2020版高中化学 第2章 第2节 共价键与分子的空间构型 第2课时学案 鲁科版选修3

2020版高中化学 第2章 第2节 共价键与分子的空间构型 第2课时学案 鲁科版选修3

第2课时　价电子对互斥理论　等电子原理 ‎[学习目标定位]　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构型。‎ 一、价电子对互斥理论 ‎1．价电子对互斥理论的基本内容：分子中的价电子对(成键电子对)和孤电子对由于相互排斥作用，尽可能趋向彼此远离。‎ ‎(1)当中心原子的价电子全部参与成键时，为使价电子斥力最小，就要求尽可能采取对称结构。‎ ‎(2)当中心原子的价电子部分参与成键时，未参与成键的孤电子对与成键电子对之间及孤电子对之间、成键电子对之间的斥力不同，从而影响分子的空间构型。‎ ‎(3)电子对之间的夹角越大，相互之间的斥力越小。‎ ‎(4)成键电子对之间斥力由大到小顺序：叁键—叁键＞叁键—双键＞双键—双键＞双键—单键＞单键—单键。‎ ‎(5)含孤电子对的斥力由大到小顺序：孤电子对—孤电子对＞孤电子对—单键＞单键—单键。‎ ‎2．价电子对互斥理论与分子的空间构型 ‎(1)分析中心原子中的价电子全部参与形成共价键的分子的空间构型并完成下表(由中心原子周围的原子数n来预测)：‎ ABn 空间构型 范例 n＝2‎ 直线形 CO2、BeCl2‎ 13‎ n＝3‎ 平面三角形 CH2O、BF3‎ n＝4‎ 正四面体形 CH4、CCl4‎ n＝5‎ 三角双锥形 PCl5‎ n＝6‎ 正八面体形 SF6‎ ‎(2)中心原子上有孤电子对(价电子中未参与形成共价键的电子对)的分子的空间构型：中心原子上的孤电子对占据中心原子周围的空间，与成键电子对互相排斥，使分子的空间构型发生变化，如：‎ ‎①H2O为AB2型分子，氧原子上的两对孤电子对参与互相排斥，所以H2O分子的空间构型为V形而不是直线形。‎ ‎②NH3分子中氮原子上有一对孤电子对参与互相排斥，故NH3的空间构型不能为平面三角形。‎ ‎③常见分子的价电子对互斥模型和空间构型 σ键成 键电子 对数 孤电子 对数 价电子对 数目 电子对 的排列 方式 价电子对 空间构型 分子或离 子的空间 构型　　‎ 实例 ‎2‎ ‎0‎ ‎2‎ 直线形 直线形 BeCl2、‎ CO2‎ ‎3‎ ‎0‎ ‎3‎ 三角形 平面 三角形 BF3、BCl3‎ ‎2‎ ‎1‎ V形 PbCl2‎ ‎4‎ ‎0‎ ‎4‎ 四面 体形 正四面 体形 CH4、CCl4‎ ‎3‎ ‎1‎ 三角锥形 NH3‎ ‎2‎ ‎2‎ V形 H2O ‎(1)ABm型分子中心原子价电子对数目的计算方法 ABm型分子(A是中心原子，B是配位原子)中价电子对数n的计算：‎ 13‎ n＝ ‎(2)在计算中心原子的价电子对数时应注意如下规定 ‎①作为配位原子，卤素原子和H原子均提供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。‎ ‎③对于复杂离子，在计算价电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数。如PO中P原子价电子数应加上3，而NH中N原子的价电子数应减去1。‎ ‎④计算电子对数时，若剩余1个电子，即出现奇数电子，也把这个单电子当作1对电子处理。‎ ‎⑤双键、叁键等多重键作为1对电子看待。‎ 例1　根据价电子对互斥理论及原子的杂化轨道理论判断，NF3分子的空间构型和中心原子的杂化方式为(　　)‎ A．直线形、sp1杂化 B．平面三角形、sp2杂化 C．三角锥形、sp2杂化 D．三角锥形、sp3杂化 答案　D 解析　(1)NF3分子中N原子价电子对数＝＝4N原子价电子对空间构型为四面体形NF3为三角锥形。‎ ‎(2)NF3分子中，N原子杂化轨道数＝＝4N原子杂化轨道(sp3杂化)‎ 空间构型为四面体形NF3为三角锥形。‎ 方法规律 ‎(1)根据价电子对互斥理论分析分子或离子空间构型，关键是分析分子或离子中的中心原子的成键电子对数和孤电子对数。