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,了解共价分子结构的多样性和复杂性。2.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。3.知道分子的结构可以通过红外光谱、晶体X射线衍射等技术进行测定。
知识点1 分子结构的测定与多样的分子空间结构
1.分子结构的测定
(1)红外光谱法。
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。
例如:某未知物的红外光谱图如图所示。
通过红外光谱图可知,该物质中所含化学键有C—H、O—H、C—O,并推测可能含有的官能团是羟基。
(2)质谱法。
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。
例如:甲苯分子的质谱图如图所示。
读谱可知,甲苯的相对分子质量为 92。
2.多样的分子空间结构
(1)三原子分子。
项目 CO2 H2O
电子式
结构式 OCO
键角 180° 105°
空间结构 及名称 直线形 V形
(2)四原子分子。
项目 CH2O NH3
电子式
结构式
键角 约120° 107°
空间结构 及名称 平面三角形 三角锥形
(3)五原子分子。
项目 CH4 CCl4
电子式
结构式
键角 109°28' 109°28'
空间结构 及名称 正四面体形 正四面体形
[深度思考]
(1)组成相似的分子,空间结构一定相似吗
(2)四原子分子的空间结构都是三角锥形吗
【答案】 (1)不一定。如NH3是三角锥形,而BCl3是平面三角形。
(2)不都是。H2O2分子的结构类似于一本打开的书,两个氧原子在半展开的书的两面的交接处,两个氢原子分别在半展开的书的两面上,而白磷(P4)分子的空间结构为正四面体形,如图所示。
1.判断正误。
(1)可用质谱法鉴别乙醇和二甲醚(CH3OCH3)。( × )
(2)NH3的空间结构模型为。( × )
(3)CH3Cl的空间结构为正四面体形。( × )
(4)H2O的空间填充模型为,键角为105°。( √ )
2.下列说法错误的是( )
[A]核磁共振氢谱图可用来推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目
[B]红外光谱法是用高能电子流等轰击样品分子,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
[C]质谱法具有快速、微量、精确的特点
[D]通过红外光谱法可以测知有机物所含的官能团
【答案】 B
【解析】 质谱法是用高能电子流等轰击样品分子,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,故B错误。
3.(2024·浙江丽水、湖州、衢州三地市联考)下列有关分子空间结构的说法正确的是( )
[A]HClO、BF3、NCl3中所有原子的最外层都满足8电子稳定结构
[B]P4和CH4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:SnCl2>SO3>NH3>CCl4
[D]BeF2的中心原子Be的共用电子对数为2,其空间结构为直线形
【答案】 D
【解析】 HClO中的H和BF3中的B最外层都未达到8电子稳定结构,A错误;P4和CH4都是正四面体形结构,但是P4的键角为60°,CH4的键角为 109°28',B错误;SnCl2中存在1个孤电子对,键角小于120°,SO3的空间结构为平面正三角形,键角为120°,NH3的空间结构为三角锥形,键角为107°,CCl4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SO3>SnCl2>CCl4>NH3,C错误;BeF2的中心原子Be的价层电子对数为2,无孤电子对,共用电子对数为2,其空间结构为直线形,D正确。
4.(1)硫化氢(H2S)分子中,两个H—S的夹角接近90°,说明H2S分子的空间结构为 。
(2)能说明CH4不是平面四边形,而是正四面体形结构的是 (填字母)。
a.两个键之间的夹角为109°28'
b.C—H为极性共价键
c.4个C—H的键能、键长都相等
d.二氯甲烷(CH2Cl2)只有一种(不存在同分异构体)
【答案】 (1)V形 (2)ad
【解析】 (1)可由键角直接判断分子的空间结构。
(2)五原子分子CH4可能有平面四边形和正四面体形两种空间结构,不管为哪种,b、c两项都成立;若为前者,则键角为90°,CH2Cl2有两种,分别为和,若为后者,则键角为109°28',CH2Cl2只有一种。
1.测定分子结构的方法
质谱法:确定相对分子质量、局部分子结构的质量。
红外光谱法:确定化学键的类型,识别特定基团。
X射线衍射法:测定晶体的结构。
2.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 SO2、SnCl2
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
知识点2 价层电子对互斥模型
1.理论要点
价层电子对互斥模型(VSEPR model)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。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。
2.价层电子对数的计算
(1)σ键电子对数的计算。
σ键电子对数可由化学式确定,中心原子有几个σ键,就有几个σ键电子对。如H2O分子中σ键电子对数为 2,NH3分子中σ键电子对数为 3。
(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)
a为中心原子的价电子数(对于主族元素等于原子的最外层电子数);
x为与中心原子结合的原子数;
b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数(氢为1;其他原子为“8减去该原子的价电子数”)。
如SO2的中心原子硫原子上的孤电子对数为×(6-2×2)=1。
[深度思考1]
以N和C为例确定简单离子中心原子上的孤电子对数:
。
