课时分层作业(七) 分子空间结构的理论分析
(建议用时：40分钟)
[合格过关练]
1．下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是( )
A．sp杂化轨道的夹角最大
B．sp2杂化轨道的夹角最大
C．sp3杂化轨道的夹角最大
D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等
[答案] A
2．在中，中间的碳原子和两边的碳原子分别采用的杂化方式是( )
A．sp2 sp2
B．sp3 sp3
C．sp2 sp3
D．sp sp3
C [中碳原子形成了3个σ键，无孤电子对，需要形成3个杂化轨道，采用的杂化方式是sp2。两边的碳原子各自形成了4个σ键，无孤电子对，需要形成4个杂化轨道，采用的是sp3杂化。]
3．下列分子的空间结构模型正确的是( )
A．CO2
B．NH3
C．H2S
D．CH4
D [CO2的空间结构为直线形，A项错误；NH3的空间结构为三角锥形，B项错误；H2S与H2O的空间结构相似，均为角形，C项错误；CH4的空间结构为正四面体形，D项正确。]
4．PCl3分子的空间结构是( )
A．平面三角形，键角小于120°
B．平面三角形，键角为120°
C．三角锥形，键角小于109.5°
D．三角锥形，键角为109.5°
C [PCl3中P原子采取sp3杂化，P原子含有1对孤电子对，PCl3的空间结构为三角锥形，键角小于109.5°。]
5．乙炔分子中的碳原子采取的杂化方式是( )
A．sp杂化
B．sp2杂化
C．sp3杂化
D．无法确定
A [乙炔的结构式为H—C≡C—H，其空间结构为直线形，碳原子采取sp杂化。]
6．下列关于苯分子的性质描述错误的是
( )
A．苯分子呈平面正六边形，六个碳碳键完全相同，键角皆为120°
B．苯分子中的碳原子采取sp2杂化，6个碳原子中未参与杂化的2p轨道以“肩并肩”形式形成一个大π键
C．苯分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊类型的键
D．苯能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色
D [苯分子中的碳原子采取sp2杂化，六个碳碳键完全相同，呈平面正六边形结构，键角皆为120°；在苯分子中形成一个较稳定的六电子大π键，因此苯分子中的碳碳键并不是单、双键交替结构，不能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色。]
7．下列关于价电子对互斥模型(VSEPR模型)的叙述中不正确的是( )
A．VSEPR模型可用来预测分子的空间结构
B．分子中价电子对相互排斥决定了分子的空间结构
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，价电子对相互排斥力越大，分子越稳定
D [VSEPR模型可用来预测分子的空间结构，A正确；空间结构与价电子对相互排斥有关，所以分子中价电子对相互排斥决定了分子的空间结构，B正确；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，且孤电子对间的排斥力>孤电子对和成键电子对间的排斥力，C正确；分子的稳定性与键角没有关系，D错误。]
8．下列常见分子的空间结构最相近的是( )
A．CO2和SO2
B．CH4和NH3
C．CH2O和BBr3
D．H2O和BeCl2
C [CO2和SO2的空间结构分别为直线形和角形，A项错误；CH4和NH3的空间结构分别为正四面体形和三角锥形，B项错误；CH2O和BBr3的空间结构均为平面三角形，其中后者为正三角形，C项正确；H2O和BeCl2的空间结构分别为角形和直线形，D项错误。]
9．下列分子或离子之间互为等电子体的是( )
A．CH4和H3O＋
B．NO和SO2
C．O3和CO2
D．N2和C
D [由短周期元素组成的微粒，其原子总数相同，价电子总数相同，即互为等电子体。CH4和H3O＋的原子总数不同，A错误；NO和SO2的原子总数不同，B错误；O3和CO2的价电子总数不同，C错误；N2和C的原子总数相同，价电子总数也相同，D正确。]
10．下列微粒的中心原子的价电子对数正确的是( )
A．CH4 4
B．CO2 1
C．BF3 2
D．SO3 2
A [根据价电子对互斥理论可知，分子中的中心原子的价电子对数＝与中心原子结合的原子数＋中心原子孤电子对数。CH4中中心原子的价电子对数＝4＋×(4－4×1)＝4；CO2中中心原子的价电子对数＝2＋×(4－2×2)＝2；BF3中中心原子的价电子对数＝3＋×(3－3×1)＝3；SO3中中心原子的价电子对数＝3＋×(6－3×2)＝3。]
11．若ABn的中心A原子上没有未用于形成共价键的孤电子对，运用价层电子对互斥理论，下列说法正确的是( )
A．若n＝2，则分子的空间结构为角形
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
C [若ABn中中心A原子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，A错误；n＝3时，分子的空间结构为平面三角形，B错误；n＝4时，分子的空间结构为正四面体形，C正确，D错误。]
12．B3N3H6与苯是等电子体，则下列说法不正确的是( )
A．B3N3H6能发生加成反应和取代反应
B．B3N3H6具有碱性
C．B3N3H6各原子在同一平面上
D．B3N3H6不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
B [苯分子中所有原子都在同一平面上，能发生加成反应和取代反应，不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，不具有碱性，而B3N3H6与苯是等电子体，具有与苯相似的结构，则B3N3H6分子中含有大π键，无双键结构，不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，所有原子均在同一平面上，能发生加成反应和取代反应，B项错误。]
13．(素养题)2001年是伟大的化学家、1954年诺贝尔化学奖得主、著名的化学结构大师、20世纪的科学怪杰鲍林(L.Pauling)教授的100周年诞辰。这位老人谢世后，人们打开他的办公室，发现里面有一块黑板，画得满满的，其中一个结构式如图所示。老人为什么画这个结构式？它能合成吗？它有什么性质？不得而知。这是鲍林留给世人的一个谜，也许这是永远无法解开的谜，也许有朝一日你就能解开它。不管结果如何，让我们先对这个结构做一番了解：
(1)它的分子式是______________________________________________。
(2)它的所有原子是否可能处于同一个平面上？______(填“可能”或“不可能”)。
(3)它是否带有电荷？________________。
(4)该分子中sp杂化的氮原子有________个；sp2杂化的氮原子有______个；sp3杂化的氮原子有______个。
(5)为什么人们推测它是炸药？______________________________________
________________________________________________________________。
[解析] (1)根据有机物分子结构简式的书写规则，不难确定，每个环上除3个氮原子外还有3个碳原子，由此可以确定其分子式。(2)碳原子和氮原子均相当于有3个价电子对，根据价电子对互斥理论，可知它们为平面三角形结构，由此推出由碳原子和氮原子构成的环为平面结构，氧原子有4对电子对，它们的排列方式为四面体形结构，故与氧原子连接的氢原子可能在平面内，与环不直接连接的2个氮原子也在平面内。(3)由电子数可以确定，该分子不带电荷。(4)根据氮原子的成键特征和结构(或价电子对互斥理论)可以确定，采用sp2杂化方式的氮原子数为9个，采用sp杂化方式的氮原子数为1个，无sp3杂化方式。(5)物质越稳定，能量越低，反应放出的能量越多。
[答案] (1)C6H2O2N10 (2)可能 (3)否 (4)1 9 0 (5)它分解能放出大量的热并生成大量稳定气体——N2
