1、价层电子对数为3+1=4,空间结构为三角锥形,D正确。
4.下列分子的空间结构为正四面体形且键角为109°28′的是( A )
①P4 ②NH3 ③CCl4 ④CH4 ⑤H2S ⑥CO2
A.③④ B.⑤⑥ C.①③④ D.②③④
解析:①P4分子的空间结构为正四面体形、键角为60°;②NH3的分子的空间结构为三角锥形;③CCl4的分子的空间结构为正四面体形且键角为109°28′;④CH4的分子的空间结构为正四面体形且键角为109°28′;⑤H2S的分子的空间结构为V形;⑥CO2的分子的空间结构为直线形;所以③④正确,故选A。
5.用VSEPR模型预测下列分子或离子的空间结构,其中正确的是( D )
A.CH4与CH2Cl2均为正四面体
B.BeCl2与SO2为直线形
C.BF3与PCl3为三角锥形
D.N与C为平面三角形
解析:CH4分子的空间结构为正四面体形,CH2Cl2分子中有H和Cl,所以其空间结构为四面体形,A错误;BeCl2中的中心原子Be上的价层电子对数为2+×(2-2×1)=2,且不含孤电子对,所以其空间结构为直线形,SO2中的中心原子S上的价层电子对数为2+×(6-2×2)=3,孤电子对数为1,所以其空间结构为V形,B错误;BF3中的中心原子B上的价层电子对数为3+×(3-3×1)=3,不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,PCl3中的中心原子P上的价层电子对数为3+×(5-3×1)=4,孤电子对数为1,所以其空间结构为三角锥形,C错误;离子中的中心原子N上的价层电子对数为3+×(5+1-2×3)=3,不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,离子中的中心原子C上的价层电子对数为3+×(4+2-2×3)=3,且不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,D正确。
6.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述中不正确的是( D )
A.VSEPR模型可用于预测分子的空间结构
B.VSEPR模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子
C.中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥
D.分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越大,分子越稳定
解析:分子的稳定性与键角没有关系,与化学键强弱有关,D错误。
7.某有机物A的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示。则A的结构简式为( A )
A.CH3CH2OCH2CH3 B.CH3OCH2CH2CH3
C.CH3CH2CH2OCH3 D.(CH3)2CHOCH3
解析:红外光谱图中显示存在对称的甲基、对称的亚甲基和醚键,可得分子的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。
8.(1)利用VSEPR模型推测分子或离子的空间结构。
Cl ;AlBr3(共价分子) 。
(2)有两种活性反应中间体,它们的粒子中均含有1个碳原子和3个氢原子。请依据下面给出的这两种粒子的球棍模型,写出相应的化学式:
;
。
(3)按要求写出由第二周期非金属元素的原子构成的中性分子的化学式。
平面三角形分子 ;三角锥形分子 ;
四面体形分子 。
解析:(1)Cl是AB3型离子,价层电子对数是4,孤电子对数是1,为三角锥形。AlBr3是AB3型分子,价层电子对数是3,孤电子对数是0,为平面三角形。(2)AB3型分子或离子中,中心原子无孤电子对的,呈平面三角形,有一对孤电子对的,呈三角锥形,所以分别是C、C。(3)由第二周期非金属元素构成的中性分子中,呈平面三角形的是BF3,呈三角锥形的是NF3,呈四面体形的是CF4。
答案:(1)三角锥形 平面三角形 (2)C C (3)BF3 NF3 CF4
9.经过X射线衍射实验等发现,I3AsF6中存在,下列粒子的VSEPR模型与空间结构都与相同的是( C )
A.SO2 B.O3
C.OF2 D.NH3
解析:可以看作I·,中心原子上的价层电子对数为2+=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,SO2中的中心原子上的价层电子对数为2+=3,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,与不同,A不符合题意;O3可以看作O·O2,中心的原子上的价层电子对数为2+=3,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,与不同,B不符合题意;OF2中的中心原子上的价层电子对数为2+=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,与相同,C符合题意;NH3中的中心原子上的价层电子对数为3+=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,与不同,D不符合题意。
10.下列有关分子空间结构的说法正确的是( D )
A.HClO、BF3、NCl3分子中所有原子的最外层电子都满足了8电子稳定结构
B.P4和CCl4都是正四面体形分子且键角都为109°28′
C.分子中键角的大小:BeCl2>SO3>NH3>CCl4
