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
[学习目标] 1.通过分子结构测定方法的学习,能说明分子结构测定的常用方法,能辨识简单的波谱图。2.通过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的原因。3.通过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
(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)如今科学家应用红外光谱、晶体X射线衍射等现代仪器和方法测定分子的结构。
2.红外光谱的工作原理
(1)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,综合这些信息,可分析出分子中含有何种化学键或官能团的信息。
(2)示意图。
[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。
3.质谱法
(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。分子离子和碎片离子各自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)应用:测定分子的相对分子质量。
(3)读谱:相对分子质量=最大质荷比。
[示例] 以甲苯为例:
由图可得,甲苯的相对分子质量为92。
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。
探究 有机化合物组成、结构的测定方法
分离提纯某有机化合物A并用化学方法测定其元素组成,确定其最简式(有机化合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:用质谱仪测定有机化合物A的质谱图如图所示,据此分析A的相对分子质量,并结合其最简式确定该有机化合物的分子式。
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化合物A,得到如图所示信息。推测该有机化合物A含有的化学键或官能团。通过该红外光谱图能否确认化学键或官能团的个数
提示:该物质中含有C—H、O—H、C—O,可以推测该有机化合物含有羟基官能团;不能确认化学键或官能团的个数。
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:核磁共振氢谱图中有三个峰,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,写出该有机化合物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.如图是有机化合物X的质谱图,则X的相对分子质量是( )
[A] 29 [B] 43
[C] 57 [D] 72
【答案】 D
【解析】 由有机化合物X的质谱图可以看出,最大质荷比为72,故X的相对分子质量为72。
2.如图是一种分子式为C4H8O2的有机化合物的红外光谱图,则该有机化合物可能为( )
[A] CH3COOCH2CH3
[B] CH3CH2CH2COOH
[C] HCOOCH2CH2CH3
[D] (CH3)2CHCH2COOH
【答案】 A
【解析】 本题所给选项中有机化合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,所以该有机化合物可能是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
观察下列几种简单分子的空间结构模型。
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°,CO2中两个CO的键角是180°,推测H2S和CO2的分子空间结构分别是怎样的
提示:H2S的空间结构是V形,CO2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的键长与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:空间结构相同的分子,其键角完全相同吗
提示:不一定,如P4和CH4均为正四面体形,但P4的键角是60°,CH4的键角为109°28′。
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,试写出这两种分子的电子式,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:, ;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.下列分子的球棍模型正确的是( )
[A] CO2的球棍模型:
[B] PH3的球棍模型:
[C] H2S的球棍模型:
[D] CH4的球棍模型:
【答案】 D
【解析】 CO2是直线形分子,A错误;PH3是三角锥形分子,B错误;H2S是V形分子,C错误。
2.下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是( )
[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
【答案】 B
【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: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。
(3)价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)。
2.价层电子对数的确定方法
(1)方法图示。
(2)由公式(a-xb)确定孤电子对数。
①a表示中心原子的价电子数。
对主族元素的原子:a=最外层电子数,如氧原子的 a=6。
对于阳离子:a=价电子数-离子电荷数,如N中a=5-1=4。
