第二章 分子结构与性质 分子的空间结构（解析版）
文档属性
| 名称 | 第二章 分子结构与性质 分子的空间结构（解析版） |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-01-21 10:49:38 | ||
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文档简介
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专题04 分子的空间结构
【核心素养分析】
1.宏观辨识与微观探析:能从不同层次认识分子的构型，并对共价键进行分类，能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。
2.证据推理与模型认知:能运用价层电子对互斥模型和杂化轨道理论等解释分子的立体结构与性质，揭示现象的本质与规律。
【目标导航】
本专题主要考点主要涉及以下几点：杂化轨道理论及简单的杂化轨道类型(sp、sp、sp)的判断，用价层电子对互斥模型或杂化轨道理论推测简单分子或离子的空间结构，往往与其他知识点综合在一起，出现在选择题或填空题中，试题难度中等或较大。
【重难点精讲】
一、分子结构的测定
1.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 后推测分子的结构。
2.分子结构测定的常用方法：红外光谱、晶体X射线衍射
3.红外光谱法测定分子的官能团和化学键
（1）测定原理：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。（2）测定过程
红外光谱图分析吸收峰与谱图库对比推断分子所含的官能团和化学键
（3）红外光谱图：表明有机物分子中含有何种化学键或官能团。
（4）用途：确定官能团和化学键的类型。
注意：大多数已知化合物的红外谱图已建成数据库，通过对比便可得到确认。
4.质谱仪测定分子的相对质量
（1）原理：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。
（2）测定过程
待测物分子离子、碎片离子电场加速磁场偏转质谱图
（3）质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。
（4）质谱法应用：测定相对分子质量，即：由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大（最右边）的就是未知物的相对分子质量，注意：当“质”为该有机物的相对分子质量，“荷”为一个单位电荷时，质荷比的最大值即为该有机物的相对分子质量——质谱图中最右边的数据。
二、多样的分子空间结构
1.三原子分子的空间结构——直线型和V形（又称角形）
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CO2 O=C=O 180 直线型
H2O 105 V形
2.四原子分子常见的空间结构——平面三角形和三角锥形
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CH2O 约120 平面三角形
NH3 107 三角锥形
【特别说明】四原子分子的空间结构大多数为平面三角形和三角锥形，也有的为直线形(如C2H2)、正四面体形(如P4)等。
3.五原子分子常见的空间结构——四面体形
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CH4 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（VSEPR）
1.应用：预测分子的空间结构
2.内容：价层电子对互斥模型认为，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。
(1)当中心原子的价电子全部参与成键时，为使价电子斥力最小，就要求尽可能采取对称结构。
(2)当中心原子的价电子部分参与成键时，未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同，从而影响分子的空间结构。
(3)电子对之间的夹角越大，相互之间的斥力越小。
(4)成键电子对之间斥力由大到小的顺序：三键-三键>三键-双键>双键-双键>双键-单键>单键
-单键。
(5)含孤电子对的斥力由大到小的顺序：孤电子对-孤电子对>孤电子对-单键>单键-单键。
3.中心原子上的价层电子对数的计算
中心原子上的价层电子对数=σ键电子对数+中心原子上的孤电子对数
(1)σ键电子对数的确定：由化学式确定
(2)中心原子上的孤电子对数的确定：
中心原子上的孤电子对数=
公式中各字母的含义：
a 中心原子的价层电子数
主族元素 =最外层电子数
阳离子 =中心原子的价层电子数-离子的电荷数
阴离子 =中心原子的价层电子数+︱离子的电荷数︱
