(共36张PPT)
第26讲 分子的空间结构
第五章
2024
内容索引
01
02
03
考点一 价层电子对互斥模型
考点二 杂化轨道理论
真题演练 角度拓展
复习目标
1结合实例了解共价分子具有的特定的空间结构,并可运用相关理论和模型进行解释和预测。
2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。
考点一 价层电子对互斥模型
必备知识 自主预诊
1.理论要点
(1)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。
(2)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.中心原子价层电子对数的计算
用价层电子对互斥模型推测分子的空间结构的关键是判断分子中的中心原子上的价层电子对数。
其中: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,阳离子要减去电荷数,阴离子要加上电荷数);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(氢原子为1,其他原子=8-该原子的价电子数,如卤族元素为1,氧族元素为2等)。
3.VSEPR模型与分子(或离子)空间结构的关系
电子 对数 σ键电 子对数 孤电子 对数 VSEPR 模型名称 分子(或离子) 空间结构 实例
2 2 0 直线形 直线形 BeCl2
3 3 0 平面 三角形 平面三角形 BF3
2 1 V形(或角形) SnBr2
4 4 0 四面体形 正四面体形 CH4
3 1 三角锥形 NH3
2 2 V形(或角形) H2O
易错辨析
(1)价层电子对互斥模型中,π键电子对数不计入中心原子的价层电子对数。( √ )
(2)PH3分子的空间结构为三角锥形,H—P—H键角小于109°28'。( √ )
(3)某分子的中心原子价层电子对数为3,则分子的空间结构一定为平面三角形。( × )
(4)分子的空间结构与其VSEPR模型的结构相同,则该分子中心原子不含孤电子对。( √ )
关键能力 考向突破
考向1 根据价层电子对互斥模型推测分子(或离子)的空间结构
例1.根据价层电子对互斥模型判断,下列分子或离子的中心原子的价层电子对数及空间结构正确的是( )
选项 分子或离子 中心原子的 价层电子对数 VSEPR 模型 分子或离子的空间
结构
A 4 四面体形 V形
B BF3 3 平面三角形 三角锥形
C SOCl2 4 四面体形 三角锥形
D 3 平面三角形 平面三角形
答案 C
考向2 比较键角的大小
例2.比较下列分子(或离子)中共价键的键角大小(填写“>”“=”或“<”)。
(1)H2O NH3 CH4;
(2)NH3 PH3 AsH3;
(3)NF3 NCl3 NBr3;
答案 (1)< < (2)> > (3)< < (4)< <
归纳总结
1.“四步法”推测分子(或离子)的空间结构
2.运用价层电子对互斥模型比较键角的基本方法
比较方法 具体规律
比较中心原子价层电子对数 中心原子价层电子对数越少,键角越大
比较中心原子的孤电子对数 中心原子价层电子对数相同时,孤电子对数越多,排斥力越大,键角越小
比较中心原子的电负性 同主族元素形成的化合物,中心原子的电负性越大,键角越大
比较成键原子的电负性 当中心原子相同时,成键原子的电负性越大,键角越小
对点训练
1.(2023安徽“皖南八校”联考)下列关于PH3和NH3的说法正确的是( )
A.PH3和NH3分子中都含有σ键和π键
B.PH3和NH3的空间结构均为平面三角形
C.PH3中H—P—H的键角小于NH3中H—N—H的键角
D.PH3中P—H的键能大于NH3中N—H的键能
答案 C
解析 PH3和NH3分子中只存在P—H、N—H,故只含σ键,不存在π键,A错误;PH3和NH3的中心原子价层电子对数均为3+1=4,都含1个孤电子对,则其空间结构均为三角锥形,B错误;由于N的电负性大于P,故NH3的键角大于PH3,C正确;P原子半径大于N原子,则P—H的键长大于NH3中N—H的键长,P—H的键能小于N—H,D错误。
答案 C
考点二 杂化轨道理论
必备知识 自主预诊
1.理论要点
(1)当原子成键时,原子中能量相近的价电子轨道发生混杂,混杂时保持轨道总数不变,得到与原轨道数目相等、方向不同的一组新的杂化轨道。
(2)杂化轨道数不同,轨道间的夹角不同,形成分子的空间结构也不同。
2.三种类型