‎ ‎(2)中心原子的价电子对数等于中心原子的杂化轨道数。‎ 价电子对数目 ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ 中心原子杂化方式 sp1‎ sp2‎ sp3‎ 例2　用价层电子对互斥理论(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间构型，有时也能用来推测键角大小。下列判断正确的是(　　)‎ A．SO2、CS2、HI都是直线形的分子 ‎ B．BF3键角为120°，SnBr2键角大于120°‎ C．COCl2、BF3、SO3都是平面三角形的分子 13‎ D．PCl3、NH3、PCl5都是三角锥形的分子 答案　C 解析　SO2是V形分子，CS2、HI是直线形的分子，A错误； BF3键角为120°，是平面三角形结构，而Sn原子价电子数是4，在SnBr2中两个价电子与Br形成共价键，还有一对孤对电子，对成键电子有排斥作用，使键角小于120°，B错误；COCl2、BF3、SO3都是平面三角形的分子，键角是120°，C正确； PCl3、NH3都是三角锥形的分子，而PCl5是三角双锥形结构，D错误。‎ 二、等电子原理 ‎1．比较N2和CO的结构、性质，填写下表空格：‎ 分子 N2‎ CO 结构 原子数 ‎2‎ ‎2‎ 电子数 ‎14‎ ‎14‎ 价电子数 ‎10‎ ‎10‎ 空间构型 直线形 直线形 性质 沸点/℃‎ ‎－195.81‎ ‎－191.49‎ 熔点/℃‎ ‎－210.00‎ ‎－205.05‎ 液体密度/g·cm－3‎ ‎0.796‎ ‎0.793‎ ‎2.分析比较N2和CO的结构和性质，你能得出的结论是CO分子和N2分子具有相同的原子总数、相同的价电子数，即等电子体，其性质相近。‎ ‎3．等电子原理是指化学通式相同、价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间构型和化学键类型等结构特征，它们的许多性质(主要是物理性质)是相近的。满足等电子原理的分子或离子互称为等电子体。‎ ‎(1)等电子体判断方法 化学通式相同，价电子总数相等的分子或离子互为等电子体。‎ ‎(2)常见的等电子体 类型 实例 空间构型 双原子10价电子 N2、CO、NO＋、C、CN－‎ 直线形 三原子16价电子 CO2、CS2、N2O、CNO－、NO、N、SCN－、BeCl2‎ 直线形 三原子18价电子 NO、O3、SO2‎ V形 四原子24价电子 NO、CO、BO、SiO、BF3、SO3‎ 平面三角形 四原子26价电子 NF3、PCl3、NCl3、SO 三角锥形 13‎ 五个原子8价电子 CH4、NH、SiH4‎ 正四面体形 五个原子32价电子 SiF4、CCl4、BF、SO、PO 例3　等电子体的结构相似、物理性质相似，下列各对粒子中，空间结构相似的是(　　)‎ A．SO2与O3 B．CO2与NO2‎ C．CS2与NO2 D．PCl3与BF3‎ 答案　A 方法规律——等电子体应用 ‎(1)判断一些简单分子或离子的空间构型；‎ ‎(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性质找等电子体。‎ 例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，也可互称等电子体，它们也具有相似的结构特征。‎ ‎(1)仅由第2周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是________和________；________和________。‎ ‎(2)在短周期元素组成的物质中，与NO互为等电子体的分子有________。‎ 答案　(1)N2　CO　CO2　N2O　(2)SO2、O3‎ 解析　(1)仅由第2周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，如N2与CO价电子总数均为10，CO2与N2O价电子总数均为16个电子。