x 与中心原子结合的原子数
b 与中心原子结合的原子最多能接受的电子数
H =1
其他原子 =8-该原子的价层电子数
【特别说明】VSEPR的“价层电子对”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。多重键只计其中的σ键电子对，不计π键电子对。
4.根据价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构
在确定了σ键电子对数和中心原子上的孤电子对数后，可以依据下面的方法确定相应的较稳定的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模型分子的空间结构
【特别说明】①中心原子不含孤电子对的分子(或离子)，VSEPR模型与分子(或离子)的空间结构一致。
②中心原子若有孤电子对，孤电子对也要占据中心原子周围的空间，并与成键电子对互相排斥，则 VSEPR模型与分子的空间结构不一致。推测分子的立体模型必须略去 VSEPR模型中的孤电子对。
【思考与讨论】参考答案：
(1)主族元素原子的价电子数等于元素所在族的序数，如S在第VIA族，其价电子数是6；P在第VA族，其价电子数是5。
(2)主族元素原子最多能接受的电子数等于8减去元素所在族的序数，如N在第VA族，其最多能接受的电子数是8-5=3；C1在第IA族，其最多能接受的电子数是8-7=1。
5.常见分子或离子的空间结构的推测
分子或离子 中心原子上的孤电子对数 中心原子上的价层电子对数 VSEPR模型 VSEPR模型名称 空间结构 空间结构名称
CO2、BeCl2 0 2 直线形 直线形
CO32—、BF3 0 3 平面三角形 平面三角形
SO2、PbCl2 1 V形
CH4、CCl4 0 4 正四面体形 正四面体形
NH3、NF3 1 四面体形 三角锥形
H2O、H2S 2 V形
【特别说明】①价层电子对互斥模型对分子空间结构的预测少有失误，但它不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子。
②氨气与水的VSEPR模型一致，但空间构型不同的原因是：孤电子对之间的斥力>孤电子对与成键电子对之间的斥力>成键电子对之间的斥力。
【思考与讨论】参考答案：
（1）BF3:B原子的价层电子中，键电子对数是3，孤电子对数为(3-3×1)/2=0,VSEPR模型和分子的空间结构都是平面三角形。
（2）NH4+:N原子的价层电子中，σ键电子对数是4，孤电子对数为(5-1-4×1)/2=0,VSEPR模型和离子的空间结构都是正四面体形。
（2）SO32-:S原子的价层电子中，σ键电子对数是3，孤电子对数为(6+2-3x2)/2=1,VSEPR模型是四面体形，离子的空间结构是三角锥形。
四、杂化轨道理论简介
1.杂化轨道的含义
杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。
(1)轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部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。
(2)杂化轨道：原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
2.杂化轨道理论的要点
(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是中心原子。
(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。
(3)只有能量相近的原子轨道才能杂化(如2s、2p)。
(4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量相同。
(5)为使相互间的排斥力最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变，但相同杂化形式的杂化轨道形状完全相同。杂化使原子的成键能力增加。形成的共价键更牢固。
(6)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。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化类型。
(7)杂化轨道成键时仍具有共价键的特征——方向性和饱和性
(8)杂化轨道数=中心原子上的孤电子对数+与中心原子结合的原子数。
3.杂化轨道类型
类型 形成过程 夹角 空间结构
sp3杂化轨道 sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的 109°28′ 正四面体形
sp2杂化轨道 sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的 120° 平面三角形
