高中化学专题4分子空间结构与物质性质第1单元分子构型与物质的性质第1课时分子的空间构型学案.docx

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高中化学专题4分子空间结构与物质性质第1单元分子构型与物质的性质第1课时分子的空间构型学案

第一单元　分子构型与物质的性质

第1课时　分子的空间构型

1.能准确判断共价分子中中心原子的杂化轨道类型。

（难点）

2.能用杂化轨道理论和价层电子对互斥理论判断分子的空间构型。

（重难点）

3.利用“等电子原理”推测分子或离子中中心原子的杂化轨道类型及空间构型。

杂化轨道理论与分子的空间构型

[基础·初探]

1.sp3杂化与CH4分子的空间构型

（1）杂化轨道的形成

碳原子2s轨道上的1个电子进入2p空轨道，1个2s轨道和3个2p轨道“混合”，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道。

（2）sp3杂化轨道的空间指向

碳原子的4个sp3杂化轨道指向正四面体的4个顶点，每个轨道上都有一个未成对电子。

（3）共价键的形成

碳原子的4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个相同的σ键。

（4）CH4分子的空间构型

CH4分子为空间正四面体结构，分子中C—H键之间的夹角都是109.5°。

2.sp2杂化与BF3分子的空间构型

（1）sp2杂化轨道的形成

硼原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道。

1个2s轨道和2个2p轨道发生杂化，形成能量相等、成分相同的3个sp2杂化轨道。

图示为：

（2）sp2杂化轨道的空间指向

硼原子的3个sp2杂化轨道指向平面三角形的三个顶点，3个sp2杂化轨道间的夹角为120°。

（3）共价键的形成

硼原子的3个sp2杂化轨道分别与3个氟原子的1个2p轨道重叠，形成3个相同的σ键。

（4）BF3分子的空间构型

BF3分子的空间构型为平面三角形，键角为120°。

3.sp杂化与BeCl2分子的空间构型

（1）杂化轨道的形成

Be原子2s轨道上的1个电子进入2p轨道，1个2s轨道和1个2p轨道发生杂化，形成能量相等、成分相同的2个sp杂化轨道。

图示为：

（2）sp杂化轨道的空间指向

两个sp杂化轨道呈直线形，其夹角为180°。

（3）共价键的形成

Be原子的2个sp杂化轨道分别与2个Cl原子的1个3p轨道重叠形成2个相同的σ键。

（1）CH4和CH3Cl中C均采用sp3杂化。

（　　）

（2）金刚石中的碳原子和CO2中的碳原子采用的杂化类型相同。

（　　）

（3）CH4和NH3分子中的中心原子均采用sp杂化，故两分子的键角相同。

（　　）

（4）杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成π键。

（　　）

（5）杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对。

（　　）

【答案】　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√

[合作·探究]

　用杂化轨道理论分析探究烷烃、烯烃、炔烃的C的杂化方式和成键情况，（以C2H6、C2H4、C2H2为例），请完成下表

分子结构

C原子杂

化方式

成键情况

sp3杂化

①每个C原子的3个sp3轨道分别与3个H原子的1s轨道重叠形成3个σ键；

②两个C原子各以1个sp3轨道发生重叠形成σ键

sp2杂化

①每个C原子的2个sp2轨道分别与2个H原子的1s轨道重叠形成2个σ键；

②两个C原子各以1个sp2轨道发生重叠形成σ键，各以1个未杂化的2p轨道发生重叠形成π键

[核心·突破]

1.ABm型粒子的中心原子杂化与分子空间构型的关系

（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

一个ns和

一个np

一个ns和

两个np

一个ns和

三个np

轨道夹角

180°

120°

109.5°

杂化轨道

示意图

实例

BeCl2

BF3

CH4

分子结构

示意图

分子的空间构型

直线形

平面三角形

正四面体型

（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个是由孤电子对占据的，其分子不呈正四面体构型，而呈V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构型，而呈三角锥型。

2.含σ键和π键的分子构型和杂化类型

物质

结构式

杂化轨道类型

分子中共价键数

键角

分子的空间构型

甲醛

sp2

3个σ键

1个π键

约120°

平面三角形

乙烯

5个σ键

1个π键

120°

平面形

氰化氢

sp

2个σ键

2个π键

180°

直线形

乙炔

3个σ键

2个π键

180°

直线形

[题组·冲关]

题组1　杂化轨道理论

1.下列关于原子轨道的说法正确的是（　　）

A.凡中心原子采取sp3杂化轨道成键的分子其空间构型都是正四面体型

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轨道混合而形成的

C.sp3杂化轨道是由同一原子中能量相近的s轨道和p轨道杂化而形成的一组能量相等的新轨道

D.凡AB3型共价化合物，其中心原子A均采用sp3杂化轨道成键

【解析】　凡中心原子采取sp3杂化得到的杂化轨道都是正四面体型，但是根据孤电子对占据杂化轨道数目的多少，其分子立体构型也可以呈现V形（H2O）、三角锥型（NH3），也有的呈现变形四面体，如CH3Cl，故A错；CH4的sp3杂化轨道是由中心原子碳中能量相近的一个2s轨道和3个2p轨道杂化而形成的，与氢原子结合时，四个杂化轨道分别和四个氢原子的1s轨道重叠，形成四个C—Hσ键，B错；AB3型分子中，BF3的B原子采用sp2杂化，D错。