D.BeF2分子中,中心原子Be的价层电子对数等于2,其空间结构为直线形,成键电子对数等于2,没有孤电子对
解析:HClO中H原子的最外层电子数为1+1=2,不满足8电子稳定结构,BF3中B元素化合价为+3,B原子最外层电子数为3,所以3+3=6,B原子不满足8电子稳定结构,故A错误;P4分子的空间结构是正四面体形,键角为60°,而CCl4分子的空间结构是五原子的正四面体形,键角为109°28′,故B错误;BeCl2中的中心原子Be形成2个σ键,无孤电子对,键角为180°;SO3分子的空间结构为平面正三角形,键角为120°;NH3分子的空间结构为三角锥形,键角为107°;CCl4分子的空间结构为正四面体形,键角为109°28′,分子中键角的大小为BeCl2>SO3>CCl4>NH3,故C错误;BeF2分子中,铍原子形成两个σ键电子对,不含孤电子对,所以价层电子对数为2,其空间结构为直线形,故D正确。
11.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中两种阳离子不同之处为( C )
A.电子总数
B.中心原子的价层电子对数
C.空间结构
D.共价键类型
解析:R中两种阳离子分别是H3O+和。H3O+和均为10e-粒子,A不符合题意;H3O+的中心原子O上的价层电子对数为3+=3+1=4,的中心原子N上的价层电子对数为4+=4+0=4,即两种离子的中心原子上的价层电子对数相同,B不符合题意;由B选项可知,H3O+的中心原子O上的价层电子对数为4,含有1个孤电子对,其空间结构为三角锥形,的中心原子N上的价层电子对数为4+=4+0=4,无孤电子对,其空间结构为正四面体形,即两种离子的空间结构不同,C符合题意;H3O+和N都含有极性共价键,D不符合题意。
12.硫化羰(分子式为COS)是一种有臭鸡蛋气味的无色气体,可视为由一个硫原子取代了CO2分子中的一个氧原子后形成的,下列有关硫化羰的说法正确的是( B )
A.硫化羰的结构式为COS
B.分子中三个原子位于同一直线上
C.中心原子价层电子对数为4
D.分子是V形结构
解析:由题干信息可知,硫化羰的中心原子是碳,结构式为OCS,中心原子上的价层电子对数为2,分子的空间结构为直线形,故B项正确。
13.H2O2的结构式为H—O—O—H,下列有关H2O2分子的说法正确的是( D )
A.是直线形分子
B.是三角锥形分子
C.H2O2分子中的1个氧原子有1个孤电子对
D.氧原子的价层电子对数为4
解析:H2O2中的每个氧原子有6个价电子,形成了2个σ键,故还有4个电子没有成键,孤电子对数为2,价层电子对数为4,C项错误、D项正确;以氧原子为中心原子的三个原子呈V形结构,H2O2中相当于有两个V形结构,故不可能是直线形或三角锥形分子,A、B项错误。
14.已知某有机化合物A的红外光谱图和质谱图如图所示。下列说法正确的是( A )
A.由红外光谱图可知,该有机化合物中至少有三种不同的化学键
B.由质谱图可知,该有机化合物分子的相对分子质量为31
C.仅由A的核磁共振氢谱可以得知其分子中的氢原子总数
D.若A的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3
解析:红外光谱图中给出的化学键有C—H、O—H 和C—O三种,A正确;由质谱图可知,该有机化合物分子的相对分子质量为46,B错误;核磁共振氢谱峰面积表示氢的数目比,在没有明确化学式的情况下,无法得知氢原子总数,C错误;若A为CH3—O—CH3,则无O—H,与所给红外光谱图不符,D错误。
15.已知A、B、C、D、E为中学常见的五种物质,均含有元素Y,有的还可能含有元素X、Z,元素X、Y、Z的原子序数依次递增。
①元素Y在A、B、C、D、E中所呈的化合价依次递增,其中只有B为单质。
②常温下将气体D通入水中发生反应,生成C和E。
③工业上以A、空气和水为原料,通过催化氧化法制取E。
请回答以下问题。
(1)A分子的空间结构是 ;从轨道重叠的方式看,B分子中的共价键类型有 。
(2)写出②中反应的化学方程式: 。
(3)工业上,若输送Cl2的管道漏气,用A进行检验时可观察到大量白烟,同时有B生成。写出有关反应的化学方程式: 。
解析:由①可知Y元素在A中显负价,在C、D、E中显正价,由③可知A为NH3,E为HNO3,由②可知D为NO2,C为NO,则B为N2。
(1)NH3的电子式为H,空间结构为三角锥形;N2的结构式为N≡N,含有σ键和π键。
(3)由题给信息可知,Cl2与NH3反应生成N2和NH4Cl,其反应的化学方程式为8NH3+3Cl26NH4Cl+N2。
答案:(1)三角锥形 σ键和π键
(2)3NO2+H2O2HNO3+NO
(3)8NH3+3Cl2N2+6NH4Cl
16.价层电子对互斥模型可用于预测简单分子的空间结构。用AXnEm表示只含一个中心原子的分子组成,A为中心原子,X为与中心原子相结合的原子,E为中心原子最外层未参与成键的电子对(称为孤电子对),(n+m)为价层电子对数。
(1)请填写下表:
n+m 2
VSEPR 理想模型 正四面体形
价层电子对之 间的理想键角 109°28′
(2)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因: 。
(3)H2O分子的空间结构为 。
(4)用价层电子对互斥模型判断下列分子或离子的空间结构:
分子或离子 PbCl2 PF3Cl2 Cl
空间结构
解析:(1)当n+m=4时,VSEPR模型为正四面体形,其键角是109°28′;当n+m=2时,VSEPR模型为直线形,其键角是180°。
(2)CO2分子中,n+m=2,故CO2为直线形。
(3)H2O分子中,n+m=4,VSEPR模型为正四面体形,但氧原子有2对孤电子对,所以H2O分子的空间结构为V形。