sp杂化轨道 sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的 180° 直线形
【特别说明】原子轨道发生sp杂化时，还有2个np轨道未发生杂化，若np轨道上有未成对电子，形成分子时2个np轨道上的电子会形成π键。
4.杂化轨道类型与分子的空间结构的关系
(1)杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。当没有孤电子对时，能量相同的杂化轨道彼此远离，形成的分子为对称结构；当有孤电子对时，孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥，形成的分子的空间结构也发生变化。
(2)杂化轨道与分子的空间结构的关系
①当杂化轨道全部用于形成σ键时
杂化类型 sp sp2 sp3
轨道组成 1个ns和1个np 1个ns和2个np 1个ns和3个np
轨道夹角 180° 120° 109°28′
杂化轨道示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
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
由于孤电子对参与互相排斥，会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有2个杂化轨道由孤电子对占据，其分子不呈正四面体形，而呈V形；氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个杂化轨道由孤电子对占据，氨分子不呈正四面体形，而呈三角锥形。
5.VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系
杂化轨道理论解释了价层电子对互斥模型所推测的分子空间结构，但分析具体分子中的中心原子的杂化轨道类型时，应先确定分子或离子的VSEPR模型，再确定中心原子的杂化轨道类型。 VSEPR模型及其中心原子对应的杂化轨道类型如表所示：
【思考与讨论】参考答案：
(1)BF3的σ键电子对数为3，孤电子对数为0，价层电子对数为3，故杂化轨道类型为sp2 杂化。
(1)H30+的σ健电子对数为3，孤电子对数为1，价层电子对数为4，故杂化轨道美型为Sp3杂化。
6.杂化轨道类型的判断方法
(1)根据价层电子对互斥模型判断中心原子的杂化类型、空间结构
在确定了分子或离子的中心原子上的成键电子对数和孤电子对数后，可以依据下面的方法确定其中心原子的杂化轨道类型：σ键电子对数(成键电子对数)+孤电子对数=价电子对数=杂化轨道数
根据杂化类型及孤电子对数即可判断分子或离子的空间结构，列表如下：
价层电子对数 杂化轨道类型 成键电子对数 孤电子对数 杂化轨道数 分子空间结构 实例
2 sp 2 0 2 直线形 BeCl2、CO2、HCN
3 sp2 3 0 3 平面三角形 BF3、SO3、CO32—
2 1 V形 SnBr2、SO2、NO2—
4 sp3 4 0 4 四面体形 CHCl3、SiCl4、PO43—
3 1 三角锥形 NH3、PCl3、SO32—
2 2 V形 OF2、H2O、NH2—
(2) 根据杂化轨道间的夹角判断
杂化轨道间的夹角 杂化轨道类型
109 28 sp3
120 sp2
180 sp
(3)根据分子或离子的空间结构判断
分子或离子的空间结构 杂化轨道类型
正四面体形 sp3
平面三角形 sp2
直线形 sp
(4)根据共价键类型判断
由杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未参与杂化的轨道用于形成π键，杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。对于能明确结构式的分子、离子，其中心原子的杂化轨道数n=中心原子形成的σ键数+中心原子上的孤电子对数，即可将结构式和电子式相结合，从而判断中心原子形成的σ键数和中心原子上的孤电子对数，进而判断杂化轨道数。例如：
①在SiF4分子中，基态硅原子有4个价电子，与4个氟原子形成4个σ键，没有孤电子对，n=4,则SiF4分子中硅原子采用sp3杂化。
②在HCHO分子中，基态碳原子有4个价电子，与2个氢原子形成2个σ键，与氧原子形成C=O,C=O中有1个σ键、1个π键，没有孤电子对，n=3,则HCHO分子中碳原子采用sp2杂化。
(5)以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化类型
①没有形成π键，为sp3杂化：CH4、CCl4、
②形成一个π键，为sp2杂化：CH2=CH2、苯(大π键)、、
③形成两个π键，为sp杂化：CH≡CH、O=C=O(CO2)、S=C=S(CS2)
【研究与实践——制作分子的空间结构模型】思考与讨论参考答案：