【答案】 阳离子,a为中心原子的价电子数减去离子所带电荷数,N的中心原子为N,a=5-1=4,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所带电荷数(绝对值),C的中心原子为C,a=4+2=6,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.VSEPR模型和分子的空间结构
H2O的中心原子上有 2个孤电子对,加上中心原子上的 σ键电子对,它的中心原子上的价层电子对数是 4,它们相互排斥形成四面体形的VSEPR模型。略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对,可得H2O分子呈 V形。
4.利用VSEPR模型对分子或离子的空间结构进行推测
由价层电子对的相互排斥,得到含有孤电子对的VSEPR模型,然后略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对,便可得到分子的空间结构。
(1)中心原子不含孤电子对。
分子 或 离子 σ键电 子对数 中心原 子上的 孤电子 对数 VSEPR 模型及 名称 分子或离子 的空间结构 及名称
CO2 2 0 直线形 直线形
续 表
分子 或 离子 σ键电 子对数 中心原 子上的 孤电子 对数 VSEPR 模型及 名称 分子或离子 的空间结构 及名称
C 3 0 平面三角形 平面三角形
CH4 4 0 正四面体形 正四面体形
(2)中心原子含孤电子对。
分子 中心原 子上的 价层电 子对数 中心原 子上的 孤电子 对数 VSEPR模 型及名称 分子的 空间结 构及 名称
NH3 4 1 四面体形 三角锥形
H2O 4 2 四面体形 V形
SO2 3 1 平面三角形 V形
5.常见分子或离子的空间结构
中心原 子上的 价层电 子对数 中心原 子上的 成键电 子对数 中心原 子上的 孤电子 对数 VSEPR 模型及 名称 分子或 离子的 空间 结构 名称 实例
2 2 0 直线形 直线 形 CO2
续 表
中心原 子上的 价层电 子对数 中心原 子上的 成键电 子对数 中心原 子上的 孤电子 对数 VSEPR 模型及 名称 分子或 离子的 空间 结构 名称 实例
3 2 1 平面三 角形 V形 SO2
3 3 0 平面三 角形 平面 三角 形 BF3、 SO3、 N
4 4 0 正四面 体形 正四 面体 形 CH4、 S、 N
4 3 1 四面 体形 三角 锥形 NH3、 PCl3
4 2 2 四面 体形 V形 H2O、 SCl2
[深度思考2]
有两种活性反应中间体粒子,它们中均含有1个碳原子和3个氢原子。请依据图示的这两种粒子的球棍模型,判断A、B的化学式。
A B
【答案】 C C
1.判断正误。
(1)S的空间结构是正四边形。( × )
(2)C的空间结构是三角锥形。( × )
(3)AB3型的分子空间结构必为平面三角形。( × )
(4)BeCl2的VSEPR模型与分子的空间结构一致。( √ )
(5)Cl的中心原子的价层电子对数为4,空间结构为三角锥形。( √ )
(6)VSEPR 模型不能用于预测以过渡金属为中心原子的复杂分子的空间结构。( √ )
2.(2025·广东珠海月考)SiHCl3分子的空间结构为( )
[A]三角锥形 [B]四面体形
[C]平面三角形 [D]V形
【答案】 B
【解析】 SiHCl3中心原子Si的价层电子对数为4+=4,无孤电子对,分子的空间结构为四面体形,故B正确。
3.(2025·江苏扬州月考)下列离子的VSEPR模型与其空间结构一致的是( )
[A]Cl [B]S
[C]N [D]Cl
【答案】 A
【解析】 Cl中心原子Cl的孤电子对数为=0、价层电子对数为4+0=4,VSEPR模型和空间结构均为正四面体形,A符合题意;S中心原子S的孤电子对数为=1、价层电子对数为3+1=4,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,B不符合题意;N中心原子N的价层电子对数为2+=3,有1个孤电子对,VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形,C不符合题意;Cl中心原子Cl的价层电子对数为3+=4,有1个孤电子对,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,D不符合题意。
4.根据价层电子对互斥模型回答下列问题。
(1)OF2分子中,中心原子上的σ键电子对数为 ,孤电子对数为 ,价层电子对数为 ,VSEPR模型为 ,分子的空间结构为 。
(2)Cl中,中心原子上的σ键电子对数为 ,孤电子对数为 ,价层电子对数为 ,VSEPR模型为 ,离子的空间结构为 。
【答案】 (1)2 2 4 四面体形 V形
(2)2 2 4 四面体形 V形
5.试解释CH4键角(109°28')、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的原因:
。
【答案】 CH4分子的中心原子C没有孤电子对,NH3分子的中心原子N有1个孤电子对,H2O分子的中心原子O有2个孤电子对,对成键电子对的排斥作用依次增大,故键角依次减小
1.用价层电子对互斥模型推测分子或离子空间结构的思维模型
2.预测分子或离子空间结构的步骤
第一步:确定中心原子上的价层电子对数。
a为中心原子的价电子数[若为离子则应加上或减去相应的电荷数(绝对值)],x为与中心原子结合的原子数,b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。如N的中心原子为N,a=5-1=4,b=1,x=4,所以中心原子上的孤电子对数为 (a-xb)=×(4-4×1)=0。
第二步:确定价层电子对的VSEPR模型。
由于价层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,这样已知价层电子对数,就可以确定价层电子对的VSEPR模型。
第三步:分子空间结构的确定。
价层电子对有成键电子对和孤电子对之分,价层电子对的总数减去成键电子对数得孤电子对数。根据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。
注意:(1)若ABn型分子中,A与B之间通过多重键结合而成,则价层电子对互斥模型只计其中的σ键电子对,不计π键电子对。
(2)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。随着孤电子对数的增多,斥力增大,键角减小。
课时作业
