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1、 1/9 第二节 共价键与分子的空间结构 第 2 课时 教学目标 1.初步了解价层电子对互斥理论，能运用价层电子对互斥模型预测简单分子的空间结构。2.了解等电子原理，结合实例说明“等电子原理的应用”。3.利用价电子对互斥理论预测分子空间结构过程中，发现八隅体规则、价电子对互斥理论的局限性，发展模型认知能力，继续提升对科学本质的认识。教学重难点 1.应用价层电子对互斥模型预测简单分子或离子的空间结构。2.中心原子上的孤电子对数的计算。教学过程 一、新课导入【复习旧知】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
2、180 120 10928 杂化轨道示意图 实例 BeCl2 BF3 CH4 分子结构示意图 分子的空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形 二、讲授新课 1.寻找影响分子空间结构的因素【交流研讨】氮原子的价电子排布为 2s22p3，三个 2p 轨道中各有一个未成对电子，可分别 2/9 与一个氢原子的 1s 电子形成一个 键。如果真是如此，那么三个 2p 轨道相互垂直，所形成的氨分子中NH键的键角应约为90。但是，实验测得的氯分子中NH键的键角为107.3。试解释其键角不是 90的原因，并与同学们交流讨论。【讲解】氮原子的 2s 和 2p 轨道发生 sp3杂化形成 sp3杂化轨道，轨道间夹角为
3、 10928。氮原子与三个氢原子形成三个 键，在另外一个 sp3杂化轨道中，含有一个未成键的孤电子对。在这四个 sp3杂化轨道中，有三个轨道各含有一个未成对电子，可分别与一个氢原子的 1s 电子形成一个 键，还有一个 sp3杂化轨道中已有两个电子(孤电子对)，不能再与氢原子形成 键。因此，一个氮原子与三个氢原子结合形成氨分子。【讲述】引导学生得出由于中心原子的孤对电子占有一定的空间，对其他成键电子对存在排斥力，影响其分子的空间结构。引出价层电子对互斥理论。【提问】CH4具有怎样的空间结构？为什么 CH4呈四面体而不是正方形？下面我们通过搭建模型的方式体会、验证。【模型制作】将 4 个大小相同的
4、气球系在一起，它会自动排列成什么形状？【演示活动】四个气球会自动排列成为四面体的形状。这是由于气球之间相互排斥，彼此要尽可能远离。CH4中的四根 CH 键是 4 对共用电子，电子对均为负电，彼此之间的排斥与气球的排斥类似，因此 4 对电子也彼此远离，最终 CH4呈现出了最稳定的正四面体形。【模型制作】请大家运用手头的气球，变换气球的个数分别为 2 个和 3 个，观察它们会自然排列成怎样的空间结构。2.构建价层电子互斥理论模型 3/9【板书】价层电子对互斥理论【讲解】杂化轨道理论可以解释分子的空间结构，但对未知分子空间结构的预测性不强。有一种比较简单的理论叫做价层电子对互斥(VSEPR)理论，它
5、可以用来预测分子的空间结构。该理论的的基本观点为：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。两个原子间的成键电子不论是单键还是多重键，都看作一个空间取向，即成键电子对等于 键的数目，一对价电子对有一个空间取向。【讲解】常见的价电子对数目和空间取向如下。注意：价层电子对是指分子中的中心原子与结合原子间的 键电子对和中心原子上的孤电子对。多重键只计算其中的 键电子对，不计 键电子对。价电子对数 2 3 4 5 6 空间取向 空间结构 空间结构名称 直线形 平面三角形 三角锥形 三角双锥形 正八面体形【讲述】当中心原子无
6、孤电子对时，即价电子对全是成键电子对，则价电子对的空间结构即为分子或离子的空间结构。如当价电子对为 2、3、4、5、6 时，分子的空间结构分别为直线形、三角形、四面体形、三角双锥形和八面体形。【提问】(1)NH3为什么是三角锥形而不是平面三角形？【讲解】N 原子共 5 个价电子，其中 3 个单电子，与 3 个 H 形成 3 个 键，还有一对孤对电子。VSEPR 中价层电子对除了共用的 键电子对，还包含中心原子上的孤电子对。4/9 【提问】(2)为什么在考虑分子形状时要先考虑中心孤对电子排斥，但是最终确定分子形状时又要将其略去？【讲解】因孤对电子独属中心原子，而共用电子对共属于中心原子，它们均在
7、中心原子的周围，它们之间的排斥是客观存在的。分子形状描述的是组成分子的原子之间的几何学关系，与孤对电子无关。事实上，在用仪器(如晶体 X 射线衍射)测定分子形状时，观察到的是原子之间的位置关系，观察不到孤对电子。【提问】(3)CH4和 NH3中中心原子的价电子对数均为 4，为何 HCH 的键角为 10928，而 HNH 的键角为 107.3？【讲解】相比成键电子对受到左右两端带正电的原子核的吸引，而孤对电子只受到一端原子核的吸引。相比之下，孤对电子对较“胖”一些，占据较大的空间；而成键电子对较“瘦”，占据较小的空间。孤电子对与成键电子对之间的斥力也要大一些。N 上的孤电子对对成键电子对“挤压”