把四个充满气的气球用皮筋扎在一起，这四个气球形成一个正四面体形；然后把这4个气球在黑板上压在一个平面中，形成的是平面正方形；再将四个气球抛向空中，形状又恢复正四面体形，说明这种正四面体的形式是它自然的状态。把这四个气球看成四对共用电子对，它们的公共结点看成是碳原子，那么这种结构取向就是它的自然取向，这正像甲烷分子的正四面体形结构。
7.等电子原理
(1)含义：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。
(2)特点：等电子体具有相似的结构特征(立体结构和化学键类型)及相近的性质。
(3)确定等电子体的方法
同主族代换或同周期相邻元素替换，交换过程中注意电荷变化。
(4)常见的等电子体汇总
【典题精练】
考点1、考查分子结构的测定方法
例1．下列分析方法中不是现代化学测定有机物结构的是：
A．燃烧法 B．红外光谱法 C．紫外光谱法 D．核磁共振谱法
【解析】红外光谱法用于测定有机物的官能团和化学键；核磁共振谱法用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目；紫外光谱法用于测定有机物中是否含有碳碳双键等，而燃烧法只能判断C与H原子的个数比，不能判断有机物的结构，所以答案选A。
【答案】A
考点2、考查常见分子的空间结构
例2．以下分子或离子的结构为正四面体形且键与键夹角为109°28′的是
①CH4 ②SiCl4 ③CH3Cl ④P4 ⑤SO
A．①②④ B．①②③④⑤ C．①② D．①②⑤
【解析】在CH4和SiCl4中，结构为正四面体形且键与键夹角为109°28′；CH3Cl中氢原子与氯原子间的排斥作用力不同且氢原子与氯原子半径不同，空间结构不是正四面体形；P4是正四面体结构，键角为60°；SO中，S原子价层电子对数为4，没有孤电子对，SO为正四面体形，键角为109°28′。
【答案】D
【名师支招】记住常见分子的空间结构，可类推出相同类别物质的空间结构。
空间结构 常见物质
直线形 BeCl2、HCN、C2H2、CO2等
V形 H2O、H2S、SO2等
平面三角形 BF3、SO3等
三角锥形 PH3、PCl3、NH3等
正四面体形 CH4、CCl4、SiH4、SiF4等
四面体形(非正四面体形) CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等
考点3、考查价层电子对互斥理论的应用
例3．价电子对互斥模型(模型)可有效解释和预测分子的空间构型，下列解释均正确的是
选项 分子 中心原子上价层电子对数 分子的空间结构
A 4 平面正三角形
B 4 正四面体形
C 2 直线形
D 3 三角锥形
A．A B．B C．C D．D
【解析】A．中N原子形成的σ键数为3，N原子的孤电子对数为=1，因此中心原子上价层电子对数=3+1=4，分子的空间结构为三角锥形，故A项错误；B．中P原子形成的σ键数为4，P原子的孤电子对数为=0，因此中心原子上价层电子对数=4+0=4，分子的空间结构为正四面体，故B项正确；C．中Be原子形成的σ键数为2，Be原子的孤电子对数为=0，因此中心原子上价层电子对数=2+0=2，分子的空间结构为直线形，故C项错误；D．中B原子形成的σ键数为3，B原子的孤电子对数为=0，因此中心原子上价层电子对数=3+0=3，分子的空间结构为平面三角形，故D项错误；综上所述，正确的是B项。
【答案】B
【名师提醒】运用价层电子对互斥模型的注意事项
(1)运用价层电子对互斥模型判断分子的空间结构时应注意：VSEPR模型是价层电子对的空间结构，而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构，不包括孤电子对。
(2)VSEPR模型与分子的空间结构是否一致取决于中心原子上有无孤电子对，当中心原子上无孤电子对时，二者一致；当中心原子上有孤电子对时，二者不一致。
(3)分子的空间结构与分子类型有关，如AB2型分子可能为直线形或V形，AB3型分子可能为平面三角形或三角锥形。故由分子类型（ABn型）和孤电子对数能快速确定分子的空间结构。
考点4、考查杂化轨道理论的应用
例4．下列分子或离子的立体构型和中心原子的杂化方式均正确的是
A．AsH3 平面三角形 sp3杂化 B．H3O+ 平面三角形 sp2杂化
C．H2Se V形 sp3杂化 D．CO 三角锥形 sp3杂化
【解析】A．AsH3中心原子的价层电子对数=3+(5-3×1)=4，As的杂化方式为sp3，含有一对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，选项A错误；B．的中心原子的价层电子对数=3+ (6-1-3×1)=4，O的杂化方式为sp3，含有一对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，选项B错误；C．H2Se中心原子的价层电子对数=2+ (6-2×1)=4，Se的杂化方式为sp3，含有两对孤电子对，分子的立体构型为V形，选项C正确；