(分值:53分)
(选择题,每小题3分)
对点训练
知识点1 分子结构的测定与多样的分子空间结构
1.已知某分子的质谱图如图所示,且分子的红外光谱中含有C—O、C—H、O—H的吸收峰。下列关于该分子结构的叙述正确的是( )
[A]该分子的结构简式为CH3CH2OH
[B]该分子的相对分子质量可能为27、31、45或46
[C]该分子的结构简式为CH3—O—CH3
[D]该分子的红外光谱和质谱都可以全面反映分子结构的信息
【答案】 A
【解析】 从该分子的红外光谱信息可知,该分子中有羟基,A正确,C错误;该分子的相对分子质量为46,B错误;二者都不能全面反映分子结构的信息,D错误。
2.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】 甲烷是正四面体结构,碳原子在正四面体中心,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。
知识点2 价层电子对互斥模型
3.下列关于价层电子对互斥模型的说法错误的是( )
[A]分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构
[B]多重键只计其中的σ键电子对,不计π键电子对
[C]用该理论预测H2S和BF3的空间结构分别为V形和平面三角形
[D]该理论一定能预测出含中心原子的分子、离子或原子团的空间结构
【答案】 D
【解析】 价层电子对互斥模型认为分子中的中心原子周围的价层电子对相互排斥使得价层电子对朝空间不同方向伸展,从而决定了分子的空间结构,故A正确;多重键如双键、三键等只计为1个电子对,故B正确;H2S的中心原子S的价层电子对数为2+=4,有2个孤电子对,分子呈V形,BF3的中心原子B的价层电子对数为3+=3,无孤电子对,分子呈平面三角形,故C正确;该理论并不能预测出所有含中心原子的分子、离子或原子团的空间结构,比如VSEPR模型不能预测许多以过渡金属原子为中心原子的分子的空间结构,故D错误。
4.(2025·湖北武汉月考)下列粒子的空间结构与其VSEPR模型一致的是( )
[A]C [B]NH3 [C]SO2 [D]H3O+
【答案】 A
【解析】 C中心原子C的价层电子对数为3+=3,无孤电子对,VSEPR模型和空间结构均为平面三角形,故A符合题意;NH3中心原子N的价层电子对数为3+=4,有1个孤电子对,故VSEPR模型是四面体形,空间结构为三角锥形,故B不符合题意;SO2中心原子S的价层电子对数为2+=3,有1个孤电子对,故VSEPR模型是平面三角形,空间结构为V形,故C不符合题意;H3O+中心原子O的价层电子对数为3+=4,有1个孤电子对,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,故D不符合题意。
5.下列分子或离子的空间结构相同的是( )
[A]BeCl2和SO2 [B]BF3和PCl3
[C]S和N [D]SO3和Cl
【答案】 C
【解析】 BeCl2分子中的中心原子上的σ键电子对数为2,孤电子对数为=0,空间结构为直线形,SO2分子中的中心原子上的σ键电子对数为2,孤电子对数为=1,空间结构为V形,故A不符合题意;BF3分子中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=0,空间结构为平面三角形,PCl3分子中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=1,空间结构为三角锥形,故B不符合题意;S中的中心原子上的σ键电子对数为4,孤电子对数为=0,空间结构为正四面体形,N中的中心原子上的σ键电子对数为4,孤电子对数为=0,空间结构为正四面体形,故C符合题意;SO3分子中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=0,空间结构为平面三角形,Cl中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=1,空间结构为三角锥形,故D不符合题意。
6.用价层电子对互斥模型可以预测许多分子或离子的空间结构。下列判断正确的是( )
[A]SO2、CS2、HI都是直线形分子
[B]BF3键角为120°,SnBr2键角大于120°
[C]COCl2、BF3、SO3都是平面三角形分子
[D]PCl3、NH3、PF5都是三角锥形分子
【答案】 C
【解析】 SO2是V形分子,CS2、HI是直线形分子,A错误;BF3键角为120°,是平面三角形结构,在SnBr2中Sn有1个孤电子对,对成键电子对排斥作用较大,使键角小于120°,B错误;COCl2、BF3、SO3都是平面三角形分子,C正确;PCl3、NH3都是三角锥形分子,而PF5中P的价层电子对数为5,无孤电子对,空间结构不为三角锥形(应为三角双锥形),D错误。
能力提升
7.我国科学家发现了一类由Fe、Se、As、F、O组成的磁性超导材料。下列说法正确的是( )
[A]Se的空间结构为平面三角形
[B]上述5种元素中,Fe、Se为d区元素
[C]AsH3和H2O分子的中心原子的价层电子对数均为4
[D]基态Fe2+中,两种自旋状态的电子的数目之比为5∶6
【答案】 C
【解析】 Se的中心原子的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,空间结构为三角锥形,A错误;题述5种元素中,只有Fe为d区元素,其他元素位于p区,B错误;AsH3的中心原子的价层电子对数为3+=4,H2O的中心原子的价层电子对数为2+=4,C正确;基态Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6,两种自旋状态的电子的数目之比为14∶10=7∶5或10∶14=5∶7,D错误。
8.下列对应关系不正确的是( )
选项 [A] [B] [C] [D]
中心原子 所在族 ⅣA ⅤA ⅣA ⅥA
分子通式 XY4 XY3 XY2 XY2
空间结构 正四面 体形 三角 锥形 V形 V形
【答案】 C
【解析】 当中心原子在第ⅣA族时,XY4分子的空间结构是正四面体形,XY2分子的空间结构是直线形;当中心原子在第ⅤA族时,XY3分子的空间结构是三角锥形;当中心原子在第ⅥA族时,XY2分子的空间结构是V形。
9.多核离子所带电荷可以认为是中心原子得失电子所致,根据VSEPR模型,下列离子中所有原子都在同一平面上的一组是( )