14．(1)在形成氨气分子时，氮原子中的原子轨道发生sp3杂化形成4个________________，形成的4个杂化轨道中，只有________个含有未成对电子，所以只能与________个氢原子形成共价键，又因为4个sp3杂化轨道有一对________，所以氨气分子中的键角与甲烷不同。
(2)H＋可与H2O形成H3O＋，H3O＋中O原子采用______________杂化。H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大，原因为_____________________
_______________________________________________________________
________________________________________________________________。
[解析] (1)在形成NH3分子时，氮原子的2p轨道和2s轨道发生sp3杂化，形成4个杂化轨道：
，含有一对孤电子对，3个未成键的单电子，可以与3个氢原子形成3个σ键。
(2)H3O＋中杂化方式为sp3杂化；H3O＋中只有一对孤电子对，H2O中有两对孤电子对，对所成共价键的排斥力H2O大于H3O＋，使得H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H
键角大。
[答案] (1)sp3杂化轨道 3 3 孤电子对
(2)sp3 H3O＋分子中有一对孤电子对，H2O分子中有两对孤电子对，对形成的H—O的排斥力H2O大于H3O＋，造成H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大
15．X、Y、Z均为短周期元素，可形成X2Z和YZ2两种化合物。X、Y、Z的原子序数依次增大，X原子的K层的电子数目只有一个，Y位于X的下一周期，它的最外层电子数比K层多2个，而Z原子核外的最外层电子数比次外层电子数少2个。
(1)它们的元素符号分别为X________；Y________；Z________。
(2)用价电子对互斥理论判断：
物质
价电子对数
轨道杂化形式
分子的形状
成键电子对数
孤电子对数
X2Z
YZ2
[解析] X原子的K层的电子数只有一个，可知X为氢原子；Y位于X的下一周期，即为第2周期元素，它的最外层电子数比K层多2个，则其原子结构示意图为，故Y为C元素；Z原子核外的最外层电子数比次外层电子数少2个，且原子序数：Z>Y，则Z为S元素。从而推知X2Z为H2S，YZ2为CS2。
[答案] (1)H C S
(2)
物质
价电子对数
轨道杂化形式
分子的形状
成键电子对数
孤电子对数
X2Z
2
2
sp3
角形
YZ2
2
0
sp
直线形
[素养培优练]
16．氯化亚砜(SOCl2)是一种很重要的化学试剂，可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是( )
A．三角锥形、sp3
B．角形、sp2
C．平面三角形、sp2
D．三角锥形、sp2
A [根据价电子对互斥理论确定微粒的空间结构，价电子对数＝成键电子对数＋孤电子对数，成键电子对数＝与中心原子成键的原子数，孤电子对数＝(中心原子的价电子数－其他原子的未成对电子数之和)，SOCl2中与S原子成键的原子数为3，孤电子对数＝×(6－1×2－2×1)＝1，所以S原子采取sp3杂化，分子空间结构为三角锥形。]
17．据报道，大气中存在一种潜在的温室气体SF5—CF3，下列关于SF5—CF3的说法正确的是( )
A．分子中既有σ键又有π键
B．所有原子在同一平面内
C．C的杂化方式为sp3杂化
D．0.1
mol
SF5—CF3分子中含8
mol电子
C [分子中只有σ键，没有π键，A错；碳原子为sp3杂化，则所有原子不可能在同一平面，B错，C对；1
mol
SF5－CF3中含94
mol电子，故0.1
mol
SF5－CF3分子中含9.4
mol电子，D错。]
18．据报道，近来发现了一种新的星际分子氰基辛炔，其结构简式为。对该物质的判断不正确的是( )
A．其分子中的原子都在一条直线上
B．能使酸性高锰酸钾溶液褪色
C．能发生加成反应
D．分子中碳原子采用sp2杂化方式
D [分子中C原子全部以sp杂化，所以分子中的原子全部在同一直线上，A正确；根据碳碳三键的性质可知，B、C正确。]
19．下列几组微粒互为等电子体的是( )
①N2和CO ②NO＋和CN－
③CO2和CS2 ④N2O和CO2 ⑤BF3和SO3
A．①②③
B．④⑤
C．①③④
D．①②③④⑤
D [①N2和CO中，原子总数都为2，价电子总数都为10，二者互为等电子体；②NO＋和CN－中，原子总数都为2，价电子总数分别为5＋6－1＝10和4＋5＋1＝10，二者互为等电子体；③CO2和CS2中均含3个原子，O和S同主族，价电子数相等，二者互为等电子体；④N2O和CO2均含3个原子，价电子总数分别为5×2＋6＝16和4＋6×2＝16，二者互为等电子体；⑤BF3和SO3均含4个原子，价电子总数分别为3＋7×3＝24和6×4＝24，二者互为等电子体。故①②③④⑤都符合题意，D正确。]
20．元素X和Y属于同一主族。负二价的元素X和氢的化合物在通常状况下是一种液体，其中X的质量分数为88.9%；元素X和元素Y可以形成两种化合物，在这两种化合物中，X的质量分数分别为50%和60%。
(1)确定X、Y两种元素在周期表中的位置分别为________________、________________。
(2)在元素X和元素Y两种元素形成的化合物中，①写出X质量分数为50%的化合物的化学式_______；该分子的中心原子以_______杂化，分子结构为_______。
②写出X的质量分数为60%的化合物的化学式________________；该分子的中心原子以________杂化，分子结构为________。
(3)由氢元素与X元素形成的化合物中，含有非极性键的是________(写分子式)，分子结构为角形的是________(写分子式)。
[解析] 根据氢化物化学式H2X，知×100%＝88.9%，M(X)≈16。可推知，X的相对原子质量为16，则X为O，Y为S，其氧化物分别为SO2、SO3，根据杂化轨道理论易确定其分子结构、极性。X元素为O，与氢元素形成两种化合物H2O和H2O2，其中H2O的分子结构为角形，H2O2分子中含有非极性键“—O—O—”。
[答案] (1)第2周期ⅥA族 第3周期ⅥA族
(2)①SO2 sp2 角形
②SO3 sp2 平面三角形
(3)H2O2 H2O
7/9第2节 共价键与分子的空间结构
第1课时 分子空间结构的理论分析
发
展
目
标
体
系
构
建
1.能用杂化轨道理论解释或预测某些分子或离子的空间结构。2.理解价电子对互斥理论和等电子原理，能根据有关理论、原理判断简单分子或离子的空间结构。3.通过分析常见分子或离子的空间结构，构建利用杂化轨道理论、电子对互斥理论的认知模型。
一、杂化轨道理论
1．轨道杂化和杂化轨道
2．甲烷分子的空间结构
(1)甲烷的分子组成和结构
分子式
空间结构
空间填充模型
球棍模型
CH4
(2)甲烷中碳原子的杂化类型
3．苯分子的空间结构
(1)苯的空间结构
(2)苯分子中的大π键：六个碳原子上各有一个未参与杂化的垂直于碳环平面的2p轨道，这六个轨道以“肩并肩”的方式形成含有六个电子、属于六个碳原子的大π键。
4．杂化轨道的类型
杂化类型
sp
sp2
sp3
用于杂化的原子轨道及数目
s
1
1
1
p
1
2
3
杂化轨道的数目
2
3
4
杂化轨道间的夹角
180°
120°
109°28′
空间结构
直线形
平面三角形
正四面体形
实例
CO2、C2H2
BF3、SO3
CH4、CCl4
二、价电子对互斥理论
1．价电子对互斥理论
(1)价电子对互斥理论基本观点：分子中的中心原子的价电子对——成键电子对(bp)和孤电子对(lp)由于相互排斥作用，处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离。
(2)
(3)若中心原子没有孤电子对，为使价电子对之间的斥力最小，使分子的结构尽可能采取对称的结构。