3.杂化轨道类型与分子(或离子)空间结构的关系
分子(或离子)(A为中心原子) 中心原子的孤电子对数 中心原子 的杂化方式 分子(或离子)的空间结构 实例
AB2 0 sp 直线形 BeCl2
1 sp2 V形 SO2
2 sp3 V形 H2O
AB3 0 sp2 平面三角形 BF3
1 sp3 三角锥形 NH3
AB4 0 sp3 正四面体形 CH4
易错辨析
(1)杂化轨道只用于形成σ键和容纳未参与成键的孤电子对。( √ )
(2)只要分子的空间结构为V形,中心原子均采取sp2杂化。( × )
(4)CH3CH=CH2(丙烯)分子中碳原子采取sp2、sp3两种杂化方式。( √ )
关键能力 考向突破
考向1 判断中心原子的杂化类型
例1.下列离子的中心原子的杂化方式与其他三种不同的是( )
答案 A
考向2 分子的空间结构和中心原子的杂化类型
例2.在H2O、NH3、CS2、CH4、BF3分子中:
(1)存在π键的共价化合物分子是 (填分子式,下同);
(2)具有直线形结构的分子是 ;
(3)具有正四面体形结构的分子是 ;
(4)具有三角锥形结构的分子是 ;
(5)具有sp3杂化轨道类型的分子是 ;
(6)具有sp2杂化轨道类型的分子是 。
答案 (1)CS2 (2)CS2 (3)CH4 (4)NH3 (5)H2O、NH3、CH4 (6)BF3
归纳总结
判断分子中原子轨道杂化类型的两种方法
对点训练
1.下列分子中,中心原子的杂化方式为sp杂化,分子的空间结构为直线形且分子中不含π键的是( )
A.CO2 B.BeCl2 C.BF3 D.HCN
答案 B
解析 CO2分子中C原子采取sp杂化,为直线形分子,含有2个σ键和2个π键,A错误;BeCl2分子中Be原子采取sp杂化,为直线形分子,不含π键,B正确;BF3分子中B原子采取sp2杂化,为平面三角形结构,C错误;HCN分子中C原子采取sp杂化,为直线形分子,含有2个σ键和2个π键,D错误。
2.(2023山东烟台期末)下列分子或离子的空间结构和中心原子的杂化方式不正确的是( )
答案 D
子对和1个孤电子对,则VSEPR模型为平面三角形,空间结构为V形。结合杂化轨道理论推知,中心S原子采取sp2杂化。
真题演练 角度拓展
角度一价层电子对互斥模型及应用
(3)[2021山东卷,16(3)]Xe是第五周期的稀有气体元素,与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 。
角度拓展
(1)[2021全国乙卷,35(3)]H2O的键角小于NH3的,分析原因 。
(2)[2020全国Ⅰ卷,35(3)]磷酸根离子的空间结构为 ,其中P的价层电子对数为 。
答案 (1)NH3中N原子含有1个孤电子对,而H2O中O原子含有2个孤电子对,H2O中的孤电子对对成键电子对的排斥作用较大 (2)正四面体形 4
角度二杂化轨道理论及应用
A.2s轨道 B.2p轨道
C.sp杂化轨道 D.sp2杂化轨道
答案 D
角度拓展
(2)[2021山东卷,16(3)]Xe是第五周期的稀有气体元素,与F形成的XeF2室温下易升华。下列对XeF2中心原子杂化方式推断合理的是 (填字母)。
A.sp B.sp2 C.sp3 D.sp3d
(3)[2021全国甲卷,35(1)]SiCl4可发生水解反应,机理如下:
含s、p、d轨道的杂化类型有:①dsp2;②sp3d;③sp3d2,中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为 (填标号)。
答案 (1)sp3 (2)D (3)②课时规范练26
一、选择题:每小题只有1个选项符合题意。
1.(2023天津红桥区模拟)下列一组粒子的中心原子杂化类型相同,分子或离子的键角不相等的是( )
A.CCl4、SiCl4、SiH4 B.H2Se、NF3、CH4
C.BCl3、NH3、CO2 D.TeO3、BF3、H3O+
答案:B
解析:CCl4、SiCl4、SiH4的中心原子均采取sp3杂化,不含孤电子对,则CCl4、SiCl4、SiH4分子都是正四面体形,键角都是109°28',A不符合题意;H2Se、NF3、CH4的中心原子含有孤电子对数分别为2、1、0,价层电子对数均为4,则中心原子均采取sp3杂化,由于所含孤电子对数不同,孤电子对之间及孤电子对与σ键电子对之间的斥力不同,H2Se、NF3、CH4的键角依次增大,B符合题意;BCl3、NH3、CO2的中心原子价层电子对数依次为3、4、2,杂化轨道类型分别为sp2、sp3和sp,C不符合题意;TeO3、BF3、H3O+的中心原子价层电子对数分别为3、3、4,杂化轨道类型分别为sp2、sp2和sp3,D不符合题意。