‎ ‎(2)依题意，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和也相同，即可互称等电子体，NO为三原子，各原子最外层电子数之和为5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也为三原子，各原子最外层电子数之和为6×3＝18。‎ 方法规律——替换法写等电子体 ‎(1)同主族替换法 同主族元素最外层电子数相等，故可将粒子中一个或几个原子换成同主族元素原子，如O3与SO2、CO2与CS2互为等电子体。‎ ‎(2)左右移位法 ‎①将粒子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与CO、N和CNO－互为等电子体。‎ ‎②将粒子中的一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素带n个单位电荷的阳离子(或阴离子)，如C与O、N2O和N互为等电子体。‎ ‎(3)叠加法 互为等电子体的微粒分别再增加一个相同的原子或同主族元素的原子，如N2O与CO2互为等电子体。‎ 13‎ ‎1．价电子对互斥理论，杂化轨道理论应用 ‎2．等电子体化学通式相同，价电子总数相同，其结构相似，物理性质相似。‎ ‎1．下列有关价层电子对互斥理论的描述正确的是(　　)‎ A．价层电子对就是σ键电子对 B．孤电子对数由分子式来确定 C．分子的空间构型是价层电子对互斥的结果 D．孤电子对数等于π键数 答案　C 解析　价层电子对数是σ键数与孤电子对数之和，孤电子对数是指没有成键的价电子对数，其与中心原子价层电子总数、与中心原子结合的原子最多能接受的电子数及与中心原子结合的原子数有关，A、B、D项错误。‎ ‎2．已知CN－与N2互为等电子体，可推算出HCN分子中σ键与π键的数目之比为(　　)‎ A．1∶3 B．2∶1‎ C．1∶1 D．1∶2‎ 答案　C 解析　CN－与N2互为等电子体，二者结构相似，C原子与N原子之间形成叁键，则HCN分子的结构式为H—C≡N，叁键中含有1个σ键、2个π键，单键属于σ键，故HCN分子中σ键与π键的数目之比为2∶2＝1∶1。‎ ‎3．下列分子或离子的中心原子带有一对孤电子对的是(　　)‎ A．H2O B．BeCl2‎ C．CH4 D．PCl3‎ 答案　D 解析　将选项中各物质的未知数据代入公式：‎ 中心原子上的孤电子对数＝×(a－xb)，经计算知，选项中原子上的孤电子对数依次为2、0、0、1。‎ 13‎ ‎4．下列分子或离子中，中心原子价电子对的空间构型为四面体形，且分子或离子空间构型为V形的是(　　)‎ A．NH B．PH3‎ C．H3O＋ D．OF2‎ 答案　D 解析　对ABm型分子中心原子价电子对数：‎ n＝ NH中，n＝＝4，成键电子对数为4，离子空间构型为正四面体形；PH3中，n＝＝4，成键电子对数为3，孤电子对数为1，分子为三角锥形；H3O＋中，n＝＝4，成键电子对数为3，孤电子对数为1，分子为三角锥形；OF2中，n＝＝4，成键电子对数为2，孤电子对数为2，分子为V形。‎ ‎5．用价层电子对互斥理论完成下列问题。‎ ‎(1)‎ σ键成键电子对数 孤电子对数 空间构型 H2Se BCl3‎ PCl3‎ SO2‎ SO ‎(2)用价电子对互斥理论推断甲醛中H—C—H的键角________(填“＞”“＜”或“＝”)120°。‎ 答案　(1)‎ σ键成键电子对数 孤电子对数 空间构型 H2Se ‎2‎ ‎2‎ V形 BCl3‎ ‎3‎ ‎0‎ 平面三角形 PCl3‎ ‎3‎ ‎1‎ 三角锥形 SO2‎ ‎2‎ ‎1‎ V形 SO ‎4‎ ‎0‎ 正四面体形 ‎(2)＜‎ 13‎ 解析　(2)甲醛分子式为CH2O，C原子的价电子对数为×(4＋2＋0)＝3，孤电子对数为0，所以CH2O为平面分子，由于C==O与C—H之间的排斥作用大于2个C—H键之间的排斥作用，所以甲醛分子中C—H键与C—H键之间的夹角小于120°。