1、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
2、肩”的方式形成含有六个电子、属于六个碳原子的大键。4杂化轨道的类型杂化类型spsp2sp3用于杂化的原子轨道及数目s111p123杂化轨道的数目234杂化轨道间的夹角18012010928空间结构直线形平面三角形正四面体形实例CO2、C2H2BF3、SO3CH4、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
3、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，lplplpbpbpbp。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)应用判断一些简单分子或原子团的空间结构。aSO、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。bSO、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。利用等电子体在性质上的相似性制造新材料。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
4、杂化就形成多少个杂化轨道。()(2)杂化轨道用于形成键。()(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9010928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，
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()ABCDDA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
6、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ssp3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
7、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20直线形HCCH、BeCl2、CO2sp2平面三角形30平面三角形BF3、BCl321角形SnBr2、PbCl2sp3四面体形40正四面体形CH4、CCl431三角锥形NH3、NF322角形H2O微点拨：(1)杂化轨道只用于形成键或容纳孤电子对。(2)未参与杂化的p轨道可用于形成键。【例1】下列说法正确的是()A中心原子为sp3杂
8、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键D通过sp2或sp杂化轨道形成的化合物分子中一定含有键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
9、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()ANH3BH2OCCO2DCCl4CNH3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
10、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BCH4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Csp3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
11、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sp3sp3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
12、)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(40)2spCH2O(420)3sp2CH4(44)4sp3SO2(60)3sp2NH3(53)4sp3H2O(62)4sp3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(51)3sp2NH(514)4sp3(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
13、系如下表：价电子对数目23456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220直线形直线形BeCl2330三角形三角形BF321角形SnBr2440四面体形四面体形CH431三角锥形NH322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22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化学通式相同。价电子总数相等。
14、(2)等电子原理的应用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。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()ACO2BCOCH2ODCCl4CCO2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个键，中心原子C原子的孤电子对数(4223)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
15、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(621)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(414)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()CH4NH3CF4SiH4C2H4CO2ABCDBC原子与Si原子的价
16、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CH4、CF4和SiH4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()ACH4和NH互为等电子体，键角均为60BNO和CO互为等电子体，均为平面三角形结构CH3O和PCl3互为等电子体，均为三角锥形结构DB3N3H6和苯互为等电子体，B3N3H6分子中不存在“肩并肩”式重叠的轨道BCH4和NH的原子数都是5，价电子总数都是8，互为
17、等电子体，空间结构为正四面体结构，键角为10928，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，存在键，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(n1,2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
18、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：lplplpbpbpbp。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
19、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OH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个键、1个键，它们分别是()Asp2杂化轨道形成键、未杂化的2p
20、轨道形成键Bsp2杂化轨道形成键、未杂化的2p轨道形成键CCH之间是sp2杂化轨道形成的键，CC之间是未参加杂化的2p轨道形成的键DCC之间是sp2杂化轨道形成的键，CH之间是未参加杂化的2p轨道形成的键A乙烯分子中存在4个CH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杂化轨道形成的键，碳碳双键中有1个是sp2杂化轨道形成的键，还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的键，A正确。3下列微粒中，含有孤电子对的是()ASiH4BH2O CCH4DNHB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
21、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()ACS2是角形分子BSnBr2键角大于120CBF3是三角锥形分子DNH键角等于10928DCS2中中心原子C原子的孤电子对数为(422)0，价电子对数为202，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(421)1，键个数为2，价电子对数为213，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
22、B原子上的孤电子对数为(331)0，键个数为3，价电子对数为303，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(5141)0，键个数为4，价电子对数为404，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10928，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_。SCl键的键长_PCl键的键长(填“”“”或“”)，原因是_。(4)碳负离子(C
23、H)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34，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原子的价电子对数键个数孤电子对数3(6131)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SCl键键长比PCl键键长小。(4)CH中中心原子C原子的价电子对数3(4131)4
24、，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SCl键要比PCl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、HCCH、HCN等sp平面三角形BF3、BCl3、SO3、NO、CO等
25、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sp3平面三角形sp24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
26、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，未杂化轨道形成键，杂化轨道形成键。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中心原子的键数中心原子的孤电子对数(双键、三键中只有一个键，其余均为键)。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个键，用去基态氮原子5
27、个价电子中的3个，余下1对孤电子对，n4，则环外氮原子采用sp3杂化；环内氮原子分别形成2个键、1个键，用去基态氮原子5个价电子中的3个，余下1对孤电子对，n3，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
28、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个键B碳酰氯分子中的C原子为sp3杂化C甲醛分子中的HCH键角与碳酰氯分子中的ClCCl键角相等D碳酰氯分子的空间结构为平面三角形，分子中存在一个键D甲醛分子中有3个键，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HCH键角与碳酰氯分子中的ClCCl键角不相等，C不正确；碳酰氯分子的空间结构为平面
29、三角形，碳与氧形成的双键中有一个是键，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()ACHCH2CH3B*CH2=CHCH3CCH2=*CHCH2CH3DHC*CCH3ACH4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，CC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_，
30、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(441)404，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(531)314，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(6242)404，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