(4)PbCl2中的中心原子Pb上的孤电子对数是=1,价层电子对数是2+1=3,所以PbCl2的空间结构是V形;PF3Cl2中的中心原子P上的价层电子对数是5+0=5,所以PF3Cl2的空间结构是三角双锥形;Cl中的中心原子Cl上的价层电子对数是4+×(7+1-4×2)=4,不含孤电子对,所以Cl的空间结构是正四面体形。
答案:(1)4 直线形 180°
(2)CO2分子中n+m=2,故CO2为直线形
(3)V形
(4)V形 三角双锥形 正四面体形
第1课时 分子结构的测定多样的分子空间结构
价层电子对互斥模型
1.通过对分子结构测定方法的学习,能说明分子的结构测定的常用方法,能辨识简单的波谱图。
2.通过对典型分子空间结构的学习,认识微观结构对分子空间结构的影响,能够辨识分子结构的多样性及复杂性,能分析构成不同物质分子空间结构差异及其原因。
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,能应用价层电子对互斥模型进行解释和预测分子的空间结构。
学习任务1 认识分子结构的测定
1.分子结构的测定方法
2.红外光谱在测定分子结构中的应用
(1)红外光谱仪工作原理: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。
(2)应用:分析分子中含有何种化学键或官能团的信息。
(3)示例:通过此红外光谱图发现某未知物有O—H、C—H、和C—O化学键的振动吸收,初步推测该未知物中含有的官能团为羟基。
通过红外光谱图可以推断分子中化学键或官能团的种类,能否确认化学键或官能团的个数
提示:不能。
3.质谱法
(1)应用:测定分子的相对分子质量。
(2)读谱:相对分子质量=最大质荷比。
(3)示例(以甲苯为例)。
由图可得,甲苯的相对分子质量为92。
某有机化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图只有C—H、O—H、C—O的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,则该有机物的结构简式是( B )
A.CH3CH2OCH3 B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2OH D.CH3COOH
解析:A中不存在O—H;C中有机物的相对分子质量不是60;D中还存在CO。
研究有机化合物一般要经过以下几个基本步骤,每个步骤中都有一些常用的基本方法。
分离、提纯确定实验式确定分子式确定分子结构
探究 有机物组成、结构的测定方法
分离提纯某有机物A并用化学方法测定其元素组成,确定其最简式(有机物分子中各原子最简整数比即为其最简式,又称实验式)为C2H6O。
问题1:用质谱仪测定有机物A的质谱图如下,据此可知A的相对分子质量是多少 结合其最简式确定该有机物的分子式。
提示:根据质荷比最大值可以确定A的相对分子质量是46;结合其最简式为C2H6O,可推知A的分子式为C2H6O。
问题2:用红外光谱仪处理有机物A,得到如图所示信息。推测该有机物A含有的化学键或官能团。
提示:该物质中含有C—H、O—H、C—O,可以推测该有机物含有羟基官能团。
问题3:核磁共振氢谱图可以获得有机化合物分子中有几种不同类型的氢原子及它们相对数目的信息。处在不同化学环境中的氢原子在谱图上出现的位置不同,且核磁共振氢谱中吸收峰的面积与氢原子数成正比。测得A的核磁共振氢谱如图所示,推测A中有几种氢原子,各种氢原子个数之比是多少
提示:核磁共振氢谱有三个峰对应三种氢原子,峰面积之比是1∶2∶3,说明三种氢原子个数之比为1∶2∶3。
问题4:综合以上信息,写出该有机物A的结构简式。
提示:CH3CH2OH。
分子结构的测定的常用方法比较
方法 原理 应用
红外光 谱图 不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图中将处于不同的位置,从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息 推知有机物中含有哪些化学键、官能团
质谱法 质谱图中质荷比最大值就是样品分子的相对分子质量(质荷比:指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷数的比值) 推知相对分子质量
1.设H+的质荷比为β,某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷,信号强度与该离子的多少有关),则该有机物可能是( B )
A.甲醇(CH3OH) B.甲烷
C.丙烷 D.乙烯
解析:从题图中可看出其右边最高质荷比为16,是H+质荷比的16倍,即其相对分子质量为16,可能是甲烷。
2.如图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图,则该有机物可能为( A )
A.CH3COOCH2CH3
B.CH3CH2CH2COOH
C.HCOOCH2CH2CH3
D.(CH3)2CHCH2COOH
解析:本题所给选项中有机物的结构简式分别为、、、。首先排除D项,因D项的分子式为C5H10O2,与题干不符;再由题图可知有不对称—CH3、C—O—C,则排除B、C项;而A项存在不对称—CH3、CO与C—O—C,所以该有机物可能是CH3COOCH2CH3。
学习任务2 认识多样的分子空间结构
多原子分子中存在原子的几何学关系和形状,即“分子的空间结构”。
分子类型 化学式 结构式 空间结构模型 键角 空间结构名称
三原子分子 CO2 OCO 180° 直线形
H2O 105° V形(又称角形)
四原 子分 子 CH2O 120° 平面三角形
