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分子的空間結構與物質性質
分子的空間結構
分子結構的測定
思考：肉眼不能看到分子，那么，科學家是怎樣知道分子的結構的呢？
早年科學家主要靠對物質的____________進行系統總結得出規律后進行推測，現代科學家應用了許多測定分子結構的現代儀器和方法，如 __________、__________ 等
①紅外光譜在測定分子結構中的應用
分子中的原子不是固定不動的，而是不斷地振動著的。原子與原子結合依靠的是原子間的化學鍵，這些化學鍵就像彈簧，通過震動來化解原子間的伸縮振動，從而保持物質的狀態。
應用原理：當一束紅外線透過分子時，分子會吸收跟它的某些 __________ 的振動頻率相同的紅外線，再記錄到圖譜上呈現 __________。通過和已有__________比對，或通過__________計算，可以得知各吸收峰是由哪種__________、哪種__________方式引起的，綜合這些信息，可分析分子中含有何種__________ 或 __________的信息。
例：
通過紅外光譜圖，發現未知物中含有O-H、C-H和C-O的振動吸收，可初步推測該未知物中含有羥基
②質譜法在測定分子相對分子質量中的應用：現代化學常利用質譜儀測定分子的相對分子質量
原理：在質譜儀中使分子失去電子變成帶________的分子離子和碎片離子等粒子。由于生成的離子具有不同的相對質量，它們在高壓電場加速后，通過狹縫進入磁場得以分離，在記錄儀上呈現一系列峰，化學家對這些峰進行系統分析，便可得知樣品分子的相對分子質量。
③多樣的分子空間結構
大多數分子是由兩個以上原子構成的，于是分子就有了原子的幾何學關系和形狀，這就是分子的空間結構。
價層電子互斥模型
思考：三原子分子CO2和H2O、四原子分子NH3和CH2O，為什么它們的空間結構不同？
1940年，希吉維克和坡維爾在總結實驗事實的基礎上提出了一種簡單的理論模型，用以預測簡單分子或離子的立體結構。這種理論模型后經吉列斯比和尼霍爾姆在20世紀50年代加以發展，定名為價層電子對互斥模型，簡稱VSEPR
（1）
觀察上述分子的電子式，找出它們成鍵電子的的不同點？
（2）
觀察上述分子的電子式，再對照其球棍模型，運用分類、對比的方法，分析結構不同的原因。
結論;由于中心原子的孤電子對占有一定空間，對其他成鍵電子對存在排斥力，影響其分子的空間結構。
①價層電子對： 分子的空間結構除了和中心原子與結合原子間的成鍵電子對有關，還和中心原子的孤電子對有關，兩者合稱為中心原子的“價層電子對”
②價層電子對互斥模型(VSEPR model)
ABn 型：中心原子A的價層電子對(包括成鍵的____________ 和未成鍵的 ____________)之間由于存在排斥力，將使分子的空間結構總是采取電子對____________最弱的那種結構，以使彼此之間____________ 最小，分子或離子的體系能量最低，最穩定；簡單地說，分子的空間結構是中心原子的“價層電子對”相互排斥的結果
價層電子對的計算：
中心原子價層電子對數＝σ鍵電子對數＋孤電子對數
σ鍵電子對數的計算：由化學式確定，即中心原子形成幾個σ鍵，就有幾對σ鍵電子對
注：若ABn型分子中，A與B之間通過兩對或三對電子(即通過雙鍵或三鍵)結合而成，則價層電子對互斥模型把雙鍵或三鍵作為一對電子對看待。
（2）中心原子上的孤電子對數的計算
中心原子上的孤電子對數＝（a-xb）
a表示中心原子的價電子數；
對主族元素：a＝ 最外層電子數 ；
對于陽離子：a＝ 價電子數－離子所帶電荷數； 對于陰離子：a＝ 價電子數＋離子所帶電荷數
x表示與中心原子結合的原子數。
b表示與中心原子結合的原子最多能接受的電子數，氫為1，其他原子＝8-該原子的價電子數
例1.SO2的中心原子為S，S的價電子數為___(即S的最外層電子數為___)，則a＝___；與中心原子S結合的O的個數為___，則x＝___；與中心原子結合的O最多能接受的電子數為___，則b＝___。所以，SO2 中的中心原子S上的孤電子對數為___
例2.計算中心原子上的孤電子對數