‎ ‎6．请解答下列各题：‎ ‎(1)写出与H2O分子互为等电子体的两种微粒的化学式：________________、________________。‎ ‎(2)写出一种与NO互为等电子体的微粒的化学式：‎ ‎________________。‎ ‎(3)CaCN2中阴离子为CN，与CN互为等电子体的分子的化学式为____________________，可推知CN的空间构型为____________________形。‎ 答案　(1)H2S　NH　(2)CO(或BF3、SiO、SO3等)　(3)CO2(或N2O)　直线 解析　(1)用S原子替换H2O中的O原子得等电子体H2S；用N原子替换H2O中的O原子且增加1个负电荷得等电子体NH。‎ ‎(2)用C原子或Si原子替换NO中的N原子，同时需增加1个负电荷得等电子体CO、SiO；用S原子替换NO中的N原子，同时需减掉1个负电荷得等电子体SO3；同理推出BF3与SO3为等电子体。‎ ‎(3)用2个O原子替换CN中的2个N原子，同时需去掉2个负电荷，得其等电子体CO2；用1个O原子替换CN中的1个C原子，同时需去掉2个负电荷得其另一等电子体N2O，由于CO2为直线形分子，故CN也是直线形分子。‎ ‎[对点训练]‎ 题组1　价电子对互斥理论及应用 ‎1．下列微粒中，含有孤对电子的是(　　)‎ A．SiH4 B．H2O C．CH4 D．NH 答案　B 解析　SiH4、H2O、CH4、NH的电子式分别为、、、，只有H2O分子中的O原子上有2对孤对电子。‎ 13‎ ‎2．下列微粒的价层电子对数正确的是(点“·”的原子为中心原子)(　　)‎ A.H4　4 B.O2　‎1 C.F3　2 D.O3　2‎ 答案　A 解析　对ABm型分子中心原子价电子对数n＝CH4中，n＝＝4，A正确；CO2中，n＝＝2，B不正确；BF3中，n＝＝3，C不正确；SO3中，n＝＝3，D不正确。‎ ‎3．用价电子对互斥理论预测H2S和BF3的空间构型，两个结论都正确的是(　　)‎ A．直线形；三角锥形 B．V形；三角锥形 C．直线形；平面三角形 D．V形；平面三角形 答案　D 解析　在H2S中，价电子对数为4，若无孤电子对存在，则其应为正四面体形。但中心原子S上有两对孤电子对，而且孤电子对也要占据中心原子周围的空间，它们相互排斥，因此H2S为V形结构。在BF3中，价电子对数为3，其中心原子B上无孤电子对，因此BF3应为平面三角形。‎ ‎4．下列分子或离子中，空间构型不是三角锥形的是(　　)‎ A．PCl3 B．CH C．BBr3 D．H3O＋‎ 答案　C 解析　‎ 微粒 价电子对数 孤电子对数 价电子对空间构型 分子空间构型 CH ‎4‎ ‎1‎ 四面体形 三角锥形 PCl3‎ ‎4‎ ‎1‎ 四面体形 三角锥形 BBr3‎ ‎3‎ ‎0‎ 平面三角形 平面三角形 H3O＋‎ ‎4‎ ‎1‎ 正四面体形 三角锥形 ‎5.根据VSEPR模型判断下列各组分子或离子结构相同的是(　　)‎ A．SO2和CO2 B．BF3和NH3‎ C．NH3和H2O D．CH4和NH 答案　D 解析　A项中，SO2分子中S有一对孤电子对，而CO2分子中没有孤电子对，因此SO2为V形而CO2为直线形；B项中，BF3中B无孤电子对，而NH3‎ 13‎ 中有一对孤电子对，因此其构型分别为平面三角形和三角锥形；C项中，其构型分别为三角锥形和V形；D项中，中心原子的成键情况相同，故分子结构也相同，为正四面体形。‎ ‎6．若ABn的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤对电子，运用价电子对互斥模型，下列说法正确的是(　　)‎ A．若n＝2，则分子的空间构型为V形 B．若n＝3，则分子的空间构型为三角锥形 C．若n＝4，则分子的空间构型为正四面体形 D．以上说法都不正确 答案　C 解析　若中心原子A上没有未用于成键的孤对电子，则根据斥力最小的原则，当n＝2时，分子结构为直线形；n＝3时，分子结构为平面三角形；n＝4时，分子结构为正四面体形。