[A]N和N [B]H3O+和Cl
[C]N和C [D]P和S
【答案】 C
【解析】 N中心原子的价层电子对数为2+=3,含有1个孤电子对,空间结构为V形,N中心原子的价层电子对数为4+=4,没有孤电子对,空间结构为正四面体形,故A不符合题意;H3O+中心原子的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,空间结构为三角锥形,Cl中心原子的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,空间结构为三角锥形,故B不符合题意;N中心原子的价层电子对数为3+=3,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,C中心原子的价层电子对数为3+=3,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,故C符合题意;P中心原子的价层电子对数为4+=4,没有孤电子对,空间结构为正四面体形,S中心原子的价层电子对数为4+=4,没有孤电子对,空间结构为正四面体形,故D不符合题意。
10.元素周期表是学习物质结构与性质的重要工具,右图是元素周期表前三周期的一部分。下列关于五种元素的叙述正确的是( )
[A]Z的基态原子最外层p轨道上有2个未成对电子
[B]WZ3分子的VSEPR模型为三角锥形
[C]H2Y的键角小于H2X的键角
[D]第一电离能:R>Y>W
【答案】 C
【解析】 由题图可推知,X为O,W为P,Y为S,Z为Cl,R为Ar。Z为Cl,其基态原子价层电子排布式为3s23p5,则其基态原子最外层p轨道上有1个未成对电子,A错误;W为P,Z为Cl,PCl3的中心原子P的价层电子对数为3+=3+1=4,则PCl3的VSEPR模型为四面体形,B错误;X为O,Y为S,H2O和H2S的中心原子均含2个孤电子对,空间结构都是V形,但O的电负性大于S的电负性,成键电子对更靠近氧原子,排斥作用更大,键角更大,即H2S的键角小于H2O的键角,C正确;W为P,Y为S,R为Ar,同一周期从左到右,元素第一电离能呈增大趋势,其中Ar的核外电子排布为全充满稳定状态,P的3p轨道为半充满稳定状态,故P的第一电离能高于同周期相邻的Si和S,则第一电离能Ar>P>S,D错误。
11.(2025·浙江杭州月考)ClF3是极强的氧化剂,能与NH3反应生成N2和Cl2。ClF3也能发生自偶电离:2ClF3Cl+Cl,其分子结构如图。下列说法正确的是( )
[A]BrF3比ClF3更易发生自偶电离
[B]Cl的空间结构为正四面体形
[C]ClF3与过量NH3反应的产物还包括HCl
[D]ClF3与Fe反应生成FeCl2和FeF2
【答案】 A
【解析】 根据题干信息可知,ClF3发生自偶电离时,Cl—F断裂,r(Cl)12.在VSEPR中,电子对斥力大小顺序可认为孤电子对—孤电子对>孤电子对—成键电子对>成键电子对—成键电子对,当电子对之间的夹角大于90°时,斥力可忽略。当中心原子价层电子对数为5时,分子的空间结构为三角双锥形。PCl5是典型的三角双锥形分子(如图),两个编号为①的Cl和P在一条直线上,三个编号为②的Cl构成平面三角形。SF4和BrF3的中心原子价层电子对数也都是5,但它们分别有1个和2个孤电子对,以上图为参照,当中心原子价层电子对间的斥力最小时,它们的孤电子对占据的位置分别是( )
选项 [A] [B] [C] [D]
SF4 ① ① ② ②
BrF3 ①① ①② ①① ②②
【答案】 D
【解析】 SF4中心原子的孤电子对若在①时,孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有三组,SF4中心原子的孤电子对在②时,孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有两组,孤电子对在②时价层电子对间斥力最小;BrF3中心原子有2个孤电子对,若均在①上,则孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有六组,斥力太大,若1个在①上,1个在②上,则孤电子对与孤电子对之间的夹角为90°的有一组,孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有三组,斥力较大,若2个孤电子对均在②上,则孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有四组,此时价层电子对之间斥力最小。由上述分析可知,D符合题意。
13.(6分)乙醇和乙酸同样可以用“价层电子对相互排斥而尽量远离”的原则快捷地判断它们的分子结构。
(1)(2分)根据上述图示,结合价层电子对互斥模型分析判断乙醇分子中C—O—H的空间结构是 。
(2)(2分)根据上述图示,结合价层电子对互斥模型分析判断乙酸分子中的空间结构是 。
(3)(2分)根据上述图示,结合价层电子对互斥模型分析判断乙醇、乙酸分子中的空间结构是 。
【答案】 (1)V形
(2)平面三角形
(3)四面体形
【解析】 (1)乙醇分子结构中,羟基上的氧原子有2个成键电子对和2个孤电子对(见题图中乙醇结构的①②③④),价层电子对数是4,共有4个空间取向,中心原子O的价层电子对相互排斥而远离,呈四面体形,略去中心原子上的孤电子对可得C—O—H呈V形。(2)在中,中心原子是上的碳原子,中心原子C上有3个成键电子对(见题图中乙酸结构中的①②③),孤电子对数为0,中心原子C的价层电子对共有3个空间取向,相互排斥而远离,因此,呈平面三角形。(3)在结构中,甲基碳原子(上的碳原子)是中心原子,中心原子C上的价层电子对数是4,全部是成键电子对,孤电子对数是0,中心原子C的4个成键电子对共有4个空间取向,相互排斥而远离,故呈四面体形。
14.(11分)科学家提出价层电子对互斥模型(简称VSEPR模型),用于预测简单分子的空间结构。其要点可以概括为
Ⅰ.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称为价层电子对数。分子中的价层电子对总是互相排斥,均匀地分布在中心原子周围的空间;
Ⅱ.分子的空间结构是指分子中的原子在空间的排布,不包括中心原子未成键的孤电子对;
Ⅲ.分子中价层电子对之间的斥力主要顺序为
ⅰ.孤电子对之间的斥力>孤电子对与共用电子对之间的斥力>共用电子对之间的斥力;
ⅱ.双键与双键之间的斥力>双键与单键之间的斥力>单键与单键之间的斥力;
