資源簡介

2.2 第2課時　價電子對互斥理論　等電子原理
【學習目標】
1.知道什么是價電子對,初步認識價電子對互斥理論。
2.能用價電子對互斥理論預測簡單離子或分子的空間結構。 　
【自主預習】
一、價電子對互斥理論
1.價電子對互斥理論
(1)基本觀點:分子中的中心原子的價電子對——成鍵電子對(bp)和孤電子對(lp)由于　　　　作用,處于不同的空間取向且盡可能趨向于彼此遠離。
(2)空間取向的說明:
a.兩個原子之間的成鍵電子不論是單鍵還是多重鍵,都看作一個空間取向;
b.一對　　　　可以看作一個空間取向。
(3)孤電子對數的計算方法:
中心原子上的孤電子對數=(中心原子的價電子數-其他原子的未成對電子數之和)/2。
說明: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。
2.價電子對與分子空間結構的對應關系
ABn 價電子對數 空間結構模型 分子的空間結構 鍵角
n=2 2 　　　 180°
n=3 3 三角形 　　　
n=4 4 　　　 109°28'
n=5 5 　　　 90°、120°
n=6 6 　　　 90°
二、等電子原理
1.基本觀點:　　　　相同且　　　　相等的分子或離子具有相同的　　　　和相同的　　　　等結構特征。
2.應用舉例
利用等電子原理可以推斷一些簡單分子或原子團的空間結構。
(1)CO、CN-與N2互為等電子體,則CO的結構式為　　　　,CN-的結構式為　　　　。
(2)CS2與CO2互為等電子體,則CS2的結構式為　　　　,碳原子的雜化類型為　　　　,分子空間結構為　　　　。
(3)N、C、SO3與BF3互為等電子體,則它們的空間結構為　　　　。
(4)PH3、AsH3、H3O+等與NH3互為等電子體,它們的空間結構為　　　　。
(5)S、P、Si與CCl4互為等電子體,它們的空間結構為　　　　。
【參考答案】一、1.(1)相互排斥　(2)孤電子對　2.直線形　120°　四面體形　三角雙錐形　八面體形
二、1.化學通式　價電子總數　空間結構　化學鍵類型
2.(1)C≡O　[C≡N]-　(2)SCS　sp　直線形　(3)三角形　(4)三角錐形　(5)正四面體形
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)CH2Cl2分子只有一種,可說明CH4的空間結構為正四面體形。 (　　)
(2)根據價電子對互斥理論,H3O+的空間結構為平面正三角形。 (　　)
(3)SO2分子與CO2分子的組成相似,故它們都是直線形分子。 (　　)
(4)分子的VSEPR模型與分子的空間結構一定一致。 (　　)
(5)當中心原子上無孤電子對時,分子的VSEPR模型與分子的空間結構一致。 (　　)
(6)NH3分子中心原子孤電子對數為0,空間結構為三角錐形,鍵角為107.3°。 (　　)
(7)正四面體結構的分子中鍵角一定是109°28'。 (　　)
【答案】(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×
2.H2O分子與CO2分子、NH3分子與BF3分子,這兩組分子中的原子個數相同,為何空間結構不同
【答案】H2O和NH3中心原子上的孤電子對也要占據中心原子周圍的空間,并參與相互排斥。因而H2O分子呈角形,NH3分子呈三角錐形。而CO2和BF3中心原子上無孤電子對,分子的空間結構與雜化軌道模型相同,分別為直線形和平面三角形。
3.科學家研制出有望成為高效火箭推進劑的N(NO2)3,其結構如圖所示,已知該分子中N—N—N鍵角都是108.1°。
試推測四個氮原子圍成的空間是正四面體形嗎