微点拨：多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序为三键—三键＞三键—双键＞双键—双键＞双键—单键＞单键—单键，lp—lp?lp—bp＞bp—bp。
2．等电子原理
(1)内容：化学通式相同且价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间结构和相同的化学键类型等结构特征。
(2)应用
①判断一些简单分子或原子团的空间结构。
a．SO、PO等离子具有AX4通式，价电子总数为32，中心原子采取sp3杂化，呈四面体形空间结构。
b．SO、ClO等离子具有AX3通式，价电子总数为26，中心原子采取sp3杂化，由于存在孤电子对，分子呈三角锥形空间结构。
②利用等电子体在性质上的相似性制造新材料。
③利用等电子原理针对某物质找等电子体。
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)有多少个原子轨道发生杂化就形成多少个杂化轨道。
(√)
(2)杂化轨道用于形成π键。
(×)
(3)苯分子中C原子发生sp2杂化。
(√)
(4)中心原子采用sp3杂化的分子，其空间结构均为四面体形。
(×)
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，空间结构可能是角形
B [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104.5°，空间结构为角形，D正确。]
3．下列图形表示sp2杂化轨道的电子云轮廓图的是( )
A B C D
D [A项，杂化轨道的空间结构为直线形，夹角为180°，共有2个杂化轨道，为sp杂化，错误；B项，未形成杂化轨道，错误；C项，杂化轨道的空间结构为正四面体形，共有4个杂化轨道，为sp3杂化，错误；D项，杂化轨道的空间结构为平面三角形，夹角为120°，共有3个杂化轨道，为sp2杂化，正确。]
杂化轨道理论(素养养成——证据推理与模型认知)
甲烷分子的立体结构模型
1．试从碳原子的轨道表示式分析碳原子的单电子个数，若按照共价键的饱和性分析，甲烷的化学式是什么？
提示：由可知碳原子有两个单电子，若按照共价键的饱和性分析，C原子能与2个H原子结合，甲烷的化学式应写作CH2。
2．若碳原子的价电子激发后再与H原子的电子配对，由于电子的能级不同(如图所示)甲烷分子应具有不规则的四面体形结构，实际上甲烷分子呈正四面体形结构，为什么？
提示：当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，
为了四个杂化轨道在空间尽可能远离，使轨道间的排斥最小，能量最低，4个杂化轨道的伸展方向分别指向正四面体的四个顶点。
四个H原子分别以4个s轨道与C原子上的四个sp3杂化轨道相互重叠后，就形成了四个性质、能量和键角都完全相同的s?sp3σ键，形成一个正四面体形结构的分子。
1．杂化轨道的特点
(1)形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。
(2)原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的。
(3)杂化前后轨道数目不变。
(4)杂化后轨道伸展方向、形状发生改变。
(5)只有能量相近的轨道才能杂化(ns、np)。
2．分子空间结构的确定
杂化轨道类型
杂化理论模型
成键电子对数
孤电子对数
电子对的排列方式
分子的空间结构
实例
sp
直线形
2
0
直线形
HC≡CH、BeCl2、CO2
sp2
平面三角形
3
0
平面三角形
BF3、BCl3
2
1
角形
SnBr2、PbCl2
sp3
四面体形
4
0
正四面体形
CH4、CCl4
3
1
三角锥形
NH3、NF3
2
2
角形
H2O
微点拨：(1)杂化轨道只用于形成σ键或容纳孤电子对。
(2)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。
【例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杂化轨道形成的化合物分子中含有σ键
D．通过sp2或sp杂化轨道形成的化合物分子中一定含有π键
C [有孤电子对的中心原子采用sp3杂化形成的化合物可能是角形或三角锥形，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，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。]
当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，由于孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子的结构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个是由孤电子对占据的，其分子不呈正四面体形结构，而呈角形；氨分子中氮原子的sp3杂化轨道有1个由孤电子对占据，氨分子不呈正四面体形结构，而呈三角锥形。即略去孤电子对占据的杂化轨道就是分子的空间结构。
1．下列各物质中的中心原子不是采用sp3杂化的是( )
A．NH3
B．H2O
C．CO2
D．CCl4
C [NH3为三角锥形，但中心原子氮原子采用sp3杂化，形成4个等同的轨道，其中一个由一对孤电子对占据，余下的3个未成对电子各占一个。H2O为角形，但其中的氧原子也是采用sp3杂化形成4个等同的轨道，其中两对孤电子对分别占据两个轨道，剩余的2个未成对电子各占一个。CCl4分子中C原子也采用sp3杂化，但CO2分子中C原子为sp杂化，CO2为直线形分子。]
2．关于原子轨道的说法正确的是( )
A．凡是中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间结构都是正四面体形
B．CH4分子中的sp3杂化轨道是由4个H原子的1s轨道和C原子的2p轨道混合起来而形成的
C．sp3杂化轨道是由同一个原子中能量相近的s轨道和p轨道混合起来形成的一组能量相同的新轨道
D．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键
C [中心原子采取sp3杂化，分子的空间结构可能为正四面体形，但如果中心原子还有孤电子对，分子的空间结构不是正四面体形。CH4分子中的sp3杂化轨道是C原子的一个2s轨道与三个2p轨道杂化而成的。AB3型的共价化合物，A原子可能采取sp2杂化或sp3杂化。]
3．乙二胺(H2NCH2CH2NH2)是一种有机化合物，分子中氮、碳的杂化类型分别是________、________。
[答案] sp3 sp3
确定分子空间结构的简易方法(素养养成——证据推理与模型认知)
根据以下事实总结：如何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；如果是正四面体形，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。
1．价电子对互斥理论(VSEPR理论)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：
代表物
杂化轨道数(n)
杂化轨道类型
CO2
(4＋0)＝2
sp
CH2O
(4＋2＋0)＝3
sp2
CH4
(4＋4)＝4
sp3
SO2
(6＋0)＝3
sp2
NH3
(5＋3)＝4
sp3
H2O
(6＋2)＝4
sp3
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)。
代表物
杂化轨道数(n)
杂化轨道类型
NO
(5＋1)＝3
sp2
NH
(5－1＋4)＝4
sp3
(2)确定价电子对的空间结构
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下表：
价电子对数目
2
3
4
5
6
价电子对结构
直线形
三角形
正四面体形
三角双锥形
正八面体形
(3)分子空间结构确定