ⅲ.X原子得电子能力越弱,A—X形成的共用电子对之间的斥力越强;
ⅳ.其他。
请仔细阅读上述材料,回答下列问题。
(1)(3分)根据要点Ⅰ可以画出AXnEm的VSEPR理想模型,请填写下表。
n+m 2
VSEPR模型 正四面体形
价层电子对之 间的键角 109°28'
(2)(2分)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因: 。
(3)(2分)请你预测水分子中∠H—O—H的大小范围并解释原因: 。
(4)(4分)SO2Cl2和SO2F2都属于AX4E0型分子,S与O之间以双键结合,S与Cl、S与F之间以单键结合。请你预测SO2Cl2和SO2F2的空间结构: ,SO2Cl2中∠Cl—S—Cl (填“>”“<”或“=”)SO2F2中∠F—S—F。
【答案】 (1)4 直线形 180°
(2)CO2属于AX2E0型分子,n+m=2,故为直线形分子
(3)水分子属于AX2E2型分子,n+m=4,VSEPR模型为四面体形,价层电子对之间的夹角均为109°28',根据Ⅲ中的ⅰ,应有∠H—O—H<109°28'
(4)四面体形 >
【解析】 用VSEPR模型判断分子的空间结构方法为在分子中当n+m=2时为直线形;当n+m=3时,如果没有孤电子对则为平面三角形,如果有孤电子对则为V形;当n+m=4时,如果没有孤电子对则为正四面体形,如果有一个孤电子对则为三角锥形,如果有两个孤电子对则为V形。水分子中n+m=4,且有两个孤电子对,所以是V形结构,又由于孤电子对的作用力强于成键的共用电子对,使其键角小于109°28'。SO2Cl2和SO2F2中的硫原子是中心原子,此时n+m=4且没有孤电子对,所以其空间结构应为正四面体形,但由于原子种类不同,所以为四面体形。
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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,了解共价分子结构的多样性和复杂性。2.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。3.知道分子的结构可以通过红外光谱、晶体X射线衍射等技术进行测定。
分子结构的测定与多样的分子
空间结构
知识点1
1.分子结构的测定
(1)红外光谱法。
当一束红外线透过分子时,分子会吸收跟它的某些 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。
化学键
振动频率
吸收峰
化学键
官能团
通过红外光谱图可知,该物质中所含化学键有 ,并推测可能含有的官能团是 。
例如:某未知物的红外光谱图如图所示。
C—H、O—H、C—O
羟基
(2)质谱法。
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
例如:甲苯分子的质谱图如图所示。
读谱可知,甲苯的相对分子质量为 。
92
2.多样的分子空间结构
(1)三原子分子。
项目 CO2 H2O
电子式
结构式
键角
空间结构
及名称
180°
105°
直线形
V形
(2)四原子分子。
项目 CH2O NH3
电子式
结构式
键角
空间结构
及名称
约120°
107°
平面三角形
三角锥形
(3)五原子分子。
项目 CH4 CCl4
电子式
结构式
键角
空间结构
及名称
109°28'
109°28'
正四面体形
正四面体形
[深度思考]
(1)组成相似的分子,空间结构一定相似吗
【答案】 (1)不一定。如NH3是三角锥形,而BCl3是平面三角形。
(2)四原子分子的空间结构都是三角锥形吗
【答案】 (2)不都是。H2O2分子的结构类似于一本打开的书,两个氧原子在半展开的书的两面的交接处,两个氢原子分别在半展开的书的两面上,而白磷(P4)分子的空间结构为正四面体形,如图所示。
1.判断正误。
(1)可用质谱法鉴别乙醇和二甲醚(CH3OCH3)。( )
(2)NH3的空间结构模型为 。( )
(3)CH3Cl的空间结构为正四面体形。( )
(4)H2O的空间填充模型为 ,键角为105°。( )
×
×
×
√
2.下列说法错误的是( )
[A]核磁共振氢谱图可用来推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目
[B]红外光谱法是用高能电子流等轰击样品分子,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
[C]质谱法具有快速、微量、精确的特点
[D]通过红外光谱法可以测知有机物所含的官能团
B
【解析】 质谱法是用高能电子流等轰击样品分子,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,故B错误。
3.(2024·浙江丽水、湖州、衢州三地市联考)下列有关分子空间结构的说法正确的是( )
[A]HClO、BF3、NCl3中所有原子的最外层都满足8电子稳定结构
[B]P4和CH4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:SnCl2>SO3>NH3>CCl4
[D]BeF2的中心原子Be的共用电子对数为2,其空间结构为直线形
D
【解析】 HClO中的H和BF3中的B最外层都未达到8电子稳定结构,A错误;P4和CH4都是正四面体形结构,但是P4的键角为60°,CH4的键角为 109°28',B错误;SnCl2中存在1个孤电子对,键角小于120°,SO3的空间结构为平面正三角形,键角为120°,NH3的空间结构为三角锥形,键角为107°,CCl4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SO3>SnCl2>CCl4>
NH3,C错误;BeF2的中心原子Be的价层电子对数为2,无孤电子对,共用电子对数为2,其空间结构为直线形,D正确。
4.(1)硫化氢(H2S)分子中,两个H—S的夹角接近90°,说明H2S分子的空间结构为 。
【解析】 (1)可由键角直接判断分子的空间结构。
V形
(2)能说明CH4不是平面四边形,而是正四面体形结构的是 (填字母)。
a.两个键之间的夹角为109°28'
b.C—H为极性共价键
c.4个C—H的键能、键长都相等
d.二氯甲烷(CH2Cl2)只有一种(不存在同分异构体)