【答案】不是;由于N—N—N鍵角都是108.1°。所以四個氮原子圍成的空間不是正四面體形,而是三角錐形。
4.VSEPR模型與空間結構之間有什么關系
【答案】價電子對互斥理論說明的是價電子對的空間結構,而分子的空間結構指的是成鍵電子對的空間結構,不包括孤電子對。①當中心原子無孤電子對時,兩者的空間結構一致;②當中心原子有孤電子對時,兩者的空間結構不一致。
【合作探究】
任務1：價電子對互斥理論及其應用
情境導入　二氧化硫是工業上制取硫酸的中間產物,也是化石燃料燃燒過程中產生的主要污染物之一。排放到大氣中的二氧化硫可形成酸雨,使水質酸化,危害森林,破壞土壤,腐蝕石刻、建筑等。當空氣中的二氧化硫濃度達到一定值時可引起眼結膜炎、急性支氣管炎,達到極高濃度時可導致聲門水腫、肺水腫和呼吸道麻痹。已知其分子式為SO2。據此回答下列問題。
問題生成
1.請計算SO2的成鍵電子對數、孤電子對數、價層電子對數。
【答案】SO2分子中的中心原子是S,成鍵電子對數為2。孤電子對數=(a-xb)=×(6-2×2)=1,價電子對數=2+1=3。
2.根據SO2的成鍵電子對數和孤電子對數推測中心原子的雜化類型是什么 其空間結構是什么
【答案】由于其價電子對數是3,故其中心原子的雜化類型是sp2雜化;其空間結構為角形。
【核心歸納】
1.價電子對數的確定方法
(1)a表示中心原子的價電子數。
對于主族元素:a=最外層電子數;
對于陽離子:a=價電子數-離子電荷數;
對于陰離子:a=價電子數+|離子電荷數|。
(2)x表示與中心原子結合的原子數。
(3)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。
2.根據價電子對互斥理論定性預測分子的空間結構
價電子對互斥理論模型指的是價電子對的空間結構,而分子的空間結構指的是成鍵電子對空間結構,不包括孤電子對。
(1)當中心原子無孤電子對時,兩者的結構一致;
(2)當中心原子有孤電子對時,兩者的結構不一致。
(3)常見分子的空間結構
價電子對數目 電子對的空間結構 成鍵電子對數 孤電子對數 分子的空間結構 實例
2 直線形 2 0 直線形 BeCl2 CO2
3 平面三角形 3 0 平面三角形 BF3 BCl3
2 1 角形 SnBr2 PbCl2
4 四面體形 4 0 正四面體形 CH4 CCl4
3 1 三角錐形 NH3 NF3
2 2 角形 H2O
3.雜化軌道類型的判斷
(1)對于ABm型分子、中心原子的雜化軌道數的計算:
n=。
其中配位原子中,鹵素原子、氫原子提供1個價電子,硫原子、氧原子不提供價電子,即提供價電子數為0。
例如:
代表物 雜化軌道數(n) 雜化軌道類型
CO2 (4+0)=2 sp
CH2O (4+2+0)=3 sp2
CH4 (4+4)=4 sp3
SO2 (6+0)=3 sp2
NH3 (5+3)=4 sp3
H2O (6+2)=4 sp3
(2)離子的雜化軌道計算:
n=(中心原子的價電子數+配位原子的成鍵電子數±電荷數)。
代表物 雜化軌道數(n) 雜化軌道類型
N (5+1)=3 sp2
N (5-1+4)=4 sp3
【典型例題】
【例1】下列判斷錯誤的是(　　)。
A.SO2、CS2都是直線形的分子
B.BF3鍵角為120°
C.BF3、SO3都是平面三角形的分子
D.CH4、NH3、H2O分子的鍵角依次減小
【答案】A