对于阴离子:a=价电子数+|离子电荷数|,如C中a=4+|-2|=6。
②x表示与中心原子结合的原子数,如C中,x=3,N中,x=4。
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(如下表)。
元素 H、卤族元素 (F、Cl、Br、I) 氧族元素 (O、S等) 氮族元素 (N、P等)
b 1 2 3
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模型名称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
1940年,希吉维克和坡维尔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分子中碳原子的4个价电子全部参与成键,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(结构如图)中①、②、③C—O—H的空间结构。
提示:①为四面体形,②为平面三角形,③为V形。
1.价层电子对数的计算方法
(1)结构分析法。
利用分子的电子式或结构式计算,其中共价单键是1个价层电子对,双键和三键也为1个价层电子对,如PH3的电子式为H,则价层电子对数为3+1=4。甲醛的结构式为,价层电子对数为3。
(2)公式计算法。
中心原子的价层电子对数=σ键电子对数+孤电子对数,其中孤电子对数=(a-xb)。
2.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模型名称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个电子对看待。
(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。
3.确定分子的空间结构
(1)若中心原子没有孤电子对,则VSEPR模型与分子空间结构一致。
(2)若中心原子有孤电子对,根据孤电子对与成键电子对相互排斥规律: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。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键角减小。如CH4、NH3和H2O的键角依次减小。
题点一 VSEPR模型的理解辨析
1.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述不正确的是( )
[A] VSEPR模型可用来预测分子的立体结构
[B] 分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构
[C] 分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定
[D] 中心原子上的孤电子对不参与互相排斥
【答案】 D
【解析】 价层电子对互斥模型可用来预测分子的立体结构,故A正确;空间结构与价层电子对相互排斥有关,因此分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构,故B正确;分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定,故C正确;中心原子上的孤电子对参与相互排斥,故D错误。
2.计算下列中心原子的价层电子对数。
(1)SCl2中的中心原子的价层电子对数是 。
(2)N中的中心原子的价层电子对数是 。
(3)PCl5中的中心原子的价层电子对数是 。
【答案】 (1)4 (2)3 (3)5
【解析】 (1)SCl2中的中心原子是S,中心原子的价层电子对数为2+×(6-2×1)=4。
(2)N中σ键的数目为3,孤电子对数为×(5+1-3×2)=0,故价层电子对数为3。
(3)PCl5中的中心原子是P,σ键的数目为5,孤电子对数为×(5-5×1)=0,价层电子对数为5+0=5。
题点二 利用VSEPR模型预测分子的空间结构
3.(2025·江苏南通海安实验中学期中)用价层电子对互斥模型(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间结构,有时也能用来推测键角大小。下列判断正确的是( )
[A] SO2、CO2都是直线形的分子
[B] H2O的键角为120°,O3的键角为180°
[C] BF3和PCl3都是三角锥形的分子
[D] C、SO3都是平面三角形的粒子
【答案】 D
【解析】 SO2中的中心原子S的价层电子对数为2+=3,为sp2杂化,孤电子对数为1,分子空间结构为V形,CO2是直线形的分子,故A错误;H2O中的中心原子O的价层电子对数为2+=4,为sp3杂化,孤电子对数为2,分子空间结构为V形,键角为105°,O3中的中心原子O的价层电子对数为2+=3,为sp2杂化,孤电子对数为1,分子空间结构为V形,键角小于180°,故B错误;BF3中的中心原子B的价层电子对数为3+=3,为sp2杂化,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,PCl3中的中心原子P的价层电子对数为 3+=4,为sp3杂化,孤电子对数为1,空间结构为三角锥形,故C错误;C中的中心原子C的价层电子对数为3+=3,为sp2杂化,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,SO3中的中心原子S的价层电子对数为3+=3,为sp2杂化,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,故D正确。
4.下列分子或离子中,键角由大到小的排列顺序正确的是( )
① ②NH3 ③H2O ④BF3 ⑤CO2
[A] ⑤④①②③ [B] ⑤①④②③
[C] ④①②⑤③ [D] ③②④①⑤
【答案】 A
【解析】 ①的空间结构为正四面体形,键角为109°28′;②NH3 分子中氮原子的价层电子对数为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°。所以键角由大到小的排列顺序是⑤④①②③。