‎ ‎7．(2018·曹妃甸一中期末)下列关于价层电子对互斥模型(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构型 B．分子中价电子对相互排斥决定了分子的空间构型 C．中心原子上的孤对电子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 答案　D 解析　VSEPR模型可用来预测分子的空间构型，注意实际空间构型要去掉孤电子对， A正确；空间构型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构型， B正确；中心原子上的孤对电子也要占据中心原子周围的空间并参与互相排斥，且孤电子对间排斥力＞孤电子对和成对电子对间的排斥力， C正确；分子的稳定性与键角没有关系， D不正确。‎ ‎8．已知在CH4中，C—H键间的键角为109.5°，NH3中，N—H键间的键角为107.3°，H2O中O—H键间的键角为104.5°，则下列说法中正确的是(　　)‎ A．孤电子对与成键电子对间的斥力大于成键电子对与成键电子对间的斥力 B．孤电子对与成键电子对间的斥力小于成键电子对与成键电子对间的斥力 C．孤电子对与成键电子对间的斥力等于成键电子对与成键电子对间的斥力 D．题干中的数据不能说明孤电子对与成键电子对间的斥力与成键电子对与成键电子对间的斥力之间的大小关系 答案　A 题组2　等电子原理及应用 ‎9．与NO互为等电子体的是(　　)‎ A．SO2 B．BF‎3 C．CH4 D．NO2‎ 13‎ 答案　B 解析　等电子体是化学通式和价电子总数均相同的粒子，NO的原子数是4，价电子数是24，与其互为等电子体的是BF3。‎ ‎10．(2017·武汉二中月考)等电子体之间结构相似，物理性质也相近。根据等电子原理可知，由短周期元素组成的粒子，只要其原子总数和价电子总数相同，均可互称为等电子体。下列各组粒子不能互称为等电子体的是(　　)‎ A．CO和NO B．O3和SO2‎ C．CO2和NO D．SCN－和N 答案　C ‎11．根据等电子原理：由短周期元素组成的微粒，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。以下各组微粒结构不相似的是(　　)‎ A．CO和N2 B．O3和NO C．CO2和N2O D．N2H4和C2H4‎ 答案　D 解析　只有N2H4和C2H4不是等电子体。‎ ‎12．(2017·黑龙江牡丹江一高高二月考)下列关于等电子体的说法中，正确的是(　　)‎ A．N2与CO不互为等电子体，故它们的熔、沸点及溶解度相差较大 B．PO与SO不互为等电子体，故结构不相似 C．NO与O3互为等电子体，故NO为O3的同素异形体 D．苯与硼氮苯互为等电子体，故硼氮苯中含有大π键 答案　D 解析　N2与CO原子数目相等，价电子总数相等，互为等电子体，A错误；PO与SO原子数目相等，价电子总数相等，互为等电子体，结构相似，B错误；NO与O3互为等电子体，但不互为同素异形体，C错误；苯与硼氮苯互为等电子体，结构相似，苯分子结构中含有大π键，则硼氮苯中同样含有大π键，D正确。‎ ‎[综合强化]‎ ‎13．为了解释和预测分子的空间构型，科学家在归纳了许多已知分子空间构型的基础上，提出了一种十分简单的理论模型——价层电子对互斥理论。这种模型把分子分成两类：一类是________________________________________________________________________；‎ 另一类是_______________________________________________________。