分子或離子 中心原子 a x b 中心原子上的孤電子對數
CO2
SO2
CO32-
NH4+
（3） 價層電子對的空間結構(即VSEPR模型)
價電子數目 2 3 4
VSEPR模型 直線形 平面三角形 正四面體形
用價層電子對互斥模型完成下列問題(點“·”的原子為中心原子)
σ鍵電子對數 孤電子對數 空間結構
H2Se
BCl3
PCl3
SO2
SO42-
OF2
ClF2+
（4） VSEPR模型的應用——預測分子空間結構
由價層電子對的相互排斥，得到含有孤電子對的VSEPR模型，然后，略去VSEPR模型中的中心原子上的____________ ，便可得到分子的空間結構。
例：中心原子不含孤電子對
注：①由于孤電子對有較大斥力，含孤電子對的分子的實測鍵角幾乎都小于VSEPR模型的預測值
②價層電子對之間相互排斥作用大小的一般規律：
孤電子對－孤電子對＞孤電子對－成鍵電子對＞成鍵電子對－成鍵電子對。隨著孤電子對數目的增多，成鍵電子對與成鍵電子對之間的斥力減小，鍵角也減小
③價層電子對互斥模型不能用于預測以過渡金屬為中心原子的分子
總結：預測分子的空間結構的步驟
雜化軌道理論
思考：甲烷分子呈正四面體形，它的4個C—H的鍵長相同，H—C—H的鍵角為109°28′。根據價鍵理論，甲烷的4個C—H單鍵都應該是σ鍵，然而，碳原子的4個價層原子軌道是3個相互垂直的2p軌道和1個球形的2s軌道，用它們跟4個氫原子的1s原子軌道重疊，不可能得到正四面體形的甲烷分子。為什么？
為了解決這一矛盾，1931年由鮑林等人在價鍵理論的基礎上提出雜化軌道理論，它實質上仍屬于現代價鍵理論，但是它在成鍵能力、分子的空間構型等方面豐富和發展了現代價鍵理論。
1.雜化軌道理論的含義：在外界條件影響下，原子內部能量相近的原子軌道重新組合形成新的原子軌道的過程叫做原子軌道的雜化。重新組合后的新的原子軌道，叫做雜化原子軌道，簡稱雜化軌道。
2.雜化軌道理論四要點：
①能量相近:原子在成鍵時，同一原子中能量相近的原子軌道可重新組合成雜化軌道
②數目不變(變：軌道的成分、能量、形狀、方向，使原子的成鍵能力增加)
：形成的雜化軌道數與參與雜化的原子軌道數相等且雜化軌道的能量相同
注：雜化軌道在角度分布上比單純的s或p軌道在某一方向上更集中，成鍵時根據最大重疊原理，重疊程度越大，形成的共價鍵越牢固
③成鍵能力增強：雜化改變原有軌道的形狀和伸展方向，使原子形成的共價鍵更牢固。
④排斥力最小：雜化軌道為使相互間的排斥力最小，故在空間取最大夾角分布，不同的雜化軌道伸展方向不同但形狀完全相同。
雜化軌道的類型;
①sp3雜化軌道——正四面體形
②sp雜化——直線形
雜化軌道類型與分子空間結構的關系
①當雜化軌道全部用于形成σ鍵時，分子或離子的空間結構與雜化軌道的空間結構相同
雜化類型 sp sp2 sp3
雜化夾角 180° 120° 109°28′
雜化軌道示意圖
實例 BeCl2 BF3 CH4
分子結構示意圖
分子空間結構 直線形 平面三角形 正四面體形
②當雜化軌道中有未參與成鍵的孤電子對時，孤電子對對成鍵電子對的排斥作用，會使分子或離子的空間結構與雜化軌道的形狀有所不同
ABn型分子 中心原子雜化類型 中心原子孤電子對數 空間結構 實例
AB2 sp2 1 V形 SO2
AB3 sp3 1 三角錐形 NH3、PCl3、NF3、H3O＋
AB2或(B2A) 2 V形 H2S、NH2-
判斷中心原子雜化軌道類型的三種方法
①方法一：根據雜化軌道數目判斷
雜化軌道只能用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對，而兩個原子之間只能形成一個σ鍵。雜化軌道數目＝價層電子對數目＝σ鍵電子對數目＋中心原子的孤電子對數目
雜化軌道數目 2 3 4
雜化類型 sp sp2 sp3
②方法二：根據雜化軌道的空間分布判斷
③方法三：根據雜化軌道之間的夾角判斷
注:有機物分子中碳原子雜化類型的判斷方法：飽和碳原子均采取sp3雜化；連接雙鍵的碳原子均采取sp2雜化；連接三鍵的碳原子均采取sp雜化

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