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:0] 短周期元素D、E、X、Y、Z的原子序数逐渐增大,它们的最简单氢化物分子的空间结构依次是正四面体形、三角锥形、正四面体形、V形、直线形。回答下列问题。 [0:
命题解密与解题指导
情境解读:以物质推断为载体考查分子(离子)组成特点、VSEPR模型及其与空间结构的关系。
素养立意:通过对分子组成的分析,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,培养证据推理与模型认知素养。
思考点拨:首先,推出元素,再根据题目信息确定具体的粒子组成;然后,以熟悉的粒子的空间结构为依据或直接应用VSEPR模型,判断粒子的空间结构,同时要注意键角的影响。]
(1)Z的氢化物的结构式为 ,HZO的中心原子的价层电子对数的计算式为 ,该分子的空间结构为 。
(2)Y的价层电子排布式为 ,Y的最高价氧化物的VSEPR模型为 。
(3)X与Z形成的最简单化合物的化学式是 ,该分子中的键角是 。
(4)D、E的最简单氢化物的分子空间结构分别是正四面体形与三角锥形,这是因为 (填字母)。
a.两种分子的中心原子的价层电子对数不同
b.D、E的非金属性不同
c.E的最简单氢化物分子中有一个孤电子对,而D的最简单氢化物分子中没有
【答案】 (1)H—Cl 2+×(6-1×1-1×1) V形 (2)3s23p4 平面三角形 (3)SiCl4 109°28′ (4)c
【解析】 由题意可推出,D、E、X、Y、Z分别为C、N、Si、S、Cl。
(1)HClO中氧原子是中心原子,其价层电子对数为2+×(6-1×1-1×1)=4,所以HClO的空间结构为V形。
(2)SO3中硫原子的价层电子对数为3,VSEPR模型为平面三角形。
(3)SiCl4是正四面体形结构,键角为109°28′。
(4)CH4、NH3的中心原子的价层电子对数均为4,分子空间结构不同的根本原因是NH3中有孤电子对而CH4中没有,分子空间结构与元素的非金属性强弱无关。故选c。
(时间:30分钟 满分:83分)
(选择题1~18题,每小题3分,共54分)
(一)分子结构的测定
1.TBC的一种标准谱图如图所示,它是( )
[A] 核磁共振氢谱 [B] 质谱
[C] 红外光谱 [D] 紫外光谱
【答案】 C
【解析】 核磁共振氢谱用于测定氢原子的种类和数目;质谱用于测定有机物的相对分子质量;红外光谱横坐标为波数,紫外光谱横坐标为波长。故选C。
2.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,该有机化合物的相对分子质量是60,则该有机化合物的结构简式是( )
[A] CH3CH2OCH3 [B] CH3CH(OH)CH3
[C] CH3CH2OH [D] CH3COOH
【答案】 B
【解析】 A中不存在O—H;C中有机化合物的相对分子质量不是60;D中还存在CO。
3.某有机化合物M的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示。则M的结构简式为( )
[A] CH3CH2OCH2CH3 [B] CH3OCH2CH2CH3
[C] CH3CH2CH2OCH3 [D] (CH3)2CHOCH3
【答案】 A
【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。
(二)分子空间结构
4.下列分子的空间结构模型或键角正确的是( )
[A] CH4:109°28′ [B] H2S:
[C] NH3:120° [D] CO2:
【答案】 A
【解析】 甲烷是正四面体形结构,碳原子在正四面体的中心,键角为109°28′,故A正确;H2S是V形结构,不是直线形结构,故B错误;NH3是三角锥形结构,键角大约为107°,故C错误;CO2是直线形结构,故D错误。
5.在白磷(P4)分子中,4个磷原子分别处在正四面体的四个顶点,结合有关磷原子的成键特点,下列有关白磷的说法正确的是( )
[A] 白磷分子的键角为109°28′
[B] 分子中共有4个共用电子对
[C] 白磷分子的键角为60°
[D] 分子中有6个孤电子对
【答案】 C
【解析】 根据共价键的方向性和饱和性,每个磷原子都以3个共价键分别与其他3个磷原子结合,从而形成正四面体形结构,所以键角为60°。分子中有6个共价单键,4个孤电子对。故选C。
6.下列分子的空间结构为正四面体形的是( )
①P4 ②NH3 ③CCl4 ④CH4 ⑤H2S ⑥CO2
[A] ①③④⑤ [B] ①③⑤⑥
[C] ①③④ [D] ④⑤
【答案】 C
【解析】 NH3的空间结构是三角锥形,H2S的空间结构是V形,CO2的空间结构是直线形,P4、CCl4、CH4的空间结构均为正四面体形,故选C。
(三)价层电子对互斥模型
7.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述不正确的是( )
[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
【答案】 D
【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。
8.下列分子或离子中,中心原子含有孤电子对的是( )
[A] PCl5 [B] N [C] SiCl4 [D] PbCl2
【答案】 D
【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。
9.下列分子或离子的空间结构与C完全相同的是( )
[A] NH3 [B] SO3 [C] S [D] H3O+
【答案】 B
【解析】 C中碳原子价层电子对数为3,无孤电子对,空间结构是平面三角形。NH3中氮原子价层电子对数为4,有1个孤电子对,空间结构是三角锥形,故A不符合题意;SO3中硫原子价层电子对数为3,无孤电子对,空间结构是平面三角形,故B符合题意;S中硫原子价层电子对数为4,有1个孤电子对,空间结构是三角锥形,故C不符合题意;H3O+中氧原子价层电子对数为4,有1个孤电子对,空间结构是三角锥形,故D不符合题意。