NH3 107° 三角锥形
五原 子分子 CH4 109°28′ 正四面 体形
四原子分子一定都是平面三角形或三角锥形吗
提示:不一定。如乙炔分子(C2H2)是四原子分子,其空间结构为直线形。
判断正误。
(1)所有的三原子分子都是直线形结构。( × )
提示:也可能是V形。
(2)所有的四原子分子都是平面三角形结构。( × )
提示:也可能是三角锥形(如NH3)或正四面体形(如白磷)等。
(3)CH4、SiH4、SiCl4、CH3Cl等五原子分子均为正四面体结构。( × )
提示:CH3Cl不是正四面体结构。
(4)正四面体形的键角均为109°28′。( × )
提示:不一定,如白磷(P4)中的键角为60°。
探究 分子的空间结构及相关因素
问题1:H2S中,两个H—S的键角接近90°,BeCl2中两个Be—Cl的键角是180°,推测H2S和BeCl2的分子的空间结构分别是怎样的
提示:H2S的空间结构是V形,BeCl2的空间结构是直线形。
问题2:CH3Cl分子是正四面体形结构吗
提示:C—H与C—Cl的键长不同,所以CH3Cl是四面体形,但不是正四面体形。
问题3:白磷(P4)分子为正四面体形,其键角是否与甲烷一样也为109°28′
提示:不是。白磷分子中四个P原子位于四面体顶点,因此其键角为60°。
问题4:NH3与BF3分子组成相似,但NH3是三角锥形,而BF3是平面三角形,试写出两种分子的电子式,并结合以上分析总结分子的空间结构与哪些因素有关。
提示:H;分子的空间结构与原子数目、键长、键角、孤电子对等有关。
分子的空间结构与键角的关系
分子类型 键角 空间结构 实例
AB2 180° 直线形 CO2、BeCl2、CS2
<180° V形 H2O、H2S
AB3 120° 平面三角形 BF3、BCl3
<120° 三角锥形 NH3、PH3
AB4 109°28′ 正四面体形 CH4、CCl4
1.下列分子的空间结构错误的是( B )
A.SO2: B.NH3:
C.CS2: D.CH4:
解析:NH3的空间结构是三角锥形,B错误。
2.下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是( B )
A.键角为180°的分子,空间结构是直线形
B.键角为120°的分子,空间结构是平面三角形
C.键角为60°的分子,空间结构可能是正四面体形
D.键角为90°～109°28′之间的分子,空间结构可能是V形
解析:键角为180°的分子,空间结构是直线形,例如CO2分子是直线形分子,A正确;苯分子的键角为120°,但其空间结构是平面正六边形,B错误;白磷分子的键角为60°,空间结构为正四面体形,C正确;水分子的键角为105°,空间结构为V形,D正确。
学习任务3 探究价层电子对互斥模型
1.价层电子对互斥模型
(1)模型要点: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。
(2)价层电子对
2.中心原子上价层电子对数的计算
(1)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中的中心原子为O,O有2个σ键电子对,NH3中的中心原子为N,N有3个σ键电子对。
(2)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为中心原子的价电子数。
对于主族元素:a=原子的最外层电子数。
对于阳离子:a=中心原子的价电子数-离子的电荷数。
对于阴离子:a=中心原子的价电子数+离子的电荷数(绝对值)。
②x为与中心原子结合的原子数。
③b为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。
如何确定C和N的中心原子的孤电子对数
提示:阳离子:a为中心原子的价电子数减去离子的电荷数,故N中的中心原子为N,a=5-1,b=1,x=4,所以中心原子上的孤电子对数为(a-xb)=×(4-4×1)=0。
阴离子:a为中心原子的价电子数加上离子的电荷数(绝对值),故C中的中心原子为C,a=4+2,b=2,x=3,所以中心原子上的孤电子对数为(a-xb)=×(6-3×2)=0。
3.应用VSEPR模型对分子或离子的空间结构的推测
(1)推测思路:价层电子对数VSEPR模型分子或离子的空间结构。
(2)示例。
分子或 离子 孤电子 对数 价层电 子对数 VSEPR 模型名称 分子或离子 的空间结 构名称
CO2 0 2 直线形 直线形
SO2 1 3 平面三角形 V形
C 0 3 平面三角形 平面三角形
H2O 2 4 四面体形 V形
NH3 1 4 四面体形 三角锥形
CH4 0 4 正四面体形 正四面体形
价层电子对的VSEPR模型与分子或离子的空间结构一定一致吗 什么时候两者一致
提示:不一定一致。中心原子无孤电子对时两者一致。
判断正误。
(1)分子的空间结构是价层电子对互斥的结果。( √ )
(2)分子的VSEPR模型和相应分子的空间结构是相同的。( × )
提示:VSEPR模型和相应分子的空间结构可能不同。
(3)SO2与CO2的分子组成相似,故它们分子的空间结构相同。( × )
提示:SO2分子的空间结构为V形,CO2为直线形。
(4)由价层电子对互斥模型可知SnBr2分子中Sn—Br的键角小于180°。( √ )
(5)根据价层电子对互斥模型可以判断H3O+与NH3的分子(或离子)的空间结构一致。( √ )
(6)H2O2的结构式为H—O—O—H,它很有可能是直线形分子。( × )
提示:H2O2分子的空间结构类似于一本打开的书,两个氧原子在两页书的交接处,两个H原子分别在翻开的书的两页面上。