D．中心原子的价层电子对数=3+ (4+2-3×2)=3，C的杂化方式为sp2，没有孤电子对，分子的立体构型为平面三角形，选项D错误；答案选C。
【答案】C
【方法点睛】根据价层电子对互斥理论，在确定了分子或离子的中心原子上的成键电子对数和孤电子对数后，可以依据下面的方法确定其中心原子的杂化轨道类型：σ键电子对数(成键电子对数)+孤电子对数=价电子对数=杂化轨道数。
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专题04 分子的空间结构
【核心素养分析】
1.宏观辨识与微观探析:能从不同层次认识分子的构型，并对共价键进行分类，能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。
2.证据推理与模型认知:能运用价层电子对互斥模型和杂化轨道理论等解释分子的立体结构与性质，揭示现象的本质与规律。
【目标导航】
本专题主要考点主要涉及以下几点：杂化轨道理论及简单的杂化轨道类型(sp、sp、sp)的判断，用价层电子对互斥模型或杂化轨道理论推测简单分子或离子的空间结构，往往与其他知识点综合在一起，出现在选择题或填空题中，试题难度中等或较大。
【重难点精讲】
一、分子结构的测定
1.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 后推测分子的结构。
2.分子结构测定的常用方法：红外光谱、晶体X射线衍射
3.红外光谱法测定分子的官能团和化学键
（1）测定原理：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。（2）测定过程
红外光谱图分析吸收峰与谱图库对比推断分子所含的官能团和化学键
（3）红外光谱图：表明有机物分子中含有何种化学键或官能团。
（4）用途：确定官能团和化学键的类型。
注意：大多数已知化合物的红外谱图已建成数据库，通过对比便可得到确认。
4.质谱仪测定分子的相对质量
（1）原理：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。
（2）测定过程
待测物分子离子、碎片离子电场加速磁场偏转质谱图
（3）质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。
（4）质谱法应用：测定相对分子质量，即：由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大（最右边）的就是未知物的相对分子质量，注意：当“质”为该有机物的相对分子质量，“荷”为一个单位电荷时，质荷比的最大值即为该有机物的相对分子质量——质谱图中最右边的数据。
二、多样的分子空间结构
1.三原子分子的空间结构——直线型和V形（又称角形）
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CO2 O=C=O 180 直线型
H2O 105 V形
2.四原子分子常见的空间结构——平面三角形和三角锥形
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CH2O 约120 平面三角形
NH3 107 三角锥形
【特别说明】四原子分子的空间结构大多数为平面三角形和三角锥形，也有的为直线形(如C2H2)、正四面体形(如P4)等。
3.五原子分子常见的空间结构——四面体形
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名称
CH4 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（VSEPR）
1.应用：预测分子的空间结构
2.内容：价层电子对互斥模型认为，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。
(1)当中心原子的价电子全部参与成键时，为使价电子斥力最小，就要求尽可能采取对称结构。
(2)当中心原子的价电子部分参与成键时，未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同，从而影响分子的空间结构。
(3)电子对之间的夹角越大，相互之间的斥力越小。
(4)成键电子对之间斥力由大到小的顺序：三键-三键>三键-双键>双键-双键>双键-单键>单键
-单键。
(5)含孤电子对的斥力由大到小的顺序：孤电子对-孤电子对>孤电子对-单键>单键-单键。
3.中心原子上的价层电子对数的计算
中心原子上的价层电子对数=σ键电子对数+中心原子上的孤电子对数
(1)σ键电子对数的确定：由化学式确定
(2)中心原子上的孤电子对数的确定：
中心原子上的孤电子对数=
公式中各字母的含义：
a 中心原子的价层电子数
主族元素 =最外层电子数
阳离子 =中心原子的价层电子数-离子的电荷数
阴离子 =中心原子的价层电子数+︱离子的电荷数︱
x 与中心原子结合的原子数