10.(2024·山西怀仁期中)下列粒子的VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形的是( )
[A] BeCl2 [B] S [C] H3O+ [D] H2S
【答案】 D
【解析】 BeCl2的中心原子Be的价层电子对数为2+×(2-2×1)=2,没有孤电子对,VSEPR模型为直线形,其空间结构也为直线形,故A不符合题意;S的中心原子S的价层电子对数为3+×(6+2-3×2)=4,有1个孤电子对,VSEPR模型为四面体形,其空间结构为三角锥形,故B不符合题意;H3O+的中心原子O的价层电子对数为3+×(6-1-3×1)=4,有1个孤电子对,VSEPR模型为四面体形,其空间结构为三角锥形,故C不符合题意;H2S的中心原子S的价层电子对数为2+×(6-2×1)=4,有2个孤电子对,VSEPR模型为四面体形,其空间结构为V形,故D符合题意。
11.(2024·江苏南通海安实验中学期中)下列分子或离子的VSEPR模型与其空间结构不一致的是( )
[A] N [B] C [C] SO2 [D]
【答案】 C
【解析】 N的中心原子N的价层电子对数是4+=4,由于孤电子对数是0,因此N的VSEPR模型及其空间结构都是四面体形,二者一致,A不符合题意;C的中心原子C的价层电子对数是3+=3,由于孤电子对数是0,因此C的VSEPR模型及其空间结构都是平面三角形,二者一致,B不符合题意;SO2的中心原子S的价层电子对数是 2+=3,SO2的VSEPR模型是平面三角形,由于其孤电子对数是1,因此SO2的空间结构是V形,二者不一致,C符合题意;的中心原子N的价层电子对数是2+=2,由于孤电子对数是0,因此的VSEPR模型及其空间结构都是直线形,二者一致,D不符合题意。
12.(2024·江苏扬州大学附属中学月考)根据价层电子对互斥模型,判断下列分子或离子的空间结构正确的是( )
编号 分子式 价层电子对 互斥模型 分子或离子 的空间结构
① NCl3 四面体形 三角锥形
② HCHO 平面三角形 三角锥形
③ SO2 平面三角形 平面三角形
④ N 正四面体形 正四面体形
[A] ①② [B] ①④ [C] ②④ [D] ②③
【答案】 B
【解析】 ①NCl3的中心原子N的价层电子对数为4,价层电子对互斥模型为四面体形,含有1个孤电子对,分子的空间结构为三角锥形,正确;②甲醛(HCHO)分子的中心原子C的价层电子对数为3(有1个双键),价层电子对互斥模型为平面三角形,没有孤电子对,分子的空间结构为平面三角形,错误;③SO2的中心原子S的价层电子对数为3,含有1个孤电子对,价层电子对互斥模型为平面三角形,分子的空间结构为V形,错误;④N的中心原子N的价层电子对数为4,价层电子对互斥模型为正四面体形,没有孤电子对,离子的空间结构为正四面体形,正确。故选B。
综合应用
13.下列各组粒子的空间结构相同的是( )
①NH3和H2O;②N和H3O+;③NH3和H3O+;④O3和SO2;⑤CO2和BeCl2。
[A] 全部 [B] ①②③
[C] ③④⑤ [D] ②⑤
【答案】 C
【解析】 根据价层电子对互斥模型判断可知,①NH3的中心原子N的价层电子对数为3+×(5-3×1)=4,故NH3是三角锥形,而H2O的中心原子O的价层电子对数为2+×(6-2×1)=4,故H2O是V形,两者不同;②N的中心原子N的价层电子对数为4+×(5-1-4×1)=4,故N是正四面体形,H3O+的中心原子O的价层电子对数为3+×(6-1-3×1)=4,故H3O+是三角锥形,两者不同;③NH3是三角锥形,H3O+是三角锥形,两者相同;④O3的中心原子O的价层电子对数为2+×(6-2×2)=3,故O3是V形,SO2的中心原子S的价层电子对数为2+×(6-2×2)=3,故SO2是V形,两者相同;⑤CO2的中心原子C的价层电子对数为2+×(4-2×2)=2,故CO2是直线形,BeCl2的中心原子Be的价层电子对数为 2+×(2-2×1)=2,故BeCl2是直线形,两者相同。综上所述,③④⑤空间结构相同,C正确。
14.(2025·黑龙江牡丹江期中)氯元素有多种化合价,可形成Cl-、ClO-、Cl、Cl、Cl等离子。下列说法错误的是( )
[A] 基态Cl-核外电子的空间运动状态有9种
[B] 键角:Cl[C] ClO-的中心原子是Cl,价层电子对数为4
[D] Cl的空间结构为三角锥形
【答案】 C
【解析】 基态Cl-的核外电子排布式是1s22s22p63s23p6,核外电子运动的轨道数是1+1+3+1+3=9,因此基态Cl-核外电子的空间运动状态有9种,A正确;Cl的中心原子Cl的价层电子对数是2+=4,Cl的中心原子Cl的价层电子对数是3+=4,Cl的中心原子Cl的价层电子对数是4+=4,中心原子上价层电子对数相同,含有的孤电子对数越多,其对成键电子对的排斥作用就越大,键角就越小,故键角大小为Cl15.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( )
[A] SO2 [B] O3 [C] OF2 [D] NH3
【答案】 C
【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,与不完全相同,A不符合题意;O3可以看作O·O2,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,与不完全相同,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。
16.(2025·四川乐山期末)三氟化氯(ClF3)是极强的助燃剂,液态时能发生自耦电离:2ClF3Cl+Cl,其气态分子的结构如图所示。下列说法正确的是( )
[A] ClF3中氟元素显正价
[B] Cl的中心原子的孤电子对数为2
[C] Cl的空间结构为直线形
[D] ClF3的键角F—Cl—F大于NH3的键角H—N—H