【解析】 (2)五原子分子CH4可能有平面四边形和正四面体形两种空间结构,不管为哪种,b、c两项都成立;若为前者,则键角为90°,CH2Cl2有两种,分别为 和 ,若为后者,则键角为109°28',CH2Cl2只有一种。
ad
归纳总结
1.测定分子结构的方法
质谱法:确定相对分子质量、局部分子结构的质量。
红外光谱法:确定化学键的类型,识别特定基团。
X射线衍射法:测定晶体的结构。
归纳总结
2.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 SO2、SnCl2
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
价层电子对互斥模型
知识点2
1.理论要点
价层电子对互斥模型(VSEPR model)认为,分子的空间结构是中心原子周围的
“ ”相互排斥的结果。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 。多重键只计其中的 ,不计 。
2.价层电子对数的计算
(1)σ键电子对数的计算。
σ键电子对数可由化学式确定,中心原子有几个σ键,就有几个σ键电子对。如H2O分子中σ键电子对数为 ,NH3分子中σ键电子对数为 。
价层电子对
σ键电子对
孤电子对
σ键电子对
π键电子对
2
3
(2)中心原子上的孤电子对数的计算。
中心原子的价电子数
与中心原子结合的原子数
最多能接受的电子数
[深度思考1]
。
3.VSEPR模型和分子的空间结构
H2O的中心原子上有 个孤电子对,加上中心原子上的 键电子对,它的中心原子上的价层电子对数是 ,它们相互排斥形成 形的VSEPR模型。略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对,可得H2O分子呈 形。
2
σ
4
四面体
V
4.利用VSEPR模型对分子或离子的空间结构进行推测
由价层电子对的相互排斥,得到含有孤电子对的VSEPR模型,然后略去VSEPR模型中的中心原子上的 ,便可得到分子的空间结构。
(1)中心原子不含孤电子对。
孤电子对
分子
或离子 σ键电
子对数 中心原
子上的
孤电子
对数 VSEPR
模型及
名称 分子或离子
的空间结构
及名称
CO2
直线形
直线形
2
0
3
0
4
0
(2)中心原子含孤电子对。
分子 中心原
子上的
价层电
子对数 中心原
子上的
孤电子
对数 VSEPR模
型及名称 分子的
空间结
构及
名称
NH3
四面体形
三角锥形
4
1
H2O
四面体形
V形
SO2
平面三角形
V形
4
2
3
1
5.常见分子或离子的空间结构
中心原
子上的
价层电
子对数 中心原
子上的
成键电
子对数 中心原
子上的
孤电子
对数 VSEPR
模型及
名称 分子或
离子的
空间
结构
名称 实例
2 2 0
直线形 直线形 CO2
[深度思考2]
有两种活性反应中间体粒子,它们中均含有1个碳原子和3个氢原子。请依据图示的这两种粒子的球棍模型,判断A、B的化学式。
A B
1.判断正误。
×
√
×
×
√
√
2.(2025·广东珠海月考)SiHCl3分子的空间结构为( )
[A]三角锥形
[B]四面体形
[C]平面三角形
[D]V形
B
3.(2025·江苏扬州月考)下列离子的VSEPR模型与其空间结构一致的是
( )
A
4.根据价层电子对互斥模型回答下列问题。
(1)OF2分子中,中心原子上的σ键电子对数为 ,孤电子对数为
,价层电子对数为 ,VSEPR模型为 ,分子的空间结构为 。
2
2
4
四面体形
V形
2
2
4
四面体形
V形
5.试解释CH4键角(109°28')、NH3键角(107°)、H2O键角(105°)依次减小的原因:
。
CH4分子的中心原子C没有孤电子对,NH3分子的中心原子N有1个孤电子对,H2O分子的中心原子O有2个孤电子对,对成键电子对的排斥作用依次增大,故键角依次减小
规律方法
1.用价层电子对互斥模型推测分子或离子空间结构的思维模型
规律方法
2.预测分子或离子空间结构的步骤
第一步:确定中心原子上的价层电子对数。
规律方法
第二步:确定价层电子对的VSEPR模型。
由于价层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,这样已知价层电子对数,就可以确定价层电子对的VSEPR模型。
第三步:分子空间结构的确定。
价层电子对有成键电子对和孤电子对之分,价层电子对的总数减去成键电子对数得孤电子对数。根据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。
规律方法
注意: (1)若ABn型分子中,A与B之间通过多重键结合而成,则价层电子对互斥模型只计其中的σ键电子对,不计π键电子对。
(2)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。随着孤电子对数的增多,斥力增大,键角减小。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
课时作业
(分值:53分)
(选择题,每小题3分)
对点训练
知识点1 分子结构的测定与多样的分子空间结构
1.已知某分子的质谱图如图所示,且分子的红外光谱中含有C—O、C—H、O—H的吸收峰。下列关于该分子结构的叙述正确的是( )
[A]该分子的结构简式为CH3CH2OH
[B]该分子的相对分子质量可能为27、31、45或46
[C]该分子的结构简式为CH3—O—CH3
[D]该分子的红外光谱和质谱都可以全面反映分子结构的信息
【答案】 A
【解析】 从该分子的红外光谱信息可知,该分子中有羟基,A正确,C错误;该分子的相对分子质量为46,B错误;二者都不能全面反映分子结构的信息,D错误。
2.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】 甲烷是正四面体结构,碳原子在正四面体中心,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。
知识点2 价层电子对互斥模型
3.下列关于价层电子对互斥模型的说法错误的是( )
[A]分子中价层电子对相互排斥决定了分子的空间结构
[B]多重键只计其中的σ键电子对,不计π键电子对
[C]用该理论预测H2S和BF3的空间结构分别为V形和平面三角形
[D]该理论一定能预测出含中心原子的分子、离子或原子团的空间结构
【答案】 D