2.下列有关有机化合物分子的叙述不正确的是( )
A.乙烯(CH2CH2)分子中有一个s-p σ键和一个p-p π键
B.乙炔(HC≡CH)每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道,它们之间可形成两个π键
C.乙烷(CH3CH3)两个C原子均采取sp3杂化,每个分子中有7个σ键
D.苯()分子每个碳原子均是sp2杂化
答案:A
解析:乙烯分子中碳原子采取sp2杂化,两个碳原子各以两个sp2杂化轨道与氢原子形成两个碳氢σ键,两个碳原子之间又各以一个sp2杂化轨道形成一个碳碳σ键,除此之外,两个碳原子中未参与杂化的2p轨道形成p-p π键,A错误;乙炔(HC≡CH)中碳原子采取sp杂化,每个碳原子都有两个未杂化的2p轨道,形成两个p-p π键,B正确;乙烷(CH3CH3)两个C原子均是sp3杂化,分子中含有6个C—H和1个C—C,故1个乙烷分子含有7个σ键,C正确;苯()分子每个碳原子都形成3个σ键,不含孤电子对,则碳原子采取sp2杂化,D正确。
3.含第ⅥA族元素的化合物在研究和生产中有许多重要用途。下列说法正确的是( )
A.O、S、Se元素的第一电离能:O>S>Se
B.气态SeO3分子、S的VSEPR模型均为平面三角形
C.NH3、H2S的VSEPR模型和分子的空间结构均相同
D.S单质的常见形式为S8,其环状结构如图所示,则S原子采取的杂化方式为sp2杂化
答案:A
解析:同族元素的第一电离能从上到下逐渐减小,则O、S、Se元素的第一电离能为O>S>Se,A正确;SeO3的VSEPR模型为平面三角形,S的VSEPR模型为四面体形,B错误;NH3和H2S分子的VSEPR模型均为四面体形,而NH3的空间结构为三角锥形,H2S分子的空间结构为V形,C错误;由S8分子的结构可知,S原子采取sp3杂化,D错误。
4.(2022湖北卷,11)磷酰三叠氮是一种高能分子,结构简式为OP(N3)3。下列关于该分子的说法正确的是( )
A.为非极性分子
B.空间结构为正四面体形
C.加热条件下会分解并放出N2
D.分解产物NPO的电子式为N
答案:C
解析:磷酰三叠氮分子结构不对称,是极性分子,A错误;磷酰三叠氮分子含有三个P—N及一个PO双键,则空间结构为四面体形,B错误;磷酰三叠氮是一种高能分子,加热条件下会分解并放出N2,C正确;NPO为共价化合物,其电子式为N ,D错误。
5.(2023山东菏泽模拟改编)磷酸亚铁锂(LiFePO4)常用作锂离子电池正极材料,可采用FeCl3、NH4H2PO4、LiCl和苯胺等作为原料制备。下列说法正确的是( )
A.FeCl3分子中存在σ键和π键
B.NH4H2PO4中N的空间结构为正四面体形
C.NH4H2PO4中P的sp3杂化轨道与O的2p轨道形成π键
D.苯胺()中C和N原子均采取sp2杂化
答案:B
解析:FeCl3分子中只存在Fe—Cl,属于σ键,A错误;N的中心N原子价层电子对数为4,采取sp3杂化,无孤电子对,则N的空间结构为正四面体形,B正确;NH4H2PO4中P原子的价层电子对数为4,采取sp3杂化,杂化轨道只能形成σ键或容纳孤电子对,不能形成π键,故P的sp3杂化轨道与O的2p轨道形成σ键,C错误;苯胺()中C和N原子的价层电子对数分别为3、4,则C原子采取sp2杂化,N原子采取sp3杂化,D错误。
6.下列说法正确的是( )
①C2H4分子中只有以s轨道与sp2杂化轨道“头碰头”方式重叠而成的σ键 ②SnBr2分子中Br—Sn—Br的键角<120° ③H3O+中H—O—H的键角比H2O中H—O—H的键角大
A.① B.①②
C.①③ D.②③
答案:D
解析:①碳碳双键中一个是σ键,还有一个是π键,错误;②SnBr2分子中,Sn原子的价层电子对数是×(4-2×1)+2=3,含有1个孤电子对,SnBr2的空间结构为V形,根据价层电子对互斥模型可以判断其键角小于120°,正确;③H3O+、H2O的价层电子对互斥模型为四面体形,氧原子采取sp3杂化,H2O中O原子有两个孤电子对,H3O+中O原子有1个孤电子对,导致H3O+中H—O—H的键角比H2O中H—O—H的键角大,正确。
二、非选择题