【答案】 B
【解析】 由于电负性F>Cl,则ClF3中氟元素显负价,A错误;Cl的中心原子Cl的孤电子对数为×(7+1-4×1)=2,B正确;Cl的中心原子Cl的价层电子对数为2+×(7-1-2×1)=4,有2个孤电子对,故其空间结构为V形,C错误;由题图可知,ClF3的中心原子Cl的价层电子对数为5,有2个孤电子对,呈三角锥形,而NH3也呈三角锥形,但其氮原子上只有1个孤电子对,故ClF3的键角F—Cl—F小于NH3的键角H—N—H,D错误。
17.(2024·山西长治期末)短周期元素W、X、Y和Z的原子序数依次增大,Z位于第三周期,W是宇宙中最多的元素,W2X是维持生命过程的必需物质,WY可用于玻璃的刻蚀,ZX2是酸雨的主要形成原因之一。下列说法错误的是( )
[A] 在这四种元素中,Y的第一电离能最大
[B] W2X分子的键角大于W2Z分子的键角
[C] ZY6的中心原子的价层电子对数是6
[D] WY可用于玻璃的刻蚀,是利用了其强氧化性
【答案】 D
【解析】 W是宇宙中最多的元素,则W是H;W2X是维持生命过程的必需物质,则X为O;WY可用于玻璃的刻蚀,则WY为HF,Y为F;ZX2是酸雨的主要形成原因之一,且Z的原子序数比Y的大,则Z为S;综上所述,W、X、Y、Z分别为H、O、F、S。O、F同周期,同一周期主族元素,从左到右第一电离能呈增大的趋势,O、F中F的第一电离能更大,O、S同主族,同一主族元素,从上到下第一电离能逐渐减小,第一电离能:O>S,F的第一电离能大于H的,因此F的第一电离能在这四种元素中最大,A正确;H2O和H2S的中心原子都有两个孤电子对,原子半径:OS,键长:O—HH2S,所以H2O的键角比H2S的大,B正确;SF6的中心原子S的价层电子对数为6+=6,C正确;HF用于玻璃的刻蚀,化学方程式为SiO2+4HFSiF4↑+2H2O,不是氧化还原反应,所以不是利用了HF的强氧化性,且HF没有强氧化性,D错误。
18.已知某有机化合物X的红外光谱图和质谱图如图所示。下列说法正确的是( )
[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X的核磁共振氢谱就可以得知其分子中的氢原子总数
[D] 若X的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3
【答案】 A
【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比表示氢原子的数目比,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X为CH3—O—CH3,则无O—H,与所给红外光谱图不符,D错误。
19.(16分)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
【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
【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模型为四面体形,但氧原子有2个孤电子对,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。
20.(13分,除标注外,每空3分)请回答下列问题。
(1)键角:SeO3>Se,原因是 。
(2)两种三角锥形气态氢化物PH3和NH3的键角分别为93.6°和107°,试分析PH3的键角小于NH3的原因: 。
(3)H+可与H2O形成H3O+,H3O+中H—O—H的键角比H2O中H—O—H的键角大,原因为 。
(4)乙酸分子()中键角1 (填“大于”“等于”或“小于”,1分)键角2,原因是 。
【答案】 (1)Se中Se的价层电子对数为4,存在1个孤电子对,为三角锥形,键角小于109°28′;SeO3中Se的价层电子对数为3,为平面三角形,键角为120°
(2)N的电负性强于P的,且原子半径N小于P,NH3中成键电子对离中心原子更近,成键电子对间距离更小,致使NH3中成键电子对间斥力更大,键角更大
(3)H2O中氧原子有两个孤电子对,H3O+中氧原子有一个孤电子对,孤电子对数越多,排斥力越大,键角越小
(4)大于 CO对C—C的斥力大于C—O对C—C的斥力
【解析】 (1)Se中Se的价层电子对数为4,存在1个孤电子对,为三角锥形;SeO3中Se的价层电子对数为3,为平面三角形;故键角大小:SeO3>Se。
(2)N的电负性强于P的,且原子半径N小于P,NH3中成键电子对离中心原子更近,成键电子对间距离更小,致使NH3中成键电子对间斥力更大,键角更大。
(3)H3O+、H2O的中心原子的价层电子对数均为4,H2O中氧原子有两个孤电子对,H3O+中氧原子有一个孤电子对,因为孤电子对间的排斥力>孤电子对与成键电子对间的排斥力>成键电子对间的排斥力,所以H3O+中H—O—H的键角比H2O中H—O—H的键角大。
(4)由于双键对单键的斥力大于单键对单键的斥力,故乙酸分子结构中键角1大于键角2。
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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.通过分子结构测定方法的学习,能说明分子结构测定的常用方法,能辨识简单的波谱图。2.通过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的原因。3.通过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解释和预测分子的空间结构。
认识分子结构的测定
学习任务1
1.分子结构的测定方法
(1)早年的科学家主要靠对物质的 性质进行系统总结得出规律后推测分子的结构。
(2)如今科学家应用 、晶体X射线衍射等现代仪器和方法测定分子的结构。
化学
红外光谱
2.红外光谱的工作原理