b 与中心原子结合的原子最多能接受的电子数
H =1
其他原子 =8-该原子的价层电子数
【特别说明】VSEPR的“价层电子对”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。多重键只计其中的σ键电子对，不计π键电子对。
4.根据价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间结构
在确定了σ键电子对数和中心原子上的孤电子对数后，可以依据下面的方法确定相应的较稳定的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模型分子的空间结构
【特别说明】①中心原子不含孤电子对的分子(或离子)，VSEPR模型与分子(或离子)的空间结构一致。
②中心原子若有孤电子对，孤电子对也要占据中心原子周围的空间，并与成键电子对互相排斥，则 VSEPR模型与分子的空间结构不一致。推测分子的立体模型必须略去 VSEPR模型中的孤电子对。
【思考与讨论】参考答案：
(1)主族元素原子的价电子数等于元素所在族的序数，如S在第VIA族，其价电子数是6；P在第VA族，其价电子数是5。
(2)主族元素原子最多能接受的电子数等于8减去元素所在族的序数，如N在第VA族，其最多能接受的电子数是8-5=3；C1在第IA族，其最多能接受的电子数是8-7=1。
5.常见分子或离子的空间结构的推测
分子或离子 中心原子上的孤电子对数 中心原子上的价层电子对数 VSEPR模型 VSEPR模型名称 空间结构 空间结构名称
CO2、BeCl2 0 2 直线形 直线形
CO32—、BF3 0 3 平面三角形 平面三角形
SO2、PbCl2 1 V形
CH4、CCl4 0 4 正四面体形 正四面体形
NH3、NF3 1 四面体形 三角锥形
H2O、H2S 2 V形
【特别说明】①价层电子对互斥模型对分子空间结构的预测少有失误，但它不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子。
②氨气与水的VSEPR模型一致，但空间构型不同的原因是：孤电子对之间的斥力>孤电子对与成键电子对之间的斥力>成键电子对之间的斥力。
【思考与讨论】参考答案：
（1）BF3:B原子的价层电子中，键电子对数是3，孤电子对数为(3-3×1)/2=0,VSEPR模型和分子的空间结构都是平面三角形。
（2）NH4+:N原子的价层电子中，σ键电子对数是4，孤电子对数为(5-1-4×1)/2=0,VSEPR模型和离子的空间结构都是正四面体形。
（2）SO32-:S原子的价层电子中，σ键电子对数是3，孤电子对数为(6+2-3x2)/2=1,VSEPR模型是四面体形，离子的空间结构是三角锥形。
四、杂化轨道理论简介
1.杂化轨道的含义
杂化轨道理论是一种价键理论，是鲍林为了解释分子的空间结构提出的。
(1)轨道的杂化：在外界条件影响下，原子内部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。
(2)杂化轨道：原子轨道杂化后形成的一组新的原子轨道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。
2.杂化轨道理论的要点
(1)原子形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。发生轨道杂化的原子一定是中心原子。
(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。
(3)只有能量相近的原子轨道才能杂化(如2s、2p)。
(4)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目),且杂化轨道的能量相同。
(5)为使相互间的排斥力最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。杂化后轨道的伸展方向、形状发生改变，但相同杂化形式的杂化轨道形状完全相同。杂化使原子的成键能力增加。形成的共价键更牢固。
(6)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。分子的空间结构主要取决于原子轨道的杂化类型。
(7)杂化轨道成键时仍具有共价键的特征——方向性和饱和性
(8)杂化轨道数=中心原子上的孤电子对数+与中心原子结合的原子数。
3.杂化轨道类型
类型 形成过程 夹角 空间结构
sp3杂化轨道 sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的 109°28′ 正四面体形
sp2杂化轨道 sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的 120° 平面三角形
sp杂化轨道 sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的 180° 直线形
