高中化学专题4分子空间结构与物质性质第一单元第1课时分子的空间构型学案苏教版 22页

第1课时　分子的空间构型[目标导航]　1.能用杂化轨道理论、价层电子对互斥模型及等电子原理解释或预测一些分子或离子的空间构型。2.知道一些常见简单分子的空间构型(如甲烷、氨分子、苯、乙烯等)。一、杂化轨道理论1．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成及结构根据杂化轨道理论，C原子是CH4分子的中心原子，其基态外围电子排布为2s22p2p2p，在形成CH4分子的过程中，C原子的1个2s电子激发到2p空轨道，只有一个未成对电子的2s轨道与3个均含有未成对电子的2p轨道混合起来，形成能量相等，成分相同的4个完全等同的sp3杂化轨道。然后，中心原子C以夹角均为109.5°的4个完全等同的sp3杂化轨道，分别与4个H原子的1s轨道重叠，形成4个sp3s型的σ键，故CH4分子的空间构型为正四面体。杂化轨道理论很好地解释了甲烷分子的正四面体结构。2．用杂化轨道理论解释BF3和BeCl2分子的形成及结构B原子的基态电子排布式为1s22s22p，在形成BF3分子的过程中，硼原子的一个2s电子激发到一个空的2p轨道中，1个2s轨道和2个2p轨道发生杂化，形成能量相同、成分相同的3个sp2杂化轨道。B原子的三个sp2杂化轨道间的夹角为120°，因此BF3具有平面三角形结构。Be原子的基态电子排布式是1s22s2，在形成BeCl2分子的过程中，Be的一个2s电子可以进入2p轨道，Be原子的1个2s轨道和1个2p轨道发生杂化，形成能量相等、成分相同的2个sp杂化轨道，Be原子的2个sp杂化轨道间的夹角为180°，因此BeCl2为直线形分子构型。n3．用杂化轨道理论分析乙烯和乙炔分子的成键情况在乙烯分子中，C原子由1个s轨道和2个p轨道进行杂化，组成3个等同的sp2杂化轨道，sp2杂化轨道夹角成120°。乙烯中两个碳原子各用1个sp2轨道重叠形成1个C—Cσ键外，各又以2个sp2杂化轨道分别与2个氢原子的1s轨道重叠，形成4个σ键，这样形成的5个键在同一平面上，每个C原子还剩下1个py轨道，它们垂直于这5个σ键所在平面，互相平行电子的自旋方向相反，沿着x轴平行地侧面重叠，形成π键。在乙炔分子中碳原子由1个2s轨道和1个2p轨道进行杂化，组成2个sp杂化轨道。2个sp杂化轨道夹角为180°，在乙炔分子中，两个碳原子各以1个sp轨道互相重叠，形成1个C—Cσ键，每一个碳原子又各以1个sp轨道分别与1个氢原子形成σ键，此外每个碳原子还有2个互相垂直的未杂化的2p轨道，它们与另一个碳的2个2p轨道两两互相侧面重叠形成两个π键。4．杂化轨道的类型与分子空间构型的关系杂化类型spsp2sp3参与杂化的原子轨道及数目ns111np123杂化轨道数目234杂化轨道间的夹角180°120°109.5°杂化轨道示意图空间构型直线形平面三角形正四面体n实例BeCl2、CO2、CS2BCl3、BF3、BBr3CF4、SiCl4、SiH4议一议1．氨气分子中氮原子的原子轨道也是发生sp3杂化，为什么氨气空间构型与甲烷不同？答案　NH3中N原子为sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道，但NH3分子空间构型不是正四面体型，而是三角锥型，是因为氮原子形成NH3时有一对孤电子对。2．指出下列原子的杂化轨道类型、分子的结构式和空间构型。(1)CO2分子中的C采用________杂化，分子结构式为________，空间构型为__________。(2)CH2O中的C采用________，分子的结构式为__________，空间构型为__________。(3)CH4分子中的C采用________杂化，分子的结构式为________，空间构型为__________。(4)H2S分子中的S采用__________杂化，分子的结构式为____________，空间构型为__________。(5)BeH2分子的中Be采用________杂化，分子结构式为__________，空间构型为__________。(6)BBr3分子中的Be采用________杂化，分子的结构式为__________，空间构型为__________。(7)PH3分子中的P采用__________杂化，分子的结构式为__________，空间构型为________。答案　(1)sp　O===C===O　直线形(2)sp2　　平面三角形(3)sp3　　正四面体型(4)sp3　　V形(5)sp　H—Be—H　直线形(6)sp2　　平面正三角形(7)sp3　　三角锥型二、价层电子对互斥模型1．价层电子对互斥模型的基本内容：分子中的价电子对(包括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。n(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。2．价层电子对互斥模型与分子的几何构型(1)中心原子中的价电子全部参与形成共价键的分子的几何构型如下表所示(由中心原子周围的原子数m来预测)：ABm几何构型示例m＝2直线形CO2、BeCl2m＝3平面三角形CH2O、BF3m＝4正四面体型CH4、CCl4(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)的分子的几何构型：中心原子上的孤电子对占据中心原子周围的空间，与成键电子互相排斥，使分子的几何构型发生变化，如：H2O、NH3等。议一议1．若ABm的中心原子A上没有未用于形成共价键的孤电子对，运用价层电子对互斥模型，下列说法正确的是(　　)A．若m＝2，则分子的空间构型为V形B．若m＝3，则分子的空间构型为三角锥型C．若m＝4，则分子的空间构型为正四面体型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电子对，则根据斥力最小的原则，当m＝2时，分子结构为直线形；m＝3时，分子结构为平面三角形；m＝4时，分子结构为正四面体型。2．CH4、NH3、H2O中心原子的杂化类型都为sp3，键角为什么依次减小？试用价层电子对互斥模型解释。答案　CH4、NH3、H2O中心原子都采取sp3杂化，中心原子的孤电子对数依次为0个、1个、2个。由于孤电子对比成键电子对更靠近中心原子的原子核，对共用电子对的排斥作用使键角变小，孤电子对数越多排斥作用越大，键角越小。三、等电子体的判断和应用1．等电子原理原子总数相同、价电子总数相同的分子或离子具有相同的结构特征。2．等电子体满足等电子原理的分子或离子称为等电子体。如CO和N2n具有相同的原子总数和相同的价电子总数，属于等电子体，它们的许多性质相似。3．应用举例等电子体具有相似的化学键特征和空间构型，它们的许多性质是相似的，利用等电子原理可以判断某些分子或离子的空间构型。(1)CO、CN－等与N2互为等电子体，则CO和CN－的结构式分别为C≡O、[C≡N]－。(2)CS2、N2O等与CO2互为等电子体，则CS2的结构式为S===C===S，空间构型为直线形。(3)NO、CO、SO3等与BF3互为等电子体，则NO的空间构型为平面三角形。(4)PH3、H3O＋、AsH3等与NH3互为等电子体，则PH3、H3O＋、AsH3的空间构型为三角锥型。(5)SO、PO、SiO、SiCl4、CCl4等互为等电体，则SO