(1)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 相同的红外线,再记录到图谱上呈现 。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,可分析出分子中含有何种 或 的信息。
振动频率
吸收峰
化学键
官能团
(2)示意图。
[示例] 通过此红外光谱图发现某未知物有 、 和 化学键的振动吸收,初步推测该未知物中含有的官能团为 。
O—H
C—H
C—O
羟基
3.质谱法
(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。分子离子和碎片离子各自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)应用:测定 。
(3)读谱:相对分子质量=最大质荷比。
分子的相对分子质量
[示例] 以甲苯为例:
92
由图可得,甲苯的相对分子质量为 。
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。
探究 有机化合物组成、结构的测定方法
分离提纯某有机化合物A并用化学方法测定其元素组成,确定其最简式(有机化合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:用质谱仪测定有机化合物A的质谱图如图所示,据此分析A的相对分子质量,并结合其最简式确定该有机化合物的分子式。
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化合物A,得到如图所示信息。推测该有机化合物A含有的化学键或官能团。通过该红外光谱图能否确认化学键或官能团的个数
提示:该物质中含有C—H、O—H、C—O,可以推测该有机化合物含有羟基官能团;不能确认化学键或官能团的个数。
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:核磁共振氢谱图中有三个峰,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,写出该有机化合物A的结构简式。
提示:CH3CH2OH。
分子结构的测定的常用方法比较
归纳拓展
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.如图是有机化合物X的质谱图,则X的相对分子质量是( )
[A] 29
[B] 43
[C] 57
[D] 72
D
【解析】 由有机化合物X的质谱图可以看出,最大质荷比为72,故X的相对分子质量为72。
2.如图是一种分子式为C4H8O2的有机化合物的红外光谱图,则该有机化合物可能为( )
[A] CH3COOCH2CH3
[B] CH3CH2CH2COOH
[C] HCOOCH2CH2CH3
[D] (CH3)2CHCH2COOH
A
认识多样的分子空间结构
学习任务2
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。
180°
直线形
V形
四原子分子 CH2O
NH3 107°
五原子分子 CH4
120°
平面三角形
三角锥形
109°28′
正四面体形
观察下列几种简单分子的空间结构模型。
探究 分子的空间结构及相关因素
提示:H2S的空间结构是V形,CO2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的键长与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:空间结构相同的分子,其键角完全相同吗
提示:不一定,如P4和CH4均为正四面体形,但P4的键角是60°,CH4的键角为109°28′。
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,试写出这两种分子的电子式,并结合以上分析总结分子的空间结构与哪些因素有关。
分子的空间结构与键角的关系
归纳拓展
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.下列分子的球棍模型正确的是( )
D
【解析】 CO2是直线形分子,A错误;PH3是三角锥形分子,B错误;H2S是V形分子,C错误。
2.下列有关键角与分子空间结构的说法不正确的是( )
[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
B
【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。
探究价层电子对互斥模型
学习任务3
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 的结果。
(2)价层电子对:VSEPR的“价层电子对”是指分子中的中心原子与结合原子间的 和中心原子上的 。
排斥
σ键电子对
孤电子对
(3)价层电子对的空间结构(即VSEPR模型)。
直线形
平面三角形
正四面体形
2.价层电子对数的确定方法
(1)方法图示。
①a表示中心原子的价电子数。
对主族元素的原子:a=最外层电子数,如氧原子的 a= 。
6
5-1=4
4+|-2|=6
3
4
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(如下表)。
元素 H、卤族元素
(F、Cl、Br、I) 氧族元素
(O、S等) 氮族元素
(N、P等)
b
1
2
3
3.应用VSEPR模型对分子或离子的空间结构的推测
(2)示例。
0
2
直线形
直线形
1
3
平面三角形
V形
0
3
平面三角形
平面三角形
H2O
NH3
CH4
2
4
四面体形
V形
1
4
四面体形
三角锥形
0
4
正四面体形
正四面体形
1940年,希吉维克和坡维尔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分子中碳原子的4个价电子全部参与成键,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。
提示:①为四面体形,②为平面三角形,③为V形。