【解析】 价层电子对互斥模型认为分子中的中心原子周围的价层电子对相互排斥使得价层电子对朝空间不同方向伸展,从而决定了分子的空间结构,故A正确;多重键如双键、三键等只计为1个电子对,故B正确;H2S的中心原子S的价层电子对数为2+=4,有2个孤电子对,分子呈V形,BF3的中心原子B的价层电子对数为3+=3,无孤电子对,分子呈平面三角形,故C正确;该理论并不能预测出所有含中心原子的分子、离子或原子团的空间结构,比如VSEPR模型不能预测许多以过渡金属原子为中心原子的分子的空间结构,故D错误。
4.(2025·湖北武汉月考)下列粒子的空间结构与其VSEPR模型一致的是( )
[A]C [B]NH3
[C]SO2 [D]H3O+
【答案】 A
【解析】 C中心原子C的价层电子对数为3+=3,无孤电子对,VSEPR模型和空间结构均为平面三角形,故A符合题意;NH3中心原子N的价层电子对数为3+=4,有1个孤电子对,故VSEPR模型是四面体形,空间结构为三角锥形,故B不符合题意;SO2中心原子S的价层电子对数为2+=3,有1个孤电子对,故VSEPR模型是平面三角形,空间结构为V形,故C不符合题意;H3O+中心原子O的价层电子对数为3+=4,有1个孤电子对,VSEPR模型为四面体形,空间结构为三角锥形,故D不符合题意。
5.下列分子或离子的空间结构相同的是( )
[A]BeCl2和SO2 [B]BF3和PCl3
[C]S和N [D]SO3和Cl
【答案】 C
【解析】 BeCl2分子中的中心原子上的σ键电子对数为2,孤电子对数为=0,空间结构为直线形,SO2分子中的中心原子上的σ键电子对数为2,孤电子对数为=1,空间结构为V形,故A不符合题意;BF3分子中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=0,空间结构为平面三角形,PCl3分子中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=1,空间结构为三角锥形,故B不符合题意;S中的中心原子上的σ键电子对数为4,孤电子对数为=0,空间结构为正四面体形,N中的中心原子上的σ键电子对数为4,孤电子对数为=0,空间结构为正四面体形,故C符合题意;SO3分子中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=0,空间结构为平面三角形,Cl中的中心原子上的σ键电子对数为3,孤电子对数为=1,空间结构为三角锥形,故D不符合题意。
6.用价层电子对互斥模型可以预测许多分子或离子的空间结构。下列判断正确的是( )
[A]SO2、CS2、HI都是直线形分子
[B]BF3键角为120°,SnBr2键角大于120°
[C]COCl2、BF3、SO3都是平面三角形分子
[D]PCl3、NH3、PF5都是三角锥形分子
【答案】 C
【解析】 SO2是V形分子,CS2、HI是直线形分子,A错误;BF3键角为120°,是平面三角形结构,在SnBr2中Sn有1个孤电子对,对成键电子对排斥作用较大,使键角小于120°,B错误;COCl2、BF3、SO3都是平面三角形分子,C正确;PCl3、NH3都是三角锥形分子,而PF5中P的价层电子对数为5,无孤电子对,空间结构不为三角锥形(应为三角双锥形),D错误。
能力提升
7.我国科学家发现了一类由Fe、Se、As、F、O组成的磁性超导材料。下列说法正确的是( )
[A]Se的空间结构为平面三角形
[B]上述5种元素中,Fe、Se为d区元素
[C]AsH3和H2O分子的中心原子的价层电子对数均为4
[D]基态Fe2+中,两种自旋状态的电子的数目之比为5∶6
【答案】 C
【解析】 Se的中心原子的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,空间结构为三角锥形,A错误;题述5种元素中,只有Fe为d区元素,其他元素位于p区,B错误;AsH3的中心原子的价层电子对数为3+=4,H2O的中心原子的价层电子对数为2+=4,C正确;基态Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6,两种自旋状态的电子的数目之比为14∶10=7∶5或10∶14=5∶7,D错误。
8.下列对应关系不正确的是( )
选项 [A] [B] [C] [D]
中心原子 所在族 ⅣA ⅤA ⅣA ⅥA
分子通式 XY4 XY3 XY2 XY2
空间结构 正四面 体形 三角 锥形 V形 V形
【答案】 C
【解析】 当中心原子在第ⅣA族时,XY4分子的空间结构是正四面体形,XY2分子的空间结构是直线形;当中心原子在第ⅤA族时,XY3分子的空间结构是三角锥形;当中心原子在第ⅥA族时,XY2分子的空间结构是V形。
9.多核离子所带电荷可以认为是中心原子得失电子所致,根据VSEPR模型,下列离子中所有原子都在同一平面上的一组是( )
[A]N和N [B]H3O+和Cl
[C]N和C [D]P和S
【答案】 C
【解析】 N中心原子的价层电子对数为2+=3,含有1个孤电子对,空间结构为V形,
N中心原子的价层电子对数为4+=4,没有孤电子对,空间结构为正四面体形,故A不符合题意;H3O+中心原子的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,空间结构为三角锥形,Cl中心原子的价层电子对数为3+=4,含有1个孤电子对,空间结构为三角锥形,故B不符合题意;N中心原子的价层电子对数为3+=3,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,C中心原子的价层电子对数为3+=3,没有孤电子对,空间结构为平面三角形,故C符合题意;P中心原子的价层电子对数为4+=4,没有孤电子对,空间结构为正四面体形,S中心原子的价层电子对数为4+=4,没有孤电子对,空间结构为正四面体形,故D不符合题意。
10.元素周期表是学习物质结构与性质的重要工具,右图是元素周期表前三周期的一部分。下列关于五种元素的叙述正确的是( )
[A]Z的基态原子最外层p轨道上有2个未成对电子
[B]WZ3分子的VSEPR模型为三角锥形
[C]H2Y的键角小于H2X的键角
[D]第一电离能:R>Y>W
【答案】 C