1940年,希吉维克和坡维尔(Powell)在总结实验事实的基础上提出了一种简单的理论模型,用以预测简单分子或离子的空间结构。这种理论模型后经吉列斯比和尼霍尔姆在20世纪50年代加以发展,定名为价层电子对互斥模型,简称VSEPR模型。
探究 利用VSEPR模型推测分子或离子的空间结构
问题1:BF3和PCl3的分子组成相似,其分子空间结构是否相同
提示:两者分子空间结构不同,BF3的价层电子对数为3,VSEPR模型为平面三角形,分子空间结构为平面三角形;PCl3的价层电子对数为4,VSEPR模型为四面体形,分子空间结构为三角锥形。
问题2:CH4(键角为109°28′),NH3(键角为107°),H2O(键角为105°)的VSEPR模型相同,但键角不同,试分析这三种分子键角差异的原因。
提示:CH4分子中碳原子4个价层电子全部参与成键,无孤电子对,NH3分子中氮原子价层电子对数为4,孤电子对数为1,H2O分子中氧原子价层电子对数为4,孤电子对数为2,孤电子对与成键电子对之间的排斥作用依次增大,故键角依次减小。
问题3:很多非ABn型分子也可以用“价层电子对相互排斥而尽量远离”的原则快速地判断它们的分子结构。试分析判断乙酸分子(结构如下图)中①、②、③C—O—H的空间结构是什么
提示:①为四面体结构,②为平面三角形,③为V形。
VSEPR模型与分子或离子的空间结构
σ键电子对数+孤电子对数=价层电子对数VSEPR模型分子或离子的空间结构。
(1)若ABn型分子中,A与B之间通过两对或三对电子(即通过双键或三键)结合而成,则价层电子对互斥模型把双键或三键作为一对电子对看待。
(2)价层电子对之间的斥力。
①电子对之间的夹角越小,斥力越大。
②分子中电子对之间的斥力大小顺序: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。随着孤电子对数目的增多,成键电子对与成键电子对之间的斥力增大,键角减小。如CH4、NH3和H2O分子中的键角依次减小。
③由于三键、双键比单键包含的电子多,所以斥力大小顺序:三键>双键>单键。
题点一 VSEPR模型理论的理解辨析
1.下列关于价层电子对互斥模型理论说法错误的是( D )
A.价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对
B.分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定
C.用该理论预测H2S和BF3的空间结构为V形和平面三角形
D.该理论一定能预测出多中心原子的分子、离子或原子团的空间结构
解析:价层电子对包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对,不包含π键中的电子对,A正确;分子中键角越大,价层电子对之间的距离越大,相互排斥力越小,则分子越稳定,B正确;H2S中的中心原子S原子的价层电子对数为2+=4,孤电子对数为2,分子的空间结构为V形;BF3中的中心原子B原子的价层电子对数为3+=3,不含孤电子对,分子的空间结构为平面三角形,C正确;该理论不能预测所有分子或离子的空间结构,如:许多过渡金属化合物的空间结构不能用VSEPR模型理论解释,D错误。
2.若ABn分子的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对,根据价层电子对互斥模型,下列说法正确的是( C )
A.若n=2,则分子的空间结构为V形
B.若n=3,则分子的空间结构为三角锥形
C.若n=4,则分子的空间结构为正四面体形
D.以上说法都不正确
解析:若中心原子A上没有未用于成键的孤电子对,则根据斥力最小的原则,当n=2时,分子的空间结构为直线形;当n=3时,分子的空间结构为平面三角形;当n=4时,分子的空间结构为正四面体形。
题点二 利用VSEPR模型预测的分子空间结构
3.下列粒子的VSEPR模型与空间结构一致的是( A )
A.BF3 B.SO2
C.H2O D.S
解析:BF3中的中心原子B原子的价层电子对数为3+=3,不含孤电子对,VSEPR模型和空间结构相同,均为平面三角形,A符合题意;SO2中的中心原子S原子的价层电子对数为2+=3,孤电子对数为1,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,B不符合题意;H2O中的中心原子O原子的价层电子对数为2+=4,孤电子对数为2,VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,C不符合题意;S中的中心原子S原子价层电子对数为3+=4,孤电子对数为1,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,D不符合题意。
4.下列分子或离子中,键角由大到小排列正确的是( A )
① ②NH3 ③H2O ④BF3 ⑤CO2
A.⑤④①②③ B.⑤①④②③
C.④①②⑤③ D.③②④①⑤
解析:①的空间结构为正四面体形,键角为109°28′;
②NH3分子中N原子价层电子对数为4,孤电子对数为1,其空间结构为三角锥形,键角约为107°;
③H2O分子的空间结构为V形,键角为105°;
④BF3中的中心原子的价电子都用来形成共价键,所以价层电子对数为3,其空间结构为平面三角形,键角为120°;
⑤CO2中的中心原子的价电子都用来形成共价键,所以价层电子对数为2,为直线形,键角为180°;
所以键角由大到小排列顺序是⑤④①②③。
5.用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间结构。
分子或离子 VSEPR模型名称 空间结构名称
BeCl2
SCl2
PF3
N
S