1.价层电子对数的计算方法
(1)结构分析法。
归纳拓展
(2)公式计算法。
归纳拓展
2.VSEPR模型与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个电子对看待。
(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。
归纳拓展
3.确定分子的空间结构
(1)若中心原子没有孤电子对,则VSEPR模型与分子空间结构一致。
(2)若中心原子有孤电子对,根据孤电子对与成键电子对相互排斥规律: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。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键角减小。如CH4、NH3和H2O的键角依次减小。
归纳拓展
题点一 VSEPR模型的理解辨析
1.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述不正确的是( )
[A] VSEPR模型可用来预测分子的立体结构
[B] 分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构
[C] 分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定
[D] 中心原子上的孤电子对不参与互相排斥
D
【解析】 价层电子对互斥模型可用来预测分子的立体结构,故A正确;空间结构与价层电子对相互排斥有关,因此分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构,故B正确;分子中键角越大,价层电子对相互排斥力越小,分子越稳定,故C正确;中心原子上的孤电子对参与相互排斥,故D错误。
2.计算下列中心原子的价层电子对数。
(1)SCl2中的中心原子的价层电子对数是 。
4
3
(3)PCl5中的中心原子的价层电子对数是 。
5
题点二 利用VSEPR模型预测分子的空间结构
3.(2025·江苏南通海安实验中学期中)用价层电子对互斥模型(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间结构,有时也能用来推测键角大小。下列判断正确的是( )
[A] SO2、CO2都是直线形的分子
[B] H2O的键角为120°,O3的键角为180°
[C] BF3和PCl3都是三角锥形的分子
D
4.下列分子或离子中,键角由大到小的排列顺序正确的是( )
[A] ⑤④①②③ [B] ⑤①④②③
[C] ④①②⑤③ [D] ③②④①⑤
A
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
思维建模
知识整合
短周期元素D、E、X、Y、Z的原子序数逐渐增大,它们的最简单氢化物分子的空间结构依次是正四面体形、三角锥形、正四面体形、V形、直线形。回答下列问题。
(1)Z的氢化物的结构式为 ,HZO的中心原子的价层电子对数的计算
式为 ,该分子的空间结构为 。
H—Cl
V形
【解析】 由题意可推出,D、E、X、Y、Z分别为C、N、Si、S、Cl。
(2)Y的价层电子排布式为 ,Y的最高价氧化物的VSEPR模型为
。
3s23p4
平面三角形
【解析】 (2)SO3中硫原子的价层电子对数为3,VSEPR模型为平面三角形。
(3)X与Z形成的最简单化合物的化学式是 ,该分子中的键角是
。
SiCl4
【解析】 (3)SiCl4是正四面体形结构,键角为109°28′。
109°28′
(4)D、E的最简单氢化物的分子空间结构分别是正四面体形与三角锥形,这是因为 (填字母)。
a.两种分子的中心原子的价层电子对数不同
b.D、E的非金属性不同
c.E的最简单氢化物分子中有一个孤电子对,而D的最简单氢化物分子中没有
c
【解析】 (4)CH4、NH3的中心原子的价层电子对数均为4,分子空间结构不同的根本原因是NH3中有孤电子对而CH4中没有,分子空间结构与元素的非金属性强弱无关。故选c。
命题解密与解题指导
情境解读:以物质推断为载体考查分子(离子)组成特点、VSEPR模型及其与空间结构的关系。
素养立意:通过对分子组成的分析,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,培养证据推理与模型认知素养。
思考点拨:首先,推出元素,再根据题目信息确定具体的粒子组成;然后,以熟悉的粒子的空间结构为依据或直接应用VSEPR模型,判断粒子的空间结构,同时要注意键角的影响。
(时间:30分钟 满分:83分)
(选择题1~18题,每小题3分,共54分)
(一)分子结构的测定
1.TBC的一种标准谱图如图所示,它是( )
[A] 核磁共振氢谱
[B] 质谱
[C] 红外光谱
[D] 紫外光谱
C
【解析】 核磁共振氢谱用于测定氢原子的种类和数目;质谱用于测定有机物的相对分子质量;红外光谱横坐标为波数,紫外光谱横坐标为波长。故选C。
2.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,该有机化合物的相对分子质量是60,则该有机化合物的结构简式是( )
[A] CH3CH2OCH3 [B] CH3CH(OH)CH3
[C] CH3CH2OH [D] CH3COOH
B
3.某有机化合物M的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示。则M的结构简式为( )
[A] CH3CH2OCH2CH3
[B] CH3OCH2CH2CH3
[C] CH3CH2CH2OCH3
[D] (CH3)2CHOCH3
A
【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。
(二)分子空间结构
4.下列分子的空间结构模型或键角正确的是( )
A
【解析】 甲烷是正四面体形结构,碳原子在正四面体的中心,键角为109°28′,故A正确;H2S是V形结构,不是直线形结构,故B错误;NH3是三角锥形结构,键角大约为107°,故C错误;CO2是直线形结构,故D错误。