【特别说明】原子轨道发生sp杂化时，还有2个np轨道未发生杂化，若np轨道上有未成对电子，形成分子时2个np轨道上的电子会形成π键。
4.杂化轨道类型与分子的空间结构的关系
(1)杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。当没有孤电子对时，能量相同的杂化轨道彼此远离，形成的分子为对称结构；当有孤电子对时，孤电子对占据一定空间且对成键电子对产生排斥，形成的分子的空间结构也发生变化。
(2)杂化轨道与分子的空间结构的关系
①当杂化轨道全部用于形成σ键时
杂化类型 sp sp2 sp3
轨道组成 1个ns和1个np 1个ns和2个np 1个ns和3个np
轨道夹角 180° 120° 109°28′
杂化轨道示意图
实例 BeCl2 BF3 CH4
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
由于孤电子对参与互相排斥，会使分子的构型与杂化轨道的形状有所区别。如水分子中氧原子的sp3杂化轨道有2个杂化轨道由孤电子对占据，其分子不呈正四面体形，而呈V形；氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个杂化轨道由孤电子对占据，氨分子不呈正四面体形，而呈三角锥形。
5.VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型的关系
杂化轨道理论解释了价层电子对互斥模型所推测的分子空间结构，但分析具体分子中的中心原子的杂化轨道类型时，应先确定分子或离子的VSEPR模型，再确定中心原子的杂化轨道类型。 VSEPR模型及其中心原子对应的杂化轨道类型如表所示：
【思考与讨论】参考答案：
(1)BF3的σ键电子对数为3，孤电子对数为0，价层电子对数为3，故杂化轨道类型为sp2 杂化。
(1)H30+的σ健电子对数为3，孤电子对数为1，价层电子对数为4，故杂化轨道美型为Sp3杂化。
6.杂化轨道类型的判断方法
(1)根据价层电子对互斥模型判断中心原子的杂化类型、空间结构
在确定了分子或离子的中心原子上的成键电子对数和孤电子对数后，可以依据下面的方法确定其中心原子的杂化轨道类型：σ键电子对数(成键电子对数)+孤电子对数=价电子对数=杂化轨道数
根据杂化类型及孤电子对数即可判断分子或离子的空间结构，列表如下：
价层电子对数 杂化轨道类型 成键电子对数 孤电子对数 杂化轨道数 分子空间结构 实例
2 sp 2 0 2 直线形 BeCl2、CO2、HCN
3 sp2 3 0 3 平面三角形 BF3、SO3、CO32—
2 1 V形 SnBr2、SO2、NO2—
4 sp3 4 0 4 四面体形 CHCl3、SiCl4、PO43—
3 1 三角锥形 NH3、PCl3、SO32—
2 2 V形 OF2、H2O、NH2—
(2) 根据杂化轨道间的夹角判断
杂化轨道间的夹角 杂化轨道类型
109 28 sp3
120 sp2
180 sp
(3)根据分子或离子的空间结构判断
分子或离子的空间结构 杂化轨道类型
正四面体形 sp3
平面三角形 sp2
直线形 sp
(4)根据共价键类型判断
由杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未参与杂化的轨道用于形成π键，杂化轨道用于形成σ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。对于能明确结构式的分子、离子，其中心原子的杂化轨道数n=中心原子形成的σ键数+中心原子上的孤电子对数，即可将结构式和电子式相结合，从而判断中心原子形成的σ键数和中心原子上的孤电子对数，进而判断杂化轨道数。例如：
①在SiF4分子中，基态硅原子有4个价电子，与4个氟原子形成4个σ键，没有孤电子对，n=4,则SiF4分子中硅原子采用sp3杂化。
②在HCHO分子中，基态碳原子有4个价电子，与2个氢原子形成2个σ键，与氧原子形成C=O,C=O中有1个σ键、1个π键，没有孤电子对，n=3,则HCHO分子中碳原子采用sp2杂化。
(5)以碳原子为中心原子的分子中碳原子的杂化类型
①没有形成π键，为sp3杂化：CH4、CCl4、
②形成一个π键，为sp2杂化：CH2=CH2、苯(大π键)、、
③形成两个π键，为sp杂化：CH≡CH、O=C=O(CO2)、S=C=S(CS2)
【研究与实践——制作分子的空间结构模型】思考与讨论参考答案：
把四个充满气的气球用皮筋扎在一起，这四个气球形成一个正四面体形；然后把这4个气球在黑板上压在一个平面中，形成的是平面正方形；再将四个气球抛向空中，形状又恢复正四面体形，说明这种正四面体的形式是它自然的状态。把这四个气球看成四对共用电子对，它们的公共结点看成是碳原子，那么这种结构取向就是它的自然取向，这正像甲烷分子的正四面体形结构。
7.等电子原理