【解析】SO2中價層電子對數=2+×(6-2×2)=3,含有1對孤電子對,所以SO2為角形結構,CS2為直線形結構,A項錯誤;BF3中價層電子對數=3+×(3-3×1)=3,為平面三角形結構,所以BF3鍵角為120°,B項正確;BF3、SO3中中心原子價層電子對數都是3且不含孤電子對,所以這兩種分子都是平面三角形結構,C項正確;CH4分子中的C原子沒有孤電子對,NH3分子中N原子上有1對孤電子對,H2O分子中O原子上有2對孤電子對,對成鍵電子對的排斥作用增大,故鍵角減小,D項正確。
【例2】已知P與Cl形成的化合物有PCl3、PCl5,其中PCl5分子結構如圖。下列說法正確的是(　　)。
A.PCl5分子中5個P—Cl鍵鍵能完全相同
B.PCl5分子中每個原子都達到8電子穩定結構
C.PCl5受熱失去兩個Cl原子生成平面三角形的PCl3
D.PCl5分子中鍵角(Cl—P—Cl)有90°、120°、180°三種
【答案】D
【解析】鍵長越短,鍵能越大,所以5個P—Cl鍵的鍵能不完全相同,A項錯誤;中心原子P形成5個共用電子對,P原子達到10個電子結構,B項錯誤;PCl3的中心原子價層電子對數都是3+=4且含有一個孤電子對,為三角錐形結構,C項錯誤;根據圖知,平面上鍵角(Cl—P—Cl)為120°、上頂點和平面上的Cl原子形成的鍵角(Cl—P—Cl)有90°,上下頂點和P原子形成的鍵角(Cl—P—Cl)為180°,D項正確。
方法歸納：1.由于孤電子對比成鍵電子對更靠近中心原子的原子核,因而價電子對之間的斥力大小順序:孤電子對與孤電子對之間的斥力>孤電子對與成鍵電子對之間的斥力>成鍵電子對與成鍵電子對之間的斥力。
2.孤電子對數越多,與成鍵電子對斥力越大,成鍵原子所形成的鍵角越小。例如H3O+和H2O鍵角大小,H3O+中中心原子O上的孤電子對數為1,而H2O中中心原子O上孤電子對數為2,所以H3O+的鍵角大于H2O分子的鍵角。
3.結構相同的物質,元素的電負性越大,吸引鍵合電子的能力越強,成鍵電子對距離中心原子較近,成鍵電子對之間的斥力越大,鍵角越大。例如NH3、PH3、AsH3中,中心原子都是sp3雜化,都有1對孤電子對,NH3分子的中心原子N的電負性大,成鍵電子對距離中心原子較近,鍵角更大,所以這三種物質鍵角由大到小的順序為NH3>PH3>AsH3。
任務2：等電子原理及其應用
情境導入　笑氣(N2O)是一種無色、有甜味、能溶于水的氣體,因吸入能致人發笑而得名。笑氣在醫學上曾被用作“麻醉劑”,過度吸食會導致身體機能紊亂。加熱硝酸銨可以得到笑氣和水:NH4NO3N2O↑+2H2O。
問題生成
1.N2O和CO2互為等電子體嗎 據此判斷N2O的電子式、結構式和空間結構。
【答案】互為等電子體;N2O的電子式為,結構式為NON,空間結構為直線形。
2.NH3和H3O+兩種微粒是等電子體嗎 為什么 若是,微粒的空間結構是什么
【答案】NH3和H3O+兩種微粒的原子和價電子總數都相等,是等電子體,二者的空間結構相似,均為三角錐形。
【核心歸納】
1.等電子體判斷
原子總數和價層電子總數相等的粒子互為等電子體。
2.等電子體原理應用
互為等電子體的粒子的某些性質和結構相似。例如,CO2和N2O互為等電子體,均是直線形分子。
3.常見等電子體
粒子 通式 價電子總數 空間結構
CO2、SCN-、N、、 N2O、COS、CS2 AX2 16e- 直線形
C、N、SO3 AX3 24e- 平面三角形
SO2、O3、N AX2 18e- 角形
S、P AX4 32e- 正四面體形
P、S、Cl AX3 26e- 三角錐形
CO、N2、 AX 10e- 直線形
CH4、N AX4 8e- 正四面體形
【典型例題】
【例3】已知原子總數和價電子總數相同的離子或分子的空間結構相似,如SO3、N 都是平面三角形。下列分子或離子中與S具有相似空間結構的是(　　)。
A.PCl5 B.CCl4
C.NF3 D.