【解析】 由题图可推知,X为O,W为P,Y为S,Z为Cl,R为Ar。Z为Cl,其基态原子价层电子排布式为3s23p5,则其基态原子最外层p轨道上有1个未成对电子,A错误;W为P,Z为Cl,PCl3的中心原子P的价层电子对数为3+=3+1=4,则PCl3的VSEPR模型为四面体形,B错误;X为O,Y为S,H2O和H2S的中心原子均含2个孤电子对,空间结构都是V形,但O的电负性大于S的电负性,成键电子对更靠近氧原子,排斥作用更大,键角更大,即H2S的键角小于H2O的键角,C正确;W为P,Y为S,R为Ar,同一周期从左到右,元素第一电离能呈增大趋势,其中Ar的核外电子排布为全充满稳定状态,P的3p轨道为半充满稳定状态,故P的第一电离能高于同周期相邻的Si和S,则第一电离能Ar>P>S,D错误。
11.(2025·浙江杭州月考)ClF3是极强的氧化剂,能与NH3反应生成N2和Cl2。ClF3也能发生自偶电离:2ClF3Cl+Cl,其分子结构如图。下列说法正确的是( )
[A]BrF3比ClF3更易发生自偶电离
[B]Cl的空间结构为正四面体形
[C]ClF3与过量NH3反应的产物还包括HCl
[D]ClF3与Fe反应生成FeCl2和FeF2
【答案】 A
【解析】 根据题干信息可知,ClF3发生自偶电离时,Cl—F断裂,r(Cl)12.在VSEPR中,电子对斥力大小顺序可认为孤电子对—孤电子对>孤电子对—成键电子对>成键电子对—成键电子对,当电子对之间的夹角大于90°时,斥力可忽略。当中心原子价层电子对数为5时,分子的空间结构为三角双锥形。PCl5是典型的三角双锥形分子(如图),两个编号为①的Cl和P在一条直线上,三个编号为②的Cl构成平面三角形。SF4和BrF3的中心原子价层电子对数也都是5,但它们分别有1个和2个孤电子对,以上图为参照,当中心原子价层电子对间的斥力最小时,它们的孤电子对占据的位置分别是( )
选项 [A] [B] [C] [D]
SF4 ① ① ② ②
BrF3 ①① ①② ①① ②②
【答案】 D
【解析】 SF4中心原子的孤电子对若在①时,孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有三组,SF4中心原子的孤电子对在②时,孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有两组,孤电子对在②时价层电子对间斥力最小;BrF3中心原子有2个孤电子对,若均在①上,则孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有六组,斥力太大,若1个在①上,1个在②上,则孤电子对与孤电子对之间的夹角为90°的有一组,孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有三组,斥力较大,若2个孤电子对均在②上,则孤电子对与成键电子对之间的夹角为90°的有四组,此时价层电子对之间斥力最小。由上述分析可知,D符合题意。
13.(6分)乙醇和乙酸同样可以用“价层电子对相互排斥而尽量远离”的原则快捷地判断它们的分子结构。
(1)(2分)根据上述图示,结合价层电子对互斥模型分析判断乙醇分子中C—O—H的空间结构是 。
(2)(2分)根据上述图示,结合价层电子对互斥模型分析判断乙酸分子中的空间结构是 。
(3)(2分)根据上述图示,结合价层电子对互斥模型分析判断乙醇、乙酸分子中的空间结构是 。
【答案】 (1)V形
(2)平面三角形
(3)四面体形
【解析】 (1)乙醇分子结构中,羟基上的氧原子有2个成键电子对和2个孤电子对(见题图中乙醇结构的①②③④),价层电子对数是4,共有4个空间取向,中心原子O的价层电子对相互排斥而远离,呈四面体形,略去中心原子上的孤电子对可得C—O—H呈V形。(2)在中,中心原子是上的碳原子,中心原子C上有3个成键电子对(见题图中乙酸结构中的①②③),孤电子对数为0,中心原子C的价层电子对共有3个空间取向,相互排斥而远离,因此,呈平面三角形。(3)在结构中,甲基碳原子(上的碳原子)是中心原子,中心原子C上的价层电子对数是4,全部是成键电子对,孤电子对数是0,中心原子C的4个成键电子对共有4个空间取向,相互排斥而远离,故呈四面体形。
14.(11分)科学家提出价层电子对互斥模型(简称VSEPR模型),用于预测简单分子的空间结构。其要点可以概括为
Ⅰ.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称为价层电子对数。分子中的价层电子对总是互相排斥,均匀地分布在中心原子周围的空间;
Ⅱ.分子的空间结构是指分子中的原子在空间的排布,不包括中心原子未成键的孤电子对;
Ⅲ.分子中价层电子对之间的斥力主要顺序为
ⅰ.孤电子对之间的斥力>孤电子对与共用电子对之间的斥力>共用电子对之间的斥力;
ⅱ.双键与双键之间的斥力>双键与单键之间的斥力>单键与单键之间的斥力;
ⅲ.X原子得电子能力越弱,A—X形成的共用电子对之间的斥力越强;
ⅳ.其他。
请仔细阅读上述材料,回答下列问题。
(1)(3分)根据要点Ⅰ可以画出AXnEm的VSEPR理想模型,请填写下表。
n+m 2
VSEPR模型 正四面体形
价层电子对之 间的键角 109°28'
(2)(2分)请用VSEPR模型解释CO2为直线形分子的原因: 。
(3)(2分)请你预测水分子中∠H—O—H的大小范围并解释原因: 。
(4)(4分)SO2Cl2和SO2F2都属于AX4E0型分子,S与O之间以双键结合,S与Cl、S与F之间以单键结合。请你预测SO2Cl2和SO2F2的空间结构: ,SO2Cl2中∠Cl—S—Cl (填“>”“<”或“=”)SO2F2中∠F—S—F。
【答案】 (1)4 直线形 180°
(2)CO2属于AX2E0型分子,n+m=2,故为直线形分子
(3)水分子属于AX2E2型分子,n+m=4,VSEPR模型为四面体形,价层电子对之间的夹角均为109°28',根据Ⅲ中的ⅰ,应有∠H—O—H<109°28'
(4)四面体形 >
【解析】 用VSEPR模型判断分子的空间结构方法为在分子中当n+m=2时为直线形;当n+m=3时,如果没有孤电子对则为平面三角形,如果有孤电子对则为V形;当n+m=4时,如果没有孤电子对则为正四面体形,如果有一个孤电子对则为三角锥形,如果有两个孤电子对则为V形。水分子中n+m=4,且有两个孤电子对,所以是V形结构,又由于孤电子对的作用力强于成键的共用电子对,使其键角小于109°28'。SO2Cl2和SO2F2中的硫原子是中心原子,此时n+m=4且没有孤电子对,所以其空间结构应为正四面体形,但由于原子种类不同,所以为四面体形。
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