7.(1)[2022全国甲卷,35(4)]在2022年冬奥会上“水立方”华丽转身为“冰立方”,实现了奥运场馆的再利用,其美丽的透光气囊材料由乙烯(CH2CH2)与四氟乙烯(CF2CF2)的共聚物(ETFE)制成。CF2CF2和ETFE分子中C的杂化轨道类型分别为 和 。
(2)[2022全国乙卷,35(2)]一氯乙烯(C2H3Cl)分子中,C的一个 杂化轨道与Cl的3px轨道形成C—Cl 键,并且Cl的3pz轨道与C的2pz轨道形成3中心4电子的大π键()。
(3)[2021全国乙卷,35(3)][Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2+中配体分子NH3、H2O以及分子PH3的空间结构和相应的键角如图所示。
PH3中P的杂化类型是 。
(4)[2021河北卷,17(4)]已知KH2PO2是次磷酸的正盐,H3PO2的结构式为 ,其中P采取 杂化方式。
(5)[2021全国甲卷,35(1)]SiCl4是生产高纯硅的前驱体,其中Si采取的杂化类型为 。
(6)[2021湖南卷,18(2)]SiCl4与N-甲基咪唑()反应可以得到M2+,其结构如图所示:
N-甲基咪唑分子中碳原子的杂化轨道类型为 。
答案:(1)sp2 sp3 (2)sp2 σ (3)sp3
(4) sp3 (5)sp3 (6)sp2、sp3
解析:(4)KH2PO2是次磷酸的正盐,H3PO2是一元弱酸,分子中含1个—OH,另外2个H与P成键,还有一个O与P形成双键,故其结构式为。P原子形成4个σ键、没有孤电子对,故其价层电子对数为4,P原子采取sp3杂化。
(6)N-甲基咪唑分子中,—CH3碳原子只形成单键,则采取sp3杂化;五元杂环上碳原子形成2个单键和1个双键,则采取sp2杂化。
8.(2022黑龙江大庆二模)硒-钴-镧(La)三元整流剂在导电玻璃中应用广泛,且三种元素形成的单质及其化合物均有重要的应用。请回答下列问题:
(1)钴位于元素周期表中 (填“s”“p”“d”或“ds”)区,与钴位于同一周期且含有相同未成对电子数的元素为 (填元素符号)。
(2)“依布硒”是一种有机硒化物,具有良好的抗炎活性,其结构简式如图1所示。“依布硒”中碳原子的杂化类型为 ,元素Se、O、N的第一电离能由大到小的顺序为 。
图1
(3)硒的某种氧化物为链状聚合结构(如图2所示),该氧化物的化学式为 。SeO3的空间结构为 。
图2
(4)二硒键和二硫键是重要的光响应动态共价键,其光响应原理可用图表示。已知光的波长与键能成反比,则图中实现光响应的波长:λ1 (填“>”“<”或“=”)λ2,其原因是 。
(5)[Co(15—冠—5)(H2O2)2+](“15—冠—5”是指冠醚的环上原子总数为15,其中O原子数为5)是一种配位离子,该配位离子的结构示意图如图3所示,该配位离子中含有的σ键数目为 。全惠斯勒合金CrxCoyAlz的晶胞结构如图4所示,其化学式为 。
图3
图4 CrxCoyAlz晶胞结构示意图
答案:(1)d V、As (2)sp2 N>O>Se
(3)SeO2 平面三角形
(4)< Se的原子半径比S的原子半径大,Se—Se的键能比S—S的键能小,断裂Se—Se所需要的最低能量小,对应的光波的波长较长
(5)46 Cr2CoAl
解析:(1)基态钴原子的核外电子排布式为[Ar]3d74s2,位于元素周期表中d区,与钴位于同一周期且含有相同未成对电子数(3个)的元素为V、As。
(2)分子中不饱和碳原子以及苯环上的碳原子的杂化类型均为sp2,同周期主族元素电离能从左往右呈逐渐增大的趋势,但第ⅡA族大于第ⅢA族,第ⅤA族大于第ⅥA族,同主族元素电离能,从上往下逐渐减小,则元素Se、O、N的第一电离能由大到小的顺序为N>O>Se。
(3)根据结构图可判断与Se结合的氧原子个数为1+2×=2,所以该氧化物的化学式为SeO2。SeO3中中心原子的价层电子对数是3,且不含有孤对电子,其空间结构为平面三角形。
(4)由于Se的原子半径比S的原子半径大,Se—Se的键能比S—S的键能小,断裂Se—Se所需要的最低能量小,对应的光波的波长较长,所以图中实现光响应的波长:λ1<λ2。
(5)单键都是σ键,氧原子和钴离子形成配位键,分子中还含有C—H、C—O、O—H、C—C,则该配位离子中含有的σ键数目为15+2×10+2×2+7=46。顶点粒子占,面上粒子占,棱上粒子占,内部粒子为整个晶胞所有,所以一个晶胞中含有Cr的数目:8×+6×+4×1=8,一个晶胞中含有Co的数目:12×+1×1=4,一个晶胞中含有Al的数目:4×1=4,故晶体的化学式为Cr2CoAl。
5