【答案】B
【解析】S的原子總數為5,價電子數為32,CCl4的原子總數為5,價電子數為4+4×7=32,故與S有相似空間結構(均為正四面體形);PCl5分子中價電子數為5+7×5=40,NF3分子中價電子數為5+7×3=26,的價電子數為5×3+1=16。
【例4】互為等電子體的粒子的結構相似,物理性質相似。下列各組粒子中,空間結構相似的是(　　)。
A.SO2與N B.CO2與NO2
C.CS2與NO2 D.PCl3與BF3
【答案】A
【解析】SO2與N互為等電子體,空間結構相似,A項正確;CO2與NO2、CS2與NO2、PCl3與BF3價電子數都不同,都不是等電子體。
【隨堂檢測】
1.硒(Se)是ⅥA族元素,則SeS3的空間結構是(　　)。
A.正四面體形 B.角形
C.三角錐形 D.平面三角形
【答案】D
【解析】SeS3中的Se元素呈+6價,Se原子的價層電子對全部用于形成共價鍵,Se周圍有3個硫原子,故其空間結構為平面三角形,D項正確。
2.下列描述中正確的是(　　)。
A.BF3是三角錐形分子
B.Cl的空間結構為三角錐形
C.SF6中有6對完全相同的成鍵電子對
D.SiF4和S的VSEPR模型相同
【答案】C
【解析】BF3中中心原子上的價電子對數=3+×(3-3×1)=3,無孤電子對,為平面三角形結構,A項錯誤;Cl中Cl原子的價電子對數=4+×(7+1-4×2)=4,不含有孤電子對,所以為正四面體形,B項錯誤;SF6中心原子S的價電子對數=6+×(6-6×1)=6,無孤電子對,SF6中含有6個S—F鍵,所以SF6中有6對完全相同的成鍵電子對,C項正確;SiF4和S的中心原子價電子對數分別為4+×(4-4×1)=4、3+×(6+2-3×2)=4,VSEPR模型分別為正四面體形、四面體形,D項錯誤。
3.下列敘述中正確的是(　　)。
A.CS2為角形的極性分子,微粒間的作用力為范德華力
B.Cl的空間結構為平面三角形
C.氯化硼(BCl3)的B原子價電子對數為4,含有一對孤電子對,呈三角錐形
D.SiF4和S的中心原子均為sp3雜化,SiF4分子呈正四面體形,S呈三角錐形
【答案】D
【解析】CS2為直線形分子,分子間只存在分子間作用力,A項錯誤;Cl中Cl原子價電子對數=3+=4,且Cl原子上孤電子對數為1,則該微粒為三角錐形,B項錯誤;氯化硼(BCl3)的B原子價電子對數=3+=3,B原子不含孤電子對,該分子為平面正三角形,C項錯誤;SiF4中Si原子價電子對數=4+=4,且Si原子不含孤電子對,S中S原子價電子對數=3+=4,且S原子上孤電子對數為1,SiF4為正四面體形,S為三角錐形,D項正確。
4.H2O2的結構式為H—O—O—H,下列有關H2O2的說法正確的是(　　)。
A.是直線形分子
B.是三角錐形分子
C.氧原子有1對孤電子對
D.氧原子的價層電子對數為4
【答案】D
【解析】H2O2中的每個氧原子有6個價電子,形成了2個σ鍵,故還有4個電子沒有成鍵,孤電子對數為2,價層電子對數為4,C項錯誤,D項正確;以氧為中心的三個原子呈角形結構,H2O2中相當于有兩個角形結構,故不可能是直線形或三角錐形分子,A、B兩項錯誤。
5.磷不僅在地殼中分布廣泛,也存在于動植物體內,是動植物不可缺少的元素之一。請回答下列問題:
(1)磷單質有白磷、紅磷和黑磷,三者互為　　　　　　　　　　　　。
(2)磷的氫化物(PH3)是一種無色、劇毒、有魚腥臭味的氣體,該分子的空間結構為　　　　　　　　。
(3)磷的含氧酸根有P、P、P,它們的空間結構分別是　　　　　、　　　　　、　　　　　。
【答案】(1)同素異形體
(2)三角錐形
(3)角形　三角錐形　正四面體形
【解析】(2)PH3的結構與NH3類似,為三角錐形。(3)P、P、P中,P的價電子對數均為=4,孤電子對數分別為2、1、0,則P為角形,P為三角錐形,P為正四面體形。
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