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
VSEPR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
三角形
BF3
2
1
角形
SnBr2
4
4
0
四面体形
四面体形
CH4
3
1
三角锥形
NH3
2
2
角形
H2O
中心原子上的孤电子对数＝
。
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：
氧原子上的孤电子对数＝＝2
2．等电子原理在确定分子结构中的应用
(1)互为等电子体应满足的条件
①化学通式相同。
②价电子总数相等。
(2)等电子原理的应用
①利用等电子原理可以判断一些简单分子或原子团的空间结构。如NH3和H3O＋的空间结构相似(三角锥形)；SiCl4、SO、PO都呈四面体形空间结构。
②等电子体不仅有相似的空间结构，且有相似的性质。
【例2】 下列分子或离子中，VSEPR模型名称与分子或离子的空间结构名称不一致的是( )
A．CO2
B．CO
C．H2O
D．CCl4
C [CO2分子中C原子价层电子对数是2，VSEPR模型为直线形，中心原子不含孤电子对，分子结构为直线形，VSEPR模型与空间结构一致，A不符合题意；CO含有3个σ键，中心原子C原子的孤电子对数＝×(4＋2－2×3)＝0，所以中心空间C原子价层电子对数是3，VSEPR模型为平面三角形，不含孤电子对，CO的空间结构为平面三角形，VSEPR模型与空间结构一致，B不符合题意；水分子中中心原子O原子的价电子对数＝2＋×(6－2×1)＝4，VSEPR模型为正四面体形，中心原子O原子含有2对孤电子对，则水分子的空间结构是角形，VSEPR模型与空间结构不一致，C符合题意；CCl4分子中，中心原子C原子的价电子对数＝4＋×(4－1×4)＝4，VSEPR模型为正四面体形，中心原子不含孤电子对，空间结构为正四面体形，VSEPR模型与空间结构一致，D不符合题意。]
当中心原子有孤电子对时，VSEPR模型与分子结构不一致。
1．下列分子的空间结构是正四面体形的是( )
①CH4 ②NH3 ③CF4 ④SiH4 ⑤C2H4 ⑥CO2
A．①②③
B．①③④
C．②④⑤
D．①③⑤
B [C原子与Si原子的价电子式都是ns2np2结构，参与成键时都是形成了4个sp3杂化轨道，故它们形成的①CH4、③CF4和④SiH4的空间结构都是正四面体形。NH3为三角锥形，C2H4为平面形，CO2为直线形。]
2．通常把原子总数和价电子总数相同的分子或原子团称为等电子体，人们发现等电子体的空间结构相同。已知B3N3H6分子的结构与苯相似，则下列有关说法中正确的是( )
A．CH4和NH互为等电子体，键角均为60°
B．NO和CO互为等电子体，均为平面三角形结构
C．H3O＋和PCl3互为等电子体，均为三角锥形结构
D．B3N3H6和苯互为等电子体，B3N3H6分子中不存在“肩并肩”式重叠的轨道
B [CH4和NH的原子数都是5，价电子总数都是8，互为等电子体，空间结构为正四面体结构，键角为109°28′，故A错误；NO和CO的原子数都是4，价电子总数都是24，互为等电子体，均为平面三角形结构，故B正确；H3O＋价电子总数是8，PCl3价电子总数是26，二者价电子总数不同，不互为等电子体，故C错误；B3N3H6分子的结构类似苯，存在π键，π键是p轨道以“肩并肩”的方式重叠形成的，所以B3N3H6分子中存在“肩并肩”式重叠的轨道，故D错误。]
等电子体的换算方法
(1)将微粒中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n＝1,2等)的原子，如N2和CO、N和CNO－互为等电子体。
(2)将微粒中一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素对应的带n个单位电荷的阳离子(或阴离子)，如N2O和N互为等电子体。
(3)同主族元素最外层电子数相等，故可将微粒中的原子换成同主族元素原子，如O3和SO2互为等电子体。
如图所示为H2O分子的结构模型。
1．成键电子对与孤电子对之间斥力大小顺序是什么？
提示：lp—lp?lp—bp＞bp—bp。
2．氧原子的价电子排布式为2s22p2，两个2p轨道各有一个未成对电子，可分别与一个H原子的1s电子形成一个σ键，不须杂化。但事实是：氧原子形成了四个sp3杂化轨道，且键角是104.5°，空间结构为角形，怎么解释？
提示：在形成水分子时，O的2s轨道和2p轨道发生了sp3杂化，形成四个sp3杂化轨道，呈正四面体形。其中两个sp3杂化轨道中各有一个未成对电子，另外两个sp3杂化轨道已有两对孤电子对，不再成键。氧原子与氢原子化合时，O的sp3杂化轨道与H的1s轨道重叠，形成两个σ键。由于两对孤电子对的电子云密集在O的周围，对两个成键的电子对有更大的排斥作用，使O—H键之间的键角被压缩，因此H2O分子的空间结构为角形。
通过本情境素材中分子空间结构的理论分析，提升了“证据推理与模型认知”的学科素养。
1．能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为( )
D [碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同。]
2．在乙烯分子中有5个σ键、1个π键，它们分别是( )
A．sp2杂化轨道形成σ键、未杂化的2p轨道形成π键
B．sp2杂化轨道形成π键、未杂化的2p轨道形成σ键
C．C—H之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C—C之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键
D．C—C之间是sp2杂化轨道形成的σ键，C—H之间是未参加杂化的2p轨道形成的π键
A [乙烯分子中存在4个C—H键和1个C===C键，碳原子上没有孤电子对，成键数为3，则C原子采取sp2杂化，碳氢键是sp2杂化轨道形成的σ键，碳碳双键中有1个是sp2杂化轨道形成的σ键，还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键，A正确。]
3．下列微粒中，含有孤电子对的是( )
A．SiH4
B．H2O
C．CH4
D．NH
B [根据价电子对互斥理论可知，H2O中中心原子O原子上的孤电子对数是＝2，其余选项中的微粒都不存在孤电子对，B正确。]
4．(素养题)用层电子对互斥理论(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间结构，也可推测键角大小，下列判断正确的是( )
A．CS2是角形分子
B．SnBr2键角大于120°
C．BF3是三角锥形分子
D．NH键角等于109°28′
D [CS2中中心原子C原子的孤电子对数为×(4－2×2)＝0，价电子对数为2＋0＝2，VSEPR模型为直线形，C原子上没有孤电子对，则CS2是直线形分子，A项错误；SnBr2中中心原子Sn原子上的孤电子对数为×(4－2×1)＝1，σ键个数为2，价电子对数为2＋1＝3，VSEPR模型为平面三角形，由于孤电子对与成键电子对间的排斥作用大于成键电子对间的排斥作用，故SnBr2的键角小于120°，B项错误；BF3中中心原子B原子上的孤电子对数为×(3－3×1)＝0，σ键个数为3，价电子对数为3＋0＝3，VSEPR模型为平面三角形，B原子上没有孤电子对，BF3是平面三角形分子，C项错误；NH中中心原子N原子上的孤电子对数为×(5－1－4×1)＝0，σ键个数为4，价电子对数为4＋0＝4，VSEPR模型为正四面体形，N原子上没有孤电子对，NH的空间结构为正四面体形，键角等于109°28′，D项正确。]
5．(1)SeO3的空间结构为______________，SeO的VSEPR模型为______________。
(2)与SeO3互为等电子体的一种阴离子为________(填化学式)。
(3)SCl和PCl3互为等电子体，SCl的空间结构是______________。S—Cl键的键长________P—Cl键的键长(填“>”“＝”或“<”)，原因是__________