8、的更厉害，使键角减小。【模型制作】请利用橡皮泥和牙签制作 CH4和 NH3的空间结构模型。注意 NH3中孤对电子的影响，正确表示分子中的键角。与小组的同学分享交流你的成果。【提问】请你类比 CH4和 NH3的例子，用杂化轨道理论和价层电子互斥理论解释 H2O 的空间结构。【讲解】在形成 H2O 时，O 的 1 个 2s 轨道和 3 个 2p 轨道发生了 sp3杂化，形成了 4 个 sp3杂化轨道，它们在空间的分布呈正四面体形。其中 2 个 sp3杂化轨道与 2 个 H 的 1s 轨道重叠形成 2个OH 键；另两个 sp3杂化轨道中已各有两个电子，不能再与H的1s 轨道重叠。由于 H2O 中存在
9、在 2 对孤对电子，它们对成键电子对的排斥作用较强，所以 H2O 呈 V 形，键角为 104.5。5/9 【拓展视野】当价电子对包含孤电子对且成键电子对中也有多重键时，由于它们之间的斥力不同，会对分子的空间结构产生影响。通常，多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序可定性地表示为：三键三键 三键双键 双键双键 双键单键 单键单键 lplp lpbp bpbp【讲解】例如，H2O 和 NH3的中心原子上分别有 2 个和 1 个孤电子对，加上中心原子上的 键电子对，它们的中心原子上的价层电子对数都是 4，这些价层电子对相互排斥，形成四面体形的 VSEPR 模型。略去 VSEPR 模型中的中心原子
10、孤电子对，便得到了 H2O 的空间结构为 V 形，NH3的空间结构为三角锥形。3.应用价层电子互斥理论【提问】给定一个分子的化学式，如何根据 VSEPR 模型预测其分子结构？其中要遵循怎样的步骤？【思维启迪】应用 VSEPR 模型的关键是确定分子中的中心原子上的价层电子对数。这也是该理论抓住的影响分子结构的核心矛盾。通过对 CH4、NH3的案例分析，我们可知：价层电子对数=键电子对数 中心原子上的孤对电子对数【提问】(1)键电子对数如何确定？【讲解】键电子对数可由化学式确定。例如 H2O 中的中心原子为 O，O 有 2 个 键电子对(OH)；NH3中的中心原子为 N，N 有 3 个 键电子对(
11、NH)；SO3中的中心原子为 S，有 7/9 格。【讲解】分子或离子 中心原子 a x b 中心原子上的孤电子对数 SO2 S 6 2 2 1 NH4+N 4 4 1 0 CO32 C 6 3 2 0 NO3 N 6 3 2 0 ClO3 Cl 8 3 2 1 三、课堂小结 1.价层电子对互斥理论 2.价层电子对之间的斥力 电子对之间的夹角越小，斥力越大。分子中电子对之间的斥力大小顺序：孤电子对孤电子对孤电子对成键电子对成键电子对成键电子对。由于三键、双键比单键包含的电子多，所以斥力大小顺序：三键双键单键。3.常见分子的 VSEPR 模型和空间结构 分子或离子 中心原子上的孤电子对数 中心原子
12、上的价层电子对数 VSEPR 模型 VSEPR 模型名称 空间结构 空间结构名称 CO2、BeCl2 0 2 直线形 直线形 CO32、BF3 0 3 平面三角形 平面三角形 SO2、PbCl2 1 V 形 CH4、CCl4 0 4 正四面体形 正四面体形 NH3、NF3 1 四面体形 三角锥形 H2O、H2S 2 V 形 8/9 4.应用 VSEPR 模型预测分子的空间结构的一般步骤：(1)“识”中心原子(2)“算”价层电子对数：键电子对数和孤电子对的计算公式(3)“定”VSEPR 模型(4)“略”孤电子对(5)“得”分子的空间结构 对价层电子对互斥模型的评价：它对分子空间结构的预测少有失误
13、，但是它不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子。四、课堂练习 例 1.应用价层电子对互斥模型判断下列分子或离子的空间结构，完成表格。分子或离子 中心原子上的孤电子对数 中心原子上的价层电子对数 VSEPR 模型 分子或离子的 空间结构名称 BF3 0 3 平面三角形 平面三角形 NH4+0 4 正四面体形 正四面体形 SO32 1 4 四面体形 三角锥形 CS2 0 2 直线形 直线形 H2S 2 4 四面体形 V 形 CH2O 0 3 平面三角形 平面三角形【提问】如果像乙醛 CH2O 这样的分子，与中心原子结合的原子种类有多种，应该如何计算？【讲解】键电子对数计算方法不变；孤电子对数=(a
14、-xb)/2，对这一计算式稍加推广，即 孤电子对数=(a-x1b1-x2b2)/2 脚标 1、2 分别代表不同种的原子，更多种类的原子同理。故 CH2O 中中心原子的孤电子对数=(4-12-21)/2=0 例 2.运用价层电子对互斥模型解释为何 CH4、NH3、H2O 中的键角依次减小？CH4、NH3、H2O 三种分子中中心原子上的价层电子对数均为 4 对，VSEPR 模型均为四面体形。但三种分子中，CH4上的孤电子对数为 0，NH3上的孤电子对数为 1，H2O 上的孤电 9/9 子对数为 2。由于孤电子对占据较大空间，因此电子对间的排斥力有如下关系：孤对孤对 孤对成键 成键成键。孤电子对较大的斥力对成键电子对“挤压”的更厉害，使键角减小。因此，在价层电子对数一定时，孤电子对越多，键角越小。例 3.运用价层电子对互斥模型比较NO2+和NO2的键角大小。NO2+中心原子上的价层电子对数为 2，孤电子对数为 0，VSEPR 模型是直线形，离子的空间结构是直线形，键角为 180 NO2中心原子上的价层电子对数为 3，孤电子对数为 1，VSEPR 模型是平面三角形，离子的空间结构是 V 形，考虑到孤电子对的斥力更大，键角应小于 120 故键角NO2+NO2