(1)含义：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。
(2)特点：等电子体具有相似的结构特征(立体结构和化学键类型)及相近的性质。
(3)确定等电子体的方法
同主族代换或同周期相邻元素替换，交换过程中注意电荷变化。
(4)常见的等电子体汇总
【典题精练】
考点1、考查分子结构的测定方法
例1．下列分析方法中不是现代化学测定有机物结构的是：
A．燃烧法 B．红外光谱法 C．紫外光谱法 D．核磁共振谱法
【解析】红外光谱法用于测定有机物的官能团和化学键；核磁共振谱法用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目；紫外光谱法用于测定有机物中是否含有碳碳双键等，而燃烧法只能判断C与H原子的个数比，不能判断有机物的结构，所以答案选A。
【答案】A
考点2、考查常见分子的空间结构
例2．以下分子或离子的结构为正四面体形且键与键夹角为109°28′的是
①CH4 ②SiCl4 ③CH3Cl ④P4 ⑤SO
A．①②④ B．①②③④⑤ C．①② D．①②⑤
【解析】在CH4和SiCl4中，结构为正四面体形且键与键夹角为109°28′；CH3Cl中氢原子与氯原子间的排斥作用力不同且氢原子与氯原子半径不同，空间结构不是正四面体形；P4是正四面体结构，键角为60°；SO中，S原子价层电子对数为4，没有孤电子对，SO为正四面体形，键角为109°28′。
【答案】D
【名师支招】记住常见分子的空间结构，可类推出相同类别物质的空间结构。
空间结构 常见物质
直线形 BeCl2、HCN、C2H2、CO2等
V形 H2O、H2S、SO2等
平面三角形 BF3、SO3等
三角锥形 PH3、PCl3、NH3等
正四面体形 CH4、CCl4、SiH4、SiF4等
四面体形(非正四面体形) CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等
考点3、考查价层电子对互斥理论的应用
例3．价电子对互斥模型(模型)可有效解释和预测分子的空间构型，下列解释均正确的是
选项 分子 中心原子上价层电子对数 分子的空间结构
A 4 平面正三角形
B 4 正四面体形
C 2 直线形
D 3 三角锥形
A．A B．B C．C D．D
【解析】A．中N原子形成的σ键数为3，N原子的孤电子对数为=1，因此中心原子上价层电子对数=3+1=4，分子的空间结构为三角锥形，故A项错误；B．中P原子形成的σ键数为4，P原子的孤电子对数为=0，因此中心原子上价层电子对数=4+0=4，分子的空间结构为正四面体，故B项正确；C．中Be原子形成的σ键数为2，Be原子的孤电子对数为=0，因此中心原子上价层电子对数=2+0=2，分子的空间结构为直线形，故C项错误；D．中B原子形成的σ键数为3，B原子的孤电子对数为=0，因此中心原子上价层电子对数=3+0=3，分子的空间结构为平面三角形，故D项错误；综上所述，正确的是B项。
【答案】B
【名师提醒】运用价层电子对互斥模型的注意事项
(1)运用价层电子对互斥模型判断分子的空间结构时应注意：VSEPR模型是价层电子对的空间结构，而分子的空间结构指的是成键电子对的空间结构，不包括孤电子对。
(2)VSEPR模型与分子的空间结构是否一致取决于中心原子上有无孤电子对，当中心原子上无孤电子对时，二者一致；当中心原子上有孤电子对时，二者不一致。
(3)分子的空间结构与分子类型有关，如AB2型分子可能为直线形或V形，AB3型分子可能为平面三角形或三角锥形。故由分子类型（ABn型）和孤电子对数能快速确定分子的空间结构。
考点4、考查杂化轨道理论的应用
例4．下列分子或离子的立体构型和中心原子的杂化方式均正确的是
A．AsH3 平面三角形 sp3杂化 B．H3O+ 平面三角形 sp2杂化
C．H2Se V形 sp3杂化 D．CO 三角锥形 sp3杂化
【解析】A．AsH3中心原子的价层电子对数=3+(5-3×1)=4，As的杂化方式为sp3，含有一对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，选项A错误；B．的中心原子的价层电子对数=3+ (6-1-3×1)=4，O的杂化方式为sp3，含有一对孤电子对，分子的立体构型为三角锥形，选项B错误；C．H2Se中心原子的价层电子对数=2+ (6-2×1)=4，Se的杂化方式为sp3，含有两对孤电子对，分子的立体构型为V形，选项C正确；
D．中心原子的价层电子对数=3+ (4+2-3×2)=3，C的杂化方式为sp2，没有孤电子对，分子的立体构型为平面三角形，选项D错误；答案选C。
【答案】C
【方法点睛】根据价层电子对互斥理论，在确定了分子或离子的中心原子上的成键电子对数和孤电子对数后，可以依据下面的方法确定其中心原子的杂化轨道类型：σ键电子对数(成键电子对数)+孤电子对数=价电子对数=杂化轨道数。
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