【答案】　C

2.（双选）下列关于杂化轨道的说法错误的是（　　）

【导学号：

61480041】

A.所有原子轨道都参与杂化

B.同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化

C.杂化轨道能量集中，有利于牢固成键

D.杂化轨道中一定有一个电子

【解析】　参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p能量相差太大，不能形成杂化轨道，即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A项错误，B项正确；杂化轨道的电子云一头大一头小，成键时利用大的一头，可使电子云重叠程度更大，形成牢固的化学键，故C项正确；并不是所有的杂化轨道中都会有电子，也可以是空轨道，也可以有一对孤电子对（如NH3、H2O的形成），故D项错误。

【答案】　AD

题组2　杂化类型与分子空间构型的判断

3.下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是（　　）

A.CO2和SO2

B.CH4与NH3

C.BeCl2与BF3

D.C2H4与C2H2（C2H2的结构简式为CH≡CH）

【解析】　CO2分子中，C原子为sp杂化，SO2分子中的S原子为sp2杂化；CH4分子中C原子为sp3杂化，NH3分子中N原子也为sp3杂化；BeCl2分子中Be原子为sp杂化，BF3分子中B原子为sp2杂化；C2H2分子中C原子为sp杂化，而C2H4分子中C原子为sp2杂化。

【答案】　B

4.下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是（　　）

①BF3　②CH2===CH2　③

　④CH≡CH

⑤NH3　⑥CH4

A.①②③　　　　　　B.①⑤⑥

C.②③④.D.③⑤⑥

【解析】　①②③均为平面形分子，中心原子是sp2杂化；④为直线形分子，中心原子是sp杂化；NH3是三角锥型、CH4是正四面体型分子，中心原子均是sp3杂化。

【答案】　A

5.指出下列原子的杂化轨道类型及分子的结构式、空间构型。

（1）CO2分子中的C原子采用________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________；

（2）CH2O分子中的C原子采用________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________；

（3）CH4分子中的C原子采用________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________；

（4）H2S分子中的C原子采用________杂化，分子的结构式为________，空间构型为________。

【解析】　杂化轨道所用原子轨道的能量相近，且杂化轨道只能用于形成σ键，剩余的p轨道还可以形成π键。

杂化轨道类型决定了分子（或离子）的空间构型，如sp2杂化轨道的夹角为120°，空间构型为平面三角形。

因此，也可根据分子的空间构型确定分子（或离子）中杂化轨道的类型，如CO2为直线形分子，因此分子中杂化轨道类型为sp杂化。

【答案】　

（1）sp　O===C===O　直线形

【规律方法】　　　　　分子或离子中中心原子杂化类型的判断

（1）根据分子或离子的立体结构判断，如直线形为sp杂化，平面形为sp2杂化，四面体为sp3杂化。

（2）根据参加杂化的轨道数（价层电子对数）与形成的杂化轨道数相同判断，如2个价层电子对的杂化为sp杂化，3个价层电子对的杂化为sp2杂化，4个价层电子对的杂化为sp3杂化。

（3）根据中心原子是否形成π键及π键数目判断，如中心原子没有π键为sp3杂化，形成一个π键为sp2杂化，形成两个π键为sp杂化。

价层电子对互斥模型与等电子原理

[基础·初探]

教材整理1　价层电子对互斥模型

1.含义

分子中的价电子对（包括成键电子对和孤电子对）由于相互排斥作用，而趋向于尽可能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间构型。

2.价层电子对数目与几何分布的关系

价层电子

对数目

2

3

4

价层电子

对的几何分布

构型

直线形

平面三角形

正四面体型

3.相关说明

（1）具有相同价电子对数的分子，中心原子的杂化轨道类型相同，价电子对分布的几何构型也相同。

（2）如果分子中中心原子的杂化轨道上存在孤电子对，价电子对之间的斥力大小顺序为：

孤电子对与孤电子对之间的斥力＞孤电子对与成键电子对之间的斥力＞成键电子对与成键电子对之间的斥力，且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减小，键角也减小。

1.价电子对数相同的分子，其空间构型都相同吗？

以价电子对数为4的分子举例说明。

【提示】　CH4、NH3、H2O分子的价电子对数均为4，CH4呈正四面体构型，NH3为三角锥型，H2O为V形。

教材整理2　等电子原理

1.原理

具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构特征。

2.应用

①判断一些简单分子或离子的立体构型。

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。

2.CH4与NH

属于等电子体吗？

二者的空间构型如何？

【提示】　二者互为等电子体，均为正四面体型。

[合作·探究]