解析:根据各分子或离子的电子式和结构式,分析中心原子的孤电子对数,依据中心原子连接的原子数和孤电子对数,确定VSEPR模型和分子、离子的空间结构:
分子或 离子 中心原子的 孤电子对数 价层电 子对数 VSEPR 模型名称 空间结 构名称
BeCl2 0 2 直线形 直线形
SCl2 2 4 四面体形 V形
PF3 1 4 四面体形 三角锥形
N 0 4 正四面 体形 正四面 体形
S 1 4 四面体形 三角锥形
答案:
分子或离子 VSEPR模型名称 空间结构名称
BeCl2 直线形 直线形
SCl2 四面体形 V形
PF3 四面体形 三角锥形
N 正四面体形 正四面体形
S 四面体形 三角锥形
利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构的思维流程
[footnoteRef:2] [2: 命题解密与解题指导
情境解读:以常见的10电子和18电子微粒为载体考查分子(离子)组成特点、VSEPR模型及其与空间结构的关系。
素养立意:通过分子组成、应用VSEPR模型预测、判断分子空间结构以及分子结构测定等的考查,强化证据推理与模型认知素养。
解题路径:首先,分别以稀有气体氖、氩为中心向前找满足10电子和18电子对应元素的氢化物(分子)及其分子失去或得到氢离子所形成的满足10电子和18电子的离子。然后,以熟悉的微粒的空间结构为依据或直接应用VSEPR模型,判断微粒的空间结构。]
第二、三周期的部分非金属元素与氢元素形成的分子或离子常含有10电子或18电子。按下列要求写出满足条件的微粒。
(1)写出具有10个电子,两个或两个以上原子核的离子的符号: 、 、 、 。
(2)写出具有10个电子,含两个或两个以上原子核的分子: 、 、 、 。
(3)写出具有18个电子的无机化合物的分子式: 、 、 、 、 。
(4)在上述ABn型分子中,VSEPR模型为四面体形的有 种,分子空间结构为正四面体形的有 、 ;为三角锥形的有 、 。
(5)甲烷的某种同系物经质谱仪测定相对分子质量为72,发现其核磁共振氢谱峰面积之比为6∶1∶2∶3,试确定该物质的结构简式: (已知:①吸收峰数目=氢原子类型数;②不同吸收峰的面积之比=不同氢原子的个数之比)。
解析:(1)第二周期元素的氢化物具有10个电子,其分子结合一个H+或电离出一个H+后,形成阴、阳离子所具有的电子数不变,离子符号为N、H3O+、N、OH-。(2)10电子分子为CH4、NH3、H2O、HF,空间结构分别为正四面体形、三角锥形、V形、直线形。(3)第三周期元素的氢化物分子具有18个电子,第二周期元素形成R2Hx型化合物,如C2H6、H2O2等,也具有18个电子。符合条件的分子有H2O2、SiH4、PH3、H2S、HCl,其中
SiH4为正四面体形,PH3为三角锥形。(4)上述ABn型分子中,VSEPR模型为四面体形的有CH4、NH3、H2O、SiH4、PH3、H2S,共6种。(5)甲烷的同系物为烷烃,根据质谱仪测得的该同系物的相对分子质量可以确定该同系物的分子式是C5H12,存在三种同分异构体,又结合核磁共振氢谱可确定结构简式为CH3CH2CH(CH3)2。
答案:(1)OH- N H3O+ N (2)CH4 NH3 H2O HF (3)H2O2 H2S PH3 SiH4 HCl (4)6 CH4 SiH4 NH3 PH3 (5)CH3CH2CH(CH3)2
课时作业
选题表
考查点 基础巩固 能力提升
分子结构的测定 7 14
分子空间结构 10,11
价层电子对互斥模型 2,3,4,5,6 9,12,13
综合应用 1,8 15,16
1.下列化学用语或图示表达正确的是( D )
A.NaCl的电子式N
B.SO2的VSEPR模型
C.pp σ键电子云轮廓图
D.C的空间结构模型
解析:氯化钠是离子化合物,由钠离子与氯离子构成,氯化钠的电子式为Na+]-,故A错误;SO2中的中心原子S上的价层电子对数为2+=3,孤电子对数为1,其VSEPR模型为,故B错误;pp σ键电子云以“头碰头”方式形成,其电子云轮廓图为是pp π键电子云模型,故C错误;C的价层电子对数为3+=3,无孤电子对,其VSEPR模型和空间结构均为平面三角形,即,故D正确。
2.下列分子或离子中,中心原子含有孤电子对的是( D )
A.PCl5 B.N
C.SiCl4 D.PbCl2
解析:PCl5中的中心原子P上的孤电子对数为(5-5×1)=0,故A不符合题意;N中的中心原子N上的孤电子对数为(5+1-3×2)=0,故B不符合题意;SiCl4中的中心原子Si上的孤电子对数为(4-4×1)=0,故C不符合题意;PbCl2中的中心原子Pb上的孤电子对数为(4-2×1)=1,有孤电子对,故D符合题意。
3.下列关于分子空间结构的判断,不正确的是( A )
A.CS2:V形 B.CH4:正四面体形
C.BF3:平面三角形 D.NH3:三角锥形
解析:CS2中的中心原子C上的孤电子对数为=0、价层电子对数为2+=2,则其空间结构为直线形,A错误;CH4中的中心原子C上的孤电子对数为=0、价层电子对数为4+0=4,空间结构为正四面体形,B正确;BF3中的中心原子B上的孤电子对数为=0、价层电子对数为3+0=3,空间结构为平面三角形,C正确;NH3中的中心原子N上的孤电子对数为=1、价层电子对数为3+1=4,空间结构为三角锥形,D正确。
4.下列分子的空间结构为正四面体形且键角为109°28′的是( A )
①P4 ②NH3 ③CCl4 ④CH4 ⑤H2S ⑥CO2
A.③④ B.⑤⑥ C.①③④ D.②③④
解析:①P4分子的空间结构为正四面体形、键角为60°;②NH3的分子的空间结构为三角锥形;③CCl4的分子的空间结构为正四面体形且键角为109°28′;④CH4的分子的空间结构为正四面体形且键角为109°28′;⑤H2S的分子的空间结构为V形;⑥CO2的分子的空间结构为直线形;所以③④正确,故选A。