_______________________________________________________________。
(4)碳负离子(CH)的空间结构为___________________________________，
与CH互为等电子体的一种分子是________(填化学式)。
[解析] (1)SeO3的中心原子Se原子的价电子对数是3，且不存在孤电子对，所以其空间结构为平面三角形；SeO的中心原子Se原子的层电子对数是3＋＝4，所以其VSEPR模型为四面体形。
(2)等电子体的原子总数相同、价电子总数相同，故与SeO3互为等电子体的阴离子为CO、NO或SiO。
(3)SCl中中心原子S原子的价电子对数＝σ键个数＋孤电子对数＝3＋×(6－1－3×1)＝4，且含1对孤电子对，所以其空间结构为三角锥形；键长与形成键的原子半径有关，S原子半径小于P原子半径，故S—Cl键键长比P—Cl键键长小。
(4)CH中中心原子C原子的价电子对数＝3＋×(4＋1－3×1)＝4，且含1对孤电子对，故其空间结构为三角锥形；等电子体的原子总数相等、价电子总数相等，因此与CH互为等电子体的分子可以为NH3或PH3。
[答案] (1)平面三角形 四面体形
(2)CO(或NO、SiO)
(3)三角锥形 ＜ S原子半径小于P原子半径，故S—Cl键要比P—Cl键短
(4)三角锥形 NH3(或PH3)
微专题2 杂化轨道类型的判断方法
1．根据分子的空间结构判断
由于常考的分子或离子结构多为直线形、平面三角形、角形、正四面体形、三角锥形等，故可按图索骥、简单判断。
分子或离子的空间结构
常见分子或离子
中心原子杂化轨道类型
直线形
CO2、CS2、BeCl2、HC≡CH、HC≡N等
sp
平面三角形
BF3、BCl3、SO3、NO、CO等
sp2
正四面体形
CH4、CCl4、SiF4、ClO、SO、PO、SiO等
sp3
三角锥形
NH3、NCl3、PH3、SO、ClO等
sp3
微点拨：常见的C2H4、C6H6为平面形分子，键角为120°，可推断其碳原子的杂化轨道类型为sp2。
2．根据价电子对互斥理论判断
根据价电子对互斥理论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，其关系如下表。
中心原子价电子对数
杂化轨道空间结构
中心原子杂化轨道类型
2
直线形
sp
3
平面三角形
sp2
4
正四面体形
sp3
运用该理论的关键是准确计算中心原子的价电子对数，其计算方法如下：
注意：对于阳离子，a＝中心原子价电子数－离子电荷数；对于阴离子，a＝中心原子价电子数＋|离子电荷数|。
3．应用等电子原理判断
等电子体具有相同的结构特征，一般来说，等电子体的中心原子的杂化类型相同。对于结构模糊或复杂的分子、离子，可将其转化成熟悉的等电子体，然后进行判断。常见的等电子体往往是同族不同元素或同周期相近元素构成的微粒。
4．根据共价键类型判断
从杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未杂化轨道形成π键，杂化轨道形成σ键。对于能够明确结构式的分子、离子，可直接用下式判断其中心原子的杂化轨道类型：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)。
如三聚氰胺(结构简式如图所示)中有两种环境的氮原子，环外氮原子分别形成3个σ键，用去基态氮原子5个价电子中的3个，余下1对孤电子对，n＝4，则环外氮原子采用sp3杂化；环内氮原子分别形成2个σ键、1个π键，用去基态氮原子5个价电子中的3个，余下1对孤电子对，n＝3，则环内氮原子采用sp2杂化。
5．应用取代法判断
以中学常见的、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。
甲醛分子的结构式如图所示，用2个Cl取代甲醛分子中的H可得到碳酰氯，下列描述正确的是( )
A．甲醛分子中有4个σ键
B．碳酰氯分子中的C原子为sp3杂化
C．甲醛分子中的H—C—H键角与碳酰氯分子中的Cl—C—Cl键角相等
D．碳酰氯分子的空间结构为平面三角形，分子中存在一个π键
D [甲醛分子中有3个σ键，A不正确；碳酰氯分子中的C原子为sp2杂化，B不正确；根据价层电子对互斥理论可知，碳酰氯分子中的氯原子有3对孤电子对，孤电子对对成键电子对有更强的排斥作用，所以，甲醛分子中的H—C—H键角与碳酰氯分子中的Cl—C—Cl键角不相等，C不正确；碳酰氯分子的空间结构为平面三角形，碳与氧形成的双键中有一个是π键，D正确。]
1．甲烷中的碳原子采用sp3杂化，下列用
标注的碳原子的杂化类型和甲烷中的碳原子的杂化类型一致的是( )
A．CHCH2CH3
B．
CH2===CHCH3
C．CH2===
CHCH2CH3
D．HC≡
CCH3
A [CH4中碳原子为饱和碳原子，采用sp3杂化。A项，亚甲基碳原子为饱和碳原子，采用sp3杂化；B、C项，C===C中的不饱和碳原子采用sp2杂化；D项，C≡C中的不饱和碳原子采用sp杂化。A项符合题意。]
2．指出下列分子或离子的中心原子杂化轨道类型，并判断分子或离子的空间结构。
(1)GeCl4中Ge的杂化轨道类型为________，分子空间结构为________________。
(2)AsCl3中As的杂化轨道类型为________，分子空间结构为________________。
(3)SeO中Se的杂化轨道类型为________，离子空间结构为________________。
(4)BCl3中的B采用________杂化，空间结构为________________________。
(5)PH3中的P采用________杂化，空间结构为________________________。
(6)NO中的N采用________杂化，空间结构为________________________。
[解析] (1)GeCl4：Ge的价电子对数＝4＋×(4－4×1)＝4＋0＝4，Ge采用sp3杂化，因为中心原子上没有孤电子对，故分子空间结构为正四面体形。(2)AsCl3：As的价电子对数＝3＋×(5－3×1)＝3＋1＝4，As采用sp3杂化，因为中心原子上有1对孤电子对，故分子空间结构为三角锥形。(3)SeO：Se的价电子对数＝4＋×(6＋2－4×2)＝4＋0＝4，Se采用sp3杂化，因为中心原子上没有孤电子对，故离子空间结构为正四面体形。(4)BCl3：B采用sp2杂化，三个杂化轨道分别与三个Cl形成σ键，没有孤电子对，分子空间结构为平面三角形。(5)PH3：P采用sp3杂化，其中一个杂化轨道上有一对电子不参与成键，另外三个杂化轨道分别与三个H形成σ键，由于一对孤电子对的存在，三个H不可能平均占据P周围的空间，而是被孤电子对排斥到一侧，形成三角锥形结构。(6)NO：N采用sp2杂化，其中两个杂化轨道分别与两个O形成σ键，另一个杂化轨道有一对孤电子对，未杂化的p轨道与两个O上的p轨道形成π键，离子空间结构为角形。
[答案] (1)sp3 正四面体形 (2)sp3 三角锥形
(3)sp3 正四面体形 (4)sp2 平面三角形 (5)sp3 三角锥形 (6)sp2 角形
18/18课时分层作业(八) 分子的空间结构与分子性质
(建议用时：40分钟)
[合格过关练]
1．下列分子中，属于含极性键的非极性分子的是( )
A．SO2
B．H2
C．BBr3
D．NH3
C [SO2、NH3属于含极性键的极性分子；H2属于含非极性键的非极性分子。]
2．某研究性学习小组对手性分子提出了以下四个观点：
①互为手性异构体的分子互为镜像
②利用手性催化剂合成可得到一种或主要得到一种手性分子
③互为手性异构体的分子组成相同
④手性异构体的性质相同
你认为正确的是( )
A．①②③
B．①②④
C．②③④
D．全部
A [互为手性异构体的分子结构不同，性质不同，故④错误，①②③均正确。]
3．两种非金属元素A、B所形成的下列分子中，属于极性分子的是( )
D [对于多原子分子是否是极性分子，取决于分子的结构是否对称，即正、负电荷的重心是否重合。A项中分子为正四面体形，结构对称，正、负电荷的重心重合，是非极性分子；B项中分子为直线形，结构对称，正、负电荷的重心重合，是非极性分子；C项中分子为平面正三角形，结构对称，正、负电荷的重心重合，是非极性分子；D项中分子为三角锥形，结构不对称，正、负电荷的重心不重合，是极性分子。]