‎ BF3和NF3都是四个原子的分子，BF3的中心原子是__________，NF3的中心原子是__________；BF3分子的空间构型是平面三角形，而NF3分子的空间构型是三角锥形的原因是________________________________________________________________________‎ 13‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　中心原子上的价电子都用于形成共价键　中心原子上有孤电子对　B　N　BF3分子中B原子的3个价电子都与F原子形成共价键而成平面三角形；而NF3分子中N原子的3个价电子与F原子形成共价键，还有1对未成键的孤电子对，占据了N原子周围的空间，参与相互排斥，形成三角锥形 ‎14．硒是一种非金属，可以用作光敏材料、电解锰行业催化剂。‎ ‎(1)Se是元素周期表中第34号元素，其基态原子的核外电子排布式为________________。‎ ‎(2)根据价电子对互斥理论，可以推知SeO3分子的空间构型为____________，其中Se原子采用的轨道杂化形式为____________。‎ ‎(3)CSe2与CO2结构相似，CSe2分子内σ键与π键个数之比为____________。CSe2首次是由H2Se与CCl4反应后制取的，CSe2分子内的键角____________(填“大于”“等于”或“小于”)H2Se分子内的键角。H—Se—H键角____________(填“大于”“等于”或“小于”)AsH3分子内的H—As—H键角。‎ 答案　(1)1s22s22p63s23p63d104s24p4(或[Ar]3d104s24p4)　(2)平面三角形　sp2　(3)1∶1　大于　 小于　‎ 解析　(1) Se位于第4周期ⅥA族，所以其基态原子价电子排布式为3d104s24p4，然后再写电子排布式。(2)SeO3分子中Se原子的价电子对数为×(6＋0)＝3，成键电子对数为3，孤电子对数为0，所以Se原子采取sp2杂化，该分子为平面三角形。(3)根据等电子原理和价电子对互斥理论，CSe2与CO2结构相似，CSe2分子内σ键与π键均为2个。CSe2与CO2均为直线形分子，键角为180°，H2Se与H2O互为等电子体，Se采取sp3杂化， H—Se—H键角接近水分子内H—O—H键角(104.5°)。AsH3与NH3互为等电子体，As采取sp3杂化，H—As—H键角接近107.3°。根据杂化轨道理论，中心原子采取sp1杂化的键角>中心原子采取sp3杂化的键角。中心原子都采取sp3杂化时，中心原子孤电子对数越多，键角越小。‎ ‎15．等电子体的结构相似、物理性质相近，称为等电子原理。如N2和CO为等电子体。下表为部分元素等电子体分类、空间构型表。‎ 等电子体类型 代表物质 空间构型 三原子18电子等电子体 SO2‎ V形 四原子24电子等电子体 SO3‎ 平面三角形 四原子26电子等电子体 SO 三角锥形 五原子32电子等电子体 CCl4‎ 四面体形 回答下列问题：‎ ‎(1)写出下列物质离子的空间构型：‎ 13‎ BrO________________，CO________________，‎ PO________________，NO________________。‎ ‎(2)由第2周期元素组成，与F2互为等电子体的离子有 ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)CNO－与CO2是等电子体，则CNO－中C原子的杂化方式是_________________，CNO－的结构式为__________________________________。‎ 答案　(1)三角锥形　平面三角形　四面体形　V形　(2)O　(3)sp1　[N==C==O]－‎ 解析　(1)互为等电子体的物质结构相似。BrO为四原子26电子体，所以其结构与SO相似，为三角锥形；CO为四原子24电子体，与SO3的结构相似，为平面三角形；同理可知PO为正四面体形，NO与SO2和O3为等电子体，为V形。‎ ‎(2)F2为双原子18电子体，所以由第2周期元素组成，与F2互为等电子体的离子有O。‎ ‎(3)CNO－的结构与CO2相似，故C原子采取sp1杂化，结构式为[N==C==O]－。‎ 13‎