5.用VSEPR模型预测下列分子或离子的空间结构,其中正确的是( D )
A.CH4与CH2Cl2均为正四面体
B.BeCl2与SO2为直线形
C.BF3与PCl3为三角锥形
D.N与C为平面三角形
解析:CH4分子的空间结构为正四面体形,CH2Cl2分子中有H和Cl,所以其空间结构为四面体形,A错误;BeCl2中的中心原子Be上的价层电子对数为2+×(2-2×1)=2,且不含孤电子对,所以其空间结构为直线形,SO2中的中心原子S上的价层电子对数为2+×(6-2×2)=3,孤电子对数为1,所以其空间结构为V形,B错误;BF3中的中心原子B上的价层电子对数为3+×(3-3×1)=3,不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,PCl3中的中心原子P上的价层电子对数为3+×(5-3×1)=4,孤电子对数为1,所以其空间结构为三角锥形,C错误;离子中的中心原子N上的价层电子对数为3+×(5+1-2×3)=3,不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,离子中的中心原子C上的价层电子对数为3+×(4+2-2×3)=3,且不含孤电子对,所以其空间结构为平面三角形,D正确。
6.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述中不正确的是( D )
A.VSEPR模型可用于预测分子的空间结构
B.VSEPR模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子
C.中心原子上的孤电子对也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥
D.分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越大,分子越稳定
解析:分子的稳定性与键角没有关系,与化学键强弱有关,D错误。
7.某有机物A的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示。则A的结构简式为( A )
A.CH3CH2OCH2CH3 B.CH3OCH2CH2CH3
C.CH3CH2CH2OCH3 D.(CH3)2CHOCH3
解析:红外光谱图中显示存在对称的甲基、对称的亚甲基和醚键,可得分子的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。
8.(1)利用VSEPR模型推测分子或离子的空间结构。
Cl ;AlBr3(共价分子) 。
(2)有两种活性反应中间体,它们的粒子中均含有1个碳原子和3个氢原子。请依据下面给出的这两种粒子的球棍模型,写出相应的化学式:
;
。
(3)按要求写出由第二周期非金属元素的原子构成的中性分子的化学式。
平面三角形分子 ;三角锥形分子 ;
四面体形分子 。
解析:(1)Cl是AB3型离子,价层电子对数是4,孤电子对数是1,为三角锥形。AlBr3是AB3型分子,价层电子对数是3,孤电子对数是0,为平面三角形。(2)AB3型分子或离子中,中心原子无孤电子对的,呈平面三角形,有一对孤电子对的,呈三角锥形,所以分别是C、C。(3)由第二周期非金属元素构成的中性分子中,呈平面三角形的是BF3,呈三角锥形的是NF3,呈四面体形的是CF4。
答案:(1)三角锥形 平面三角形 (2)C C (3)BF3 NF3 CF4
9.经过X射线衍射实验等发现,I3AsF6中存在,下列粒子的VSEPR模型与空间结构都与相同的是( C )
A.SO2 B.O3
C.OF2 D.NH3
解析:可以看作I·,中心原子上的价层电子对数为2+=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,SO2中的中心原子上的价层电子对数为2+=3,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,与不同,A不符合题意;O3可以看作O·O2,中心的原子上的价层电子对数为2+=3,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,与不同,B不符合题意;OF2中的中心原子上的价层电子对数为2+=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形,与相同,C符合题意;NH3中的中心原子上的价层电子对数为3+=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,与不同,D不符合题意。
10.下列有关分子空间结构的说法正确的是( D )
A.HClO、BF3、NCl3分子中所有原子的最外层电子都满足了8电子稳定结构
B.P4和CCl4都是正四面体形分子且键角都为109°28′
C.分子中键角的大小:BeCl2>SO3>NH3>CCl4
D.BeF2分子中,中心原子Be的价层电子对数等于2,其空间结构为直线形,成键电子对数等于2,没有孤电子对
解析:HClO中H原子的最外层电子数为1+1=2,不满足8电子稳定结构,BF3中B元素化合价为+3,B原子最外层电子数为3,所以3+3=6,B原子不满足8电子稳定结构,故A错误;P4分子的空间结构是正四面体形,键角为60°,而CCl4分子的空间结构是五原子的正四面体形,键角为109°28′,故B错误;BeCl2中的中心原子Be形成2个σ键,无孤电子对,键角为180°;SO3分子的空间结构为平面正三角形,键角为120°;NH3分子的空间结构为三角锥形,键角为107°;CCl4分子的空间结构为正四面体形,键角为109°28′,分子中键角的大小为BeCl2>SO3>CCl4>NH3,故C错误;BeF2分子中,铍原子形成两个σ键电子对,不含孤电子对,所以价层电子对数为2,其空间结构为直线形,故D正确。