4．(素养题)(双选)常温下三氯化氮(NCl3)是一种淡黄色液体，其分子结构呈三角锥形，以下关于NCl3的说法正确的是( )
A．分子中N—Cl键是极性键
B．分子中不存在孤电子对
C．NCl3分子是极性分子
D．因N—Cl键的键能大，它的沸点高
AC [NCl3分子中N原子上还有一对孤电子对，结构不对称，为三角锥形，为极性分子。N—Cl键为极性键，键能大说明分子稳定，而物质熔、沸点的高低与共价键的强弱无关。]
5．下列电子式表示的物质中，属于极性分子的是( )
C [A项为离子化合物，不存在分子；B项为非极性分子；D项为阳离子。]
6．下列分子中，既含有极性键又含有非极性键的是( )
A．CH2Cl2
B．HCHO
C．H2O
D．CH2===CH—CH3
D [同种元素的原子之间形成的共价键是非极性键，不同种元素的原子之间形成的共价键是极性键。CH2Cl2、HCHO和H2O中都只含有极性键，CH2===CH—CH3中既含有极性键又含有非极性键，D正确。]
7．意大利科学家制造出了由4个氧原子构成的氧分子，并用质谱仪探测到了它的存在。若该氧分子具有空间对称结构，下列关于该氧分子的说法正确的是( )
A．是一种新的氧化物
B．不可能含有极性键
C．是极性分子
D．是臭氧的同分异构体
B [由题目信息可知，该氧分子为O4，是氧元素的一种新的单质，A、D项错误；O4分子具有空间对称结构，则其为非极性分子，C项错误。]
8．使用微波炉加热，具有使物质受热均匀、表里一致、速度快、热效率高等优点。其工作原理是炉内的微波场以几亿次的高频改变外电场的方向，水分子因而能高频振动，产生热效应，这是因为( )
A．水分子具有极性共价键
B．水分子中有共用电子对
C．水由氢、氧两元素组成
D．水分子是极性分子
D [只有极性分子才能在电场中定向移动，非极性分子几乎不发生定向移动。水分子是由极性键构成的极性分子，故选D。]
9．在有机物分子中，当碳原子连有四个不同的原子或基团时，这种碳原子称为“手性碳原子”，凡具有一个手性碳原子的化合物一定具有光学活性。下列分子中含有“手性碳原子”的是( )
A．CBr2F2
B．CH3CH2OH
C．CH3CH2CH3
D．CH3CH(OH)COOH
D
10．CO2、CH4、BF3都是非极性分子，SO2、H2O、NH3都是极性分子，由此推测ABn型分子是非极性分子的经验规律是( )
A．所有原子在同一平面上
B．分子中每个键的键长应相等
C．A的相对原子质量小于B
D．在ABn中A原子没有孤电子对
D [CO2、CH4、BF3的中心原子的所有价电子都参与成键，没有孤电子对，都是对称结构，而SO2、H2O、NH3的中心原子上都有未参与成键的孤电子对，都不是对称结构。]
11．3?氯?2?丁氨酸的结构简式为
一个3?氯?2?丁氨酸分子中含有________个手性碳原子。其中一对镜像异构体用简单的投影式表示为
则另一对镜像异构体的简单投影式为
[解析] 根据手性碳原子周围连接四个不同的原子或基团这一规律可以判断该物质的手性碳原子个数；参照例子可以知道对应异构体关系就像我们照镜子一样，其另一种就是该物质在镜子中的“镜像”。
12．下列物质结构图中，代表原子序数从1到10的元素的原子实(原子实是原子除去最外层电子后剩余的部分)，小黑点代表形成共价键的最外层电子，短线代表共价键，如F2
(1)试写出四种图示所代表的分子式：
A________，B________，C________，D________。
(2)将上述四种物质的液体呈细流流下，用带静电的玻璃棒靠近细流，细流发生偏转的是________________(填分子式)。
(3)写出1个B分子中极性共价键的类型和个数________________________。
(4)A、C分子中，中心原子以何种类型杂化轨道成键？其分子空间结构是什么形状？____________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________。
[解析] 根据题给条件，很容易判断出A、B、C、D四种物质分别为NH3、HCN、BF3、CO(NH2)2；其中，NH3、HCN、CO(NH2)2为极性分子，易被静电吸引或排斥而偏移，BF3为非极性分子；1个H—C≡N分子中含有一个C—H
σ键、一个C—N
σ键和两个π键。
[答案] (1)NH3 HCN BF3 CO(NH2)2
(2)NH3、HCN、CO(NH2)2 (3)2个σ键，2个π键
(4)NH3分子中N原子以sp3杂化轨道成键，呈三角锥形；BF3分子中，B原子以sp2杂化轨道成键，呈平面正三角形
13．主族元素A、B、C、D的原子序数都小于18，A与D同主族，B与C在同一周期，A、D原子的价电子数都是1，C原子最外层电子数比B原子少2个，且最外层电子数是次外层电子数的2倍。A、B的单质在常温下均为气体，它们在高温下以体积比2∶1完全反应，生成物在常温下为液体。此液体与D单质能剧烈反应生成A的单质。所得溶液滴入酚酞显红色，同时溶液中含有与氖原子的电子层结构相同的阳离子。
试回答下列问题：
(1)写出元素符号：B________，D________。
(2)写出元素原子的价电子排布式：A______________，C________。
(3)B与C在高温下完全反应后的生成物的化学式为________，它是由________(填“极性”或“非极性”)键形成的________分子，分子的空间结构呈________。
(4)A与B的单质以体积比2∶1形成的化合物的中心原子的杂化方式为________，分子的空间结构呈________。
[解析] 由题意知A、B、C、D四种元素分别为H、O、C、Na，C与O2完全反应的生成物为CO2，它是由极性键构成的非极性分子，为直线形结构。H2O中氧原子采取sp3杂化，为角形分子。
[答案] (1)O Na (2)1s1 2s22p2 (3)CO2 极性 非极性 直线形 (4)sp3 角形
[素养培优练]
14．科学家最近研制出有望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3(如图所示)。
已知该分子中N—N—N键角都是108.1°，下列有关N(NO2)3的说法正确的是( )
A．分子中N、O间形成的共价键是非极性键
B．分子中四个氮原子共平面
C．该物质既有氧化性又有还原性
D．该分子为非极性分子
C [由于N、O为不同原子，其电负性不同，所以N、O间形成极性键，A错；如图四个氮原子形成三角锥形结构，所以B错；该分子结构不对称，所以它是极性分子，D错。]
15．下列温室气体中，和CO2一样，既是非极性分子，所有原子的最外层电子又都达到8电子稳定结构的是( )
A．N2O
B．CF2===CF2
C．CCl2F2
D．SF6
B [N2O中不是所有原子都达到8电子稳定结构，A错误；CF2===CF2是非极性分子，所有原子的最外层电子都达到8电子稳定结构，B正确；CCl2F2中正、负电荷重心不重合，是极性分子，C错误；SF6中S原子不是8电子稳定结构，D错误。]
16．下列反应过程中同时有离子键、极性共价键和非极性共价键的断裂和形成的是( )
A．H2＋CuOCu＋H2O
B．2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑
C．2KClO32KCl＋3O2↑
D．2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O
B [A项，反应过程中存在非极性键、离子键的断裂以及金属键和极性键的形成，不符合；B项，同时有离子键、极性共价键和非极性共价键的断裂和形成，符合；C项，反应过程中不存在非极性共价键的断裂和极性共价键的形成，不符合；D项，反应过程中不存在非极性共价键的形成，不符合。]
17．有五种元素X、Y、Z、Q、T，X元素为主族元素，X原子的M层上有两个未成对电子且无空轨道；Y原子的特征电子结构为3d64s2；Z原子的L电子层的p能级上有一个空轨道；Q原子的L电子层的p能级上只有一对成对电子；T原子的M电子层上p轨道半充满。下列叙述不正确的是( )
A．元素Y和Q可形成化合物Y2Q3
B．X与T的最高价氧化物对应的水化物，前者的酸性比后者强，是因为前者的非羟基氧原子数目大于后者