ABm型分子或离子的价层电子对的计算与空间构型的分析探究

价层电子对数的一般计算方法：

对于ABm型分子（A是中心原子，B是配位原子），分子的价电子对数可以通过下式确定：

即n＝

。

规定：

①作为配体，卤素原子和氢原子提供1个电子，氧族元素的原子不提供电子；②作为中心原子，卤素原子按提供7个电子计算，氧族元素的原子按提供6个电子计算，即中心原子的价电子数等于中心原子的最外层电子数；③对于复杂离子，在计算价电子对数时，还应加上阴离子的电荷数或减去阳离子的电荷数；④计算价电子对数时，若剩余1个电子，亦当作1对电子处理。

⑤双键、三键等多重键作为1对电子看待。

请完成下列表格：

分子或离子

价层电

子对数

价层电子

对构型

分子或离子

空间构型

（1）CO2

（2）BF3

（3）CCl4

（4）CO

（5）NH

（6）NH3

（7）H2O

【提示】　

（1）2　直线形　直线形

（2）3　平面三角形　平面三角形

（3）4　正四面体型　正四面体型

（4）3　平面三角形　平面三角形

（5）4　正四面体型　正四面体型

（6）4　正四面体型　三角锥型

（7）4　正四面体型　V形

[核心·突破]

1.ABm型中心原子价层电子对，杂化类型和分子构型的关系

杂化

类型

价电子对数

成键电子对数

孤电子对数

分子空间构型

实例

sp

2

2

0

直线形

BeCl2、CO2

sp2

3

3

0

平面三角形

BF3、SO3

2

1

V形

SnBr2、PbCl2

sp3

4

4

0

正四面体型

CH4、CCl4

3

1

三角锥型

NH3、PCl3

2

2

V形

H2O

2.价层电子对的另外一种分析方法

（1）价层电子对的推算

（2）离子的中心原子孤电子对的求算。

离子的中心原子孤电子对的计算也可利用公式：

中心原子孤电子对数＝

（a－xb），对于阳离子，a＝外围电子数－离子电荷数；对于阴离子，a＝外围电子数＋|离子电荷数|（x为与中心原子结合的原子数，b为中心原子结合的原子最多能接受的电子数）。

[题组·冲关]

题组1　价层电子对互斥模型的应用

1.用价层电子对互斥理论判断SO3的分子构型为（　　）

A.正四面体型　　　　B.V形

C.三角锥型.D.平面三角形

【解析】　SO3分子中S原子的价电子对数＝

＝3，由于结合3个O原子，故成键电子对数为3，孤电子对数是0，其分子为平面三角形构型。

【答案】　D

2.下列分子或离子中，中心原子价层电子对的几何构型为四面体且分子或离子的空间构型为V形的是（　　）

【导学号：

61480042】

A.NH

.B.PH3

C.H3O＋.D.OF2

【解析】　如果中心原子价层电子对的几何构型为四面体，则应该是sp3杂化，V形结构由3个原子构成，所以D选项正确；A选项中，三角锥型的NH3结合一个H＋变为四面体结构；B选项中，PH3为三角锥型；C选项中，H2O为V形，H2O结合一个H＋变为三角锥型结构。

【答案】　D

3.用价层电子对互斥模型推测下列分子的空间构型：

（1）H2S　

（2）NH

　（3）BF3　（4）CHCl3　（5）SiF4

【解析】　根据原子的最外层电子的排布，可以判断出本题分子的中心原子含有的孤电子对数和结合的原子数为：

化学式

H2S

NH

BF3

CHCl3

SiF4

中心原子含有孤电子对数

2

2

0

0

0

中心原子结合的原子数

2

2

3

4

4

根据上述的数据不难判断出各种分子的空间构型。

【答案】　

（1）H2S为V形　

（2）NH

为V形　（3）BF3为平面正三角形　（4）CHCl3为四面体　（5）SiF4为正四面体

题组2　等电子原理的应用

4.根据等电子原理：

由短周期元素组成的粒子，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，可互称为等电子体，它们具有相似的结构特征。

以下各组粒子结构不相似的是（　　）

A.CO和N2.B.O3和NO

C.CO2和N2O.D.N2H4和C2H4

【解析】　N2H4和C2H4原子数相同，外围电子数分别为14、12，二者不是等电子体，故结构不相似。

【答案】　D

5.1919年，langmuir提出等电子原理：

原子数相同、最外层电子总数相同的分子，互称为等电子体。

等电子体的结构相似、物理性质相近。

（1）根据上述原理，仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是：

________和________；________和________。

（2）此后，等电子原理又有发展。

例如：

由短周期元素组成的物质中，与NO

互为等电子体的分子有：

________。

【解析】　

（1）仅由第二周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，N2与CO均为14个电子，N2O与CO2均为22个电子，符合题意。

（2）依据等电子原理的发展，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和也相同，即可互称为等电子体。

NO

是三原子构成的离子，最外层电子（价电子）数之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也是三原子，价电子总数为6×3＝18。

【答案】　

（1）N2O　CO2　N2　CO　

（2）O3、SO2