11.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中两种阳离子不同之处为( C )
A.电子总数
B.中心原子的价层电子对数
C.空间结构
D.共价键类型
解析:R中两种阳离子分别是H3O+和。H3O+和均为10e-粒子,A不符合题意;H3O+的中心原子O上的价层电子对数为3+=3+1=4,的中心原子N上的价层电子对数为4+=4+0=4,即两种离子的中心原子上的价层电子对数相同,B不符合题意;由B选项可知,H3O+的中心原子O上的价层电子对数为4,含有1个孤电子对,其空间结构为三角锥形,的中心原子N上的价层电子对数为4+=4+0=4,无孤电子对,其空间结构为正四面体形,即两种离子的空间结构不同,C符合题意;H3O+和N都含有极性共价键,D不符合题意。
12.硫化羰(分子式为COS)是一种有臭鸡蛋气味的无色气体,可视为由一个硫原子取代了CO2分子中的一个氧原子后形成的,下列有关硫化羰的说法正确的是( B )
A.硫化羰的结构式为COS
B.分子中三个原子位于同一直线上
C.中心原子价层电子对数为4
D.分子是V形结构
解析:由题干信息可知,硫化羰的中心原子是碳,结构式为OCS,中心原子上的价层电子对数为2,分子的空间结构为直线形,故B项正确。
13.H2O2的结构式为H—O—O—H,下列有关H2O2分子的说法正确的是( D )
A.是直线形分子
B.是三角锥形分子
C.H2O2分子中的1个氧原子有1个孤电子对
D.氧原子的价层电子对数为4
解析:H2O2中的每个氧原子有6个价电子,形成了2个σ键,故还有4个电子没有成键,孤电子对数为2,价层电子对数为4,C项错误、D项正确;以氧原子为中心原子的三个原子呈V形结构,H2O2中相当于有两个V形结构,故不可能是直线形或三角锥形分子,A、B项错误。
14.已知某有机化合物A的红外光谱图和质谱图如图所示。下列说法正确的是( A )
A.由红外光谱图可知,该有机化合物中至少有三种不同的化学键
B.由质谱图可知,该有机化合物分子的相对分子质量为31
C.仅由A的核磁共振氢谱可以得知其分子中的氢原子总数
D.若A的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3
解析:红外光谱图中给出的化学键有C—H、O—H 和C—O三种,A正确;由质谱图可知,该有机化合物分子的相对分子质量为46,B错误;核磁共振氢谱峰面积表示氢的数目比,在没有明确化学式的情况下,无法得知氢原子总数,C错误;若A为CH3—O—CH3,则无O—H,与所给红外光谱图不符,D错误。
15.已知A、B、C、D、E为中学常见的五种物质,均含有元素Y,有的还可能含有元素X、Z,元素X、Y、Z的原子序数依次递增。
①元素Y在A、B、C、D、E中所呈的化合价依次递增,其中只有B为单质。
②常温下将气体D通入水中发生反应,生成C和E。
③工业上以A、空气和水为原料,通过催化氧化法制取E。
请回答以下问题。
(1)A分子的空间结构是 ;从轨道重叠的方式看,B分子中的共价键类型有 。
(2)写出②中反应的化学方程式: 。
(3)工业上,若输送Cl2的管道漏气,用A进行检验时可观察到大量白烟,同时有B生成。写出有关反应的化学方程式: 。
解析:由①可知Y元素在A中显负价,在C、D、E中显正价,由③可知A为NH3,E为HNO3,由②可知D为NO2,C为NO,则B为N2。
(1)NH3的电子式为H,空间结构为三角锥形;N2的结构式为N≡N,含有σ键和π键。
(3)由题给信息可知,Cl2与NH3反应生成N2和NH4Cl,其反应的化学方程式为8NH3+3Cl26NH4Cl+N2。
答案:(1)三角锥形 σ键和π键
(2)3NO2+H2O2HNO3+NO
(3)8NH3+3Cl2N2+6NH4Cl
16.价层电子对互斥模型可用于预测简单分子的空间结构。用AXnEm表示只含一个中心原子的分子组成,A为中心原子,X为与中心原子相结合的原子,E为中心原子最外层未参与成键的电子对(称为孤电子对),(n+m)为价层电子对数。
(1)请填写下表:
n+m 2
VSEPR 理想模型 正四面体形
价层电子对之 间的理想键角 109°28′
(2)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因: 。
(3)H2O分子的空间结构为 。
(4)用价层电子对互斥模型判断下列分子或离子的空间结构:
分子或离子 PbCl2 PF3Cl2 Cl
空间结构
解析:(1)当n+m=4时,VSEPR模型为正四面体形,其键角是109°28′;当n+m=2时,VSEPR模型为直线形,其键角是180°。
(2)CO2分子中,n+m=2,故CO2为直线形。
(3)H2O分子中,n+m=4,VSEPR模型为正四面体形,但氧原子有2对孤电子对,所以H2O分子的空间结构为V形。
(4)PbCl2中的中心原子Pb上的孤电子对数是=1,价层电子对数是2+1=3,所以PbCl2的空间结构是V形;PF3Cl2中的中心原子P上的价层电子对数是5+0=5,所以PF3Cl2的空间结构是三角双锥形;Cl中的中心原子Cl上的价层电子对数是4+×(7+1-4×2)=4,不含孤电子对,所以Cl的空间结构是正四面体形。
答案:(1)4 直线形 180°
(2)CO2分子中n+m=2,故CO2为直线形
(3)V形
(4)V形 三角双锥形 正四面体形