C．X和Q结合生成的化合物为离子化合物
D．ZQ2是极性键构成的非极性分子
C [根据题给信息可知，基态X原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，为S元素；基态Y原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，为Fe元素；基态Z原子的核外电子排布式为1s22s22p2，为C元素；基态Q原子的核外电子排布式为1s22s22p4，为O元素；基态T原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p3，为P元素。元素Y和Q可形成化合物Fe2O3，A正确；X与T的最高价氧化物对应的水化物分别为H2SO4、H3PO4，酸性：H2SO4>H3PO4，这是因为H2SO4的非羟基氧原子数目大于H3PO4，B正确；X和Q结合形成的化合物为SO2或SO3，它们都是共价化合物，C错误；ZQ2为CO2，由极性键构成，但CO2是直线形分子，属于非极性分子，D正确。]
18．在极性分子中，正电荷重心与负电荷重心间的距离称为偶极长，通常用r表示。极性分子的极性强弱与偶极长和电荷量(q)有关，一般用偶极矩(μ)来衡量。分子的偶极矩是偶极长和电荷量的乘积，即μ＝rq。在非极性分子中，其正、负电荷重心重合，故μ为0。试回答下列问题：
(1)HCl、CS2、H2S、SO2四种分子中μ＝0的有________。
(2)实验测得：μ(PF3)＝1.03、μ(BCl3)＝0。
①由此可知，PF3分子的空间结构为________________。
②BCl3分子的空间结构为________________，中心原子的杂化方式为________________。
(3)治癌药物Pt(NH3)2Cl2具有平面四边形结构，Pt处在四边形中心，NH3和Cl分别处在四边形的4个顶点。已知该化合物有两种同分异构体，棕黄色化合物的μ>0，淡黄色化合物的μ＝0。试写出两种同分异构体的结构简式：________________(棕黄色)、______________(淡黄色)，在水中溶解度较大的是________________(填结构简式)。
[解析] (1)HCl是由极性键形成的双原子极性分子；根据价电子对互斥理论可知，CS2是直线形分子，正、负电荷重心重合，为非极性分子，其偶极矩为0；H2S、SO2都是角形结构，是极性分子，其μ＞0。(2)①μ(PF3)＝1.03说明PF3是极性分子，则PF3是三角锥形结构。②μ(BCl3)＝0说明BCl3是非极性分子，其正、负电荷重心重合，应是平面正三角形结构；中心原子B与3个Cl原子形成3个共价键(没有孤电子对)，即B原子的杂化方式是sp2杂化。(3)根据题意，Pt(NH3)2Cl2具有平面四边形结构，若μ＝0，则为非极性分子，NH3和Cl分别对称分布在四边形的4个顶点上，即正、负电荷重心重合，故淡黄色化合物是；若μ＞0，则为极性分子，NH3和Cl在四边形的4个顶点上的分布是不对称的，即正、负电荷重心不重合，故棕黄色化合物是。根据相似相溶规律，水是极性分子，因此属于极性分子的溶质易溶解在水中，即在水中溶解度较大的是棕黄色化合物，其结构简式为。
7/9第2课时 分子的空间结构与分子性质
发
展
目
标
体
系
构
建
1.知道分子可以分为极性分子和非极性分子，知道分子极性与分子中键的极性、分子的空间结构密切相关。2.结合实例初步认识分子的手性对其性质的影响。
一、分子中的原子排布与对称性
1．对称分子
(1)概念
依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子。
(2)性质
具有对称性。
(3)与分子性质的关系
分子的许多性质如极性、旋光性等都与分子的对称性有关。
2．手性分子
(1)手性
一些分子本身和它们在镜中的像，就如同人的左手和右手，相似但不能重叠。
(2)手性分子
具有手性的分子叫做手性分子。一个手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体。
(3)不对称碳原子
对于仅通过单键连接其他原子的碳原子，当所连接的四个原子或基团均不相同时，这个碳原子称为不对称碳原子。
(4)应用
①手性分子缩合制蛋白质和核酸。
②分析药物有效成分异构体的生物活性和毒副作用。
③药物的不对称合成。
微点拨：手性分子是一类对称性比较低的分子，如它们不具有对称面。互为对映异构体的两种手性分子具有相反的旋光性。
二、分子中的电荷分布与极性
1．分子极性的实验探究
实验操作
在酸式滴定管中加入四氯化碳，打开活塞，将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近四氯化碳液流
在另一酸式滴定管中加入蒸馏水，打开活塞，并将用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近水流
现象
四氯化碳液流方向不变
水流方向发生改变
结论
四氯化碳液流与橡胶棒之间无电性作用
水流与橡胶棒之间有电性作用
解释
四氯化碳分子中无正极和负极之分
水分子中存在着带正电荷的正极和带负电荷的负极
2.极性分子和非极性分子
类别
极性分子
非极性分子
概念
分子内存在正、负两极的分子
分子内不存在正、负两极的分子
双原子分子
分子内含极性键
分子内含非极性键
多原子分子
分子内含极性键，分子空间结构不对称
分子内只含非极性键或分子空间结构对称
微点拨：“相似相溶”原理是指极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂。
3．分子极性的判断
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)CH4分子是面对称。
(√)
(2)NH3和H2O分子是面对称。
(×)
(3)由极性键构成的分子都是极性分子。
(×)
(4)含有不对称碳原子的分子都是极性分子。
(√)
2．下列化合物中含3个不对称碳原子的是( )
C [A项中含有1个不对称碳原子，B项中含有2个不对称碳原子，D项中含有1个不对称碳原子。]
3．请写出表中分子的空间结构，判断其中哪些属于极性分子，哪些属于非极性分子。
[解析] 由于O2、CO2、BF3、CCl4空间结构对称，所以它们均为非极性分子；HF、H2O、NH3的空间结构不对称，所以它们均为极性分子。
[答案]
手性分子(素养养成——宏观辨识与微观探析)
1．有人说“手性分子和镜像分子完全相同，能重合”，对吗？二者什么关系？
提示：手性分子，是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对映。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像左手和右手那样，称这两种分子具有手性，又叫手性分子。因此一个手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体。
2．构成不对称碳原子(手性碳原子)的条件？
提示：与碳原子连接的四个原子或基团均不相同。
1．手性异构体与手性分子
具有完全相同的组成和原子排列的一对分子，如同左手与右手一样互为镜像，却在三维空间里不能重叠，互称为手性异构体。有手性异构体的分子叫做手性分子。
2．手性分子的成因
当四个不同的原子或基团连接在同一个碳原子上时，这个碳原子是不对称碳原子。这种分子和它“在镜中的像”就不能重叠，因而表现为“手性”。手性分子中的不对称碳原子称为手性碳原子。例如，CHBrClF是一个简单的手性分子，如图1所示的两个分子互为镜像。又如，丙氨酸分子(手性碳原子上连接—H、—CH3、—NH2、—COOH)的手性如图2所示。
3．手性合成
生产手性药物必须把手性异构体分离开，因为手性异构体药物分子中往往是一种能治病、没有毒副作用，而另一种却有毒副作用。按照获得2001年诺贝尔化学奖的三位科学家的合成方法，可以只得到一种或者主要只得到一种手性分子，不得到或者基本上不得到它的手性异构体，这种独特的合成方法称为手性合成。手性催化剂只催化或者主要催化一种手性分子的合成。手性分子在生命科学和生产手性药物方面有广泛的应用。手性合成是当代化学的热点之一，是21世纪化学研究的重要领域。