5.在白磷(P4)分子中,4个磷原子分别处在正四面体的四个顶点,结合有关磷原子的成键特点,下列有关白磷的说法正确的是( )
[A] 白磷分子的键角为109°28′
[B] 分子中共有4个共用电子对
[C] 白磷分子的键角为60°
[D] 分子中有6个孤电子对
C
【解析】 根据共价键的方向性和饱和性,每个磷原子都以3个共价键分别与其他3个磷原子结合,从而形成正四面体形结构,所以键角为60°。分子中有6个共价单键,4个孤电子对。故选C。
6.下列分子的空间结构为正四面体形的是( )
①P4 ②NH3 ③CCl4 ④CH4 ⑤H2S ⑥CO2
[A] ①③④⑤ [B] ①③⑤⑥
[C] ①③④ [D] ④⑤
C
【解析】 NH3的空间结构是三角锥形,H2S的空间结构是V形,CO2的空间结构是直线形,P4、CCl4、CH4的空间结构均为正四面体形,故选C。
(三)价层电子对互斥模型
7.下列关于价层电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述不正确的是( )
[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
D
【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。
8.下列分子或离子中,中心原子含有孤电子对的是( )
D
B
10.(2024·山西怀仁期中)下列粒子的VSEPR模型为四面体形,空间结构为V形的是( )
D
11.(2024·江苏南通海安实验中学期中)下列分子或离子的VSEPR模型与其空间结构不一致的是( )
C
12.(2024·江苏扬州大学附属中学月考)根据价层电子对互斥模型,判断下列分子或离子的空间结构正确的是( )
[A] ①② [B] ①④ [C] ②④ [D] ②③
B
综合应用
13.下列各组粒子的空间结构相同的是( )
[A] 全部 [B] ①②③
[C] ③④⑤ [D] ②⑤
C
C
[A] SO2 [B] O3 [C] OF2 [D] NH3
C
B
17.(2024·山西长治期末)短周期元素W、X、Y和Z的原子序数依次增大,Z位于第三周期,W是宇宙中最多的元素,W2X是维持生命过程的必需物质,
WY可用于玻璃的刻蚀,ZX2是酸雨的主要形成原因之一。下列说法错误的是( )
[A] 在这四种元素中,Y的第一电离能最大
[B] W2X分子的键角大于W2Z分子的键角
[C] ZY6的中心原子的价层电子对数是6
[D] WY可用于玻璃的刻蚀,是利用了其强氧化性
D
【解析】 W是宇宙中最多的元素,则W是H;W2X是维持生命过程的必需物质,则X为O;WY可用于玻璃的刻蚀,则WY为HF,Y为F;ZX2是酸雨的主要形成原因之一,且Z的原子序数比Y的大,则Z为S;综上所述,W、X、Y、Z分别为H、O、F、S。O、F同周期,同一周期主族元素,从左到右第一电离能呈增大的趋势,O、F中F的第一电离能更大,O、S同主族,同一主族元素,从上到下第一电离能逐渐减小,第一电离能:O>S,F的第一电离能大于H的,因此F的第一电离能在这四种元素中最大,A正确;
18.已知某有机化合物X的红外光谱图和质谱图如图所示。下列说法正确的是( )
[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X的核磁共振氢谱就可以得知其分子中的氢原子总数
[D] 若X的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3
A
【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比表示氢原子的数目比,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X为CH3—O—CH3,则无O—H,与所给红外光谱图不符,D错误。
19.(16分)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′
4
直线形
180°
【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)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因:
。
CO2分子中n+m=2,故CO2为直线形
【解析】 (2)CO2分子中,n+m=2,故CO2为直线形。
(3)H2O分子的空间结构为 。
V形
【解析】 (3)H2O分子中,n+m=4,VSEPR模型为四面体形,但氧原子有2个孤电子对,所以H2O分子的空间结构为V形。
(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:
V形
三角双锥形
正四面体形
20.(13分,除标注外,每空3分)请回答下列问题。
。
(2)两种三角锥形气态氢化物PH3和NH3的键角分别为93.6°和107°,试分析PH3的键角小于NH3的原因:
。
N的电负性强于P的,且原子半径N小于P,NH3中成键电子对离中心原子更近,成键电子对间距离更小,致使NH3中成键电子对间斥力更大,键角更大
【解析】 (2)N的电负性强于P的,且原子半径N小于P,NH3中成键电子对离中心原子更近,成键电子对间距离更小,致使NH3中成键电子对间斥力更大,键角更大。
(3)H+可与H2O形成H3O+,H3O+中H—O—H的键角比H2O中H—O—H的键角大,原因为
。
H2O中氧原子有两个孤电子对,H3O+中氧原子有一个孤电子对,孤电子对数越多,排斥力越大,键角越小
【解析】 (3)H3O+、H2O的中心原子的价层电子对数均为4,H2O中氧原子有两个孤电子对,H3O+中氧原子有一个孤电子对,因为孤电子对间的排斥力>孤电子对与成键电子对间的排斥力>成键电子对间的排斥力,所以H3O+中H—O—H的键角比H2O中H—O—H的键角大。
大于
【解析】 (4)由于双键对单键的斥力大于单键对单键的斥力,故乙酸分子结构中键角1大于键角2。