【例1】 下列分子含有手性碳原子，属于手性分子的是( )
C [抓住“手性”的含义，碳原子上连接有四个不同的原子或原子团，即为手性碳原子。]
分子是否表现手性的判断
分子表现手性，是因为其含有手性碳原子。如果一个碳原子所连接的四个原子或基团各不相同，那么该碳原子称为手性碳原子，用
C来表示。例如是互不相同的原子或基团。所以，判断一种有机物分子是否具有手性，就看其含有的碳原子是否连有四个不同的原子或基团。
1．下列有机物分子具有手性异构体的是( )
C [存在手性异构体的分子中至少存在1个连有四个不同原子或基团的碳原子。因此4个选项中只有C项中存在手性异构体，中标有“
”的碳原子是手性碳原子，其余碳原子均不是手性碳原子。]
2．下图中两分子的关系是( )
A．互为同分异构体
B．是同一种物质
C．是手性分子
D．互为同系物
B [本题很容易看成为镜面对称结构而选择手性分子，但根据手性分子的判断方法，根本找不到手性碳原子，所以不是手性分子；分子相同，结构相同，是同一种物质。]
判断分子极性的方法(素养养成——证据推理与模型认知)
1．双原子形成的分子一定是非极性分子吗？
提示：不是。两个同种原子形成的单质一定是非极性分子，但是由两个不同原子形成的化合物分子一定是极性分子。
2．极性分子的电荷分布不均匀，非极性分子的电荷分布均匀吗？
提示：非极性分子的空间结构对称，因此电荷分布均匀，不显极性；极性分子的空间结构不对称，因此电荷分布不均匀，显示极性。
1．根据分子的对称性判断
分子结构对称，正电荷重心和负电荷重心重合，则为非极性分子，正、负电荷重心不重合，则为极性分子。
2．根据键的极性判断
3．判断ABn型分子极性的经验规律
(1)化合价法：若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子，否则为极性分子。
(2)孤电子对法：若中心原子有孤电子对则为极性分子，否则为非极性分子。如BF3、CO2等为非极性分子，NH3、H2O、SO2等为极性分子。
4．常见分子极性与非极性的判断
分子类型
键的极性
分子对
分子极性
代表物
双原子分子
A2
非极性键
直线形(对称)
非极性
H2、O2、Cl2、N2等
AB
极性键
直线形(不对称)
极性
HF、HCl、CO、NO等
三原子分子
A2B(或AB2)
极性键
直线形(对称)
非极性
CO2、CS2等(键角180°)
极性键
角形(不对称)
极性
H2O(键角104．5°)、SO2(键角119．5°)等
四原子分子
AB3
极性键
平面三角形(对称)
非极性
BF3、BCl3等
极性键
三角锥形(不对称)
极性
NH3(键角107.3°)等
五原子分子
AB4
极性键
正四面体形(对称)
非极性
CH4、CCl4(键角109°28′)等
ABnC4－n
(n<4且为整数)
极性键
四面体形(不对称)
极性
CHCl3、CH2Cl2等
【例2】 研究表明：H2O2具有立体结构，两个氢原子像在一本半展开的书的两页纸上，两页纸面的夹角为94°，氧原子在书的夹缝上，O—H键与O—O键之间的夹角为97°。下列说法错误的是( )
A．H2O2分子中既含极性键，又含非极性键
B．H2O2为极性分子
C．H2O2分子中的两个O原子均是sp3杂化
D．H2O2分子中既有σ键，又有π键
D [H2O2分子中存在2个O—H极性键和1个O—O非极性键，A项正确；根据H2O2的结构可知，H2O2分子中正、负电荷重心不重合，H2O2为极性分子，B项正确；H2O2分子中两个O原子都分别形成1个O—H
σ键和1个O—O
σ键，O原子上还有两对孤电子，两个O原子均为sp3杂化，C项正确；H2O2分子中只有单键，故只有σ键，没有π键，D项错误。]
1．下列说法正确的是( )
A．由极性键构成的分子都是极性分子
B．含非极性键的分子一定是非极性分子
C．极性分子一定含有极性键，非极性分子一定含有非极性键
D．以极性键结合的双原子分子一定是极性分子
D [由极性键构成的分子若空间结构均匀对称，则分子是非极性分子，A项说法错误；含非极性键的分子也可能含有极性键，分子也可能是极性分子，如CH3CH2OH等，B项说法错误；CO2是由极性键形成的非极性分子，C项说法错误；以极性键结合的双原子分子都是极性分子，D项说法正确。]
2．在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2分子中：
(1)以非极性键结合的非极性分子是________。
(2)以极性键结合的具有直线形结构的非极性分子是________________。
(3)以极性键结合的具有正四面体形结构的非极性分子是________________。
(4)以极性键结合的具有三角锥形结构的极性分子是____________________。
(5)以极性键结合的具有sp3杂化轨道结构的分子是__________________。
[解析] HF是含有极性键的双原子分子，为极性分子；H2O中氧原子采取sp3杂化方式，与H原子形成极性键，为极性分子；NH3中有极性键，N原子采取sp3杂化，三角锥形结构；CS2与CO2相似，以极性键结合的直线形非极性分子；CH4中C原子采取sp3杂化方式与H原子形成极性键，正四面体结构，非极性分子；N2是由非极性键结合的非极性分子。
[答案] (1)N2 (2)CS2 (3)CH4 (4)NH3
(5)NH3、H2O、CH4
1．下列分子为手性分子的是( )
B [手性分子中应含有手性碳原子，根据手性碳原子的定义可知，手性碳原子上连有四个不同的原子或基团。B项分子中，中间碳原子上连有—CH3、—H、—NH2、—COOH四种不同的原子或基团，故该分子是手性分子。]
2．实验测得BeCl2为共价化合物，两个Be—Cl键间的夹角为180°。由此可见，BeCl2属于( )
A．由极性键构成的非极性分子
B．由极性键构成的极性分子
C．由非极性键构成的极性分子
D．由非极性键构成的非极性分子
A [Be—Cl共价键为不同元素的原子间形成的极性键，BeCl2为直线形对称结构，故为非极性分子。]
3．下列分子中，属于含有极性键的非极性分子的是( )
A．H2O
B．Cl2
C．NH3
D．CCl4
D [H2O分子中O—H键为极性键，H2O分子为角形，结构不对称，是极性分子；Cl2是双原子单质分子，Cl—Cl键是非极性键，属含非极性键的非极性分子；NH3分子中N—H键是极性键，分子结构是三角锥形，N原子位于顶端，正、负电荷重心不重合，是极性分子；CCl4分子中C—Cl键是极性键，分子结构呈正四面体形，C原子位于正四面体中心，四个Cl原子分别位于正四面体的四个顶点，正、负电荷重心重合，是非极性分子。]
4．(素养题)相似相溶规律：一般来说，由极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂。以下事实不能用相似相溶规律解释的是( )
A．HCl易溶于水
B．I2易溶于CCl4
C．Cl2可溶于水
D．NH3难溶于苯
C [Cl2为非极性分子，H2O为极性分子，Cl2可溶于水不能用相似相溶规律解释。]
5．A、B、C、D、E为五种由短周期元素构成的微粒，它们都有10个电子，其结构特点如下：
微粒
A
B
C
D
E
原子核数
双核
多核
单核
多核
多核
电荷数
1－
0
2＋
1＋
0
其中：B是由极性键构成的4原子分子，A和D可以形成B和E。
(1)A、C、E的化学式是：A__________、C__________、
E________。
(2)B分子是________分子(填“极性”或“非极性”)，室温下，等物质的量的B与盐酸反应后，溶液pH________7(填“<”“>”或“＝”)。
(3)B、E两种分子的空间结构分别为B________、E________。
[解析] 常见的10电子微粒有：(1)分子：CH4、NH3、H2O、HF、Ne。(2)离子：Na＋、Mg2＋、Al3＋、F－、O2－、N3－、OH－、NH、H3O＋等。据题给信息可知A为OH－、C为Mg2＋、B为NH3、D为NH、E为H2O。
[答案] (1)OH－ Mg2＋ H2O (2)极性 <
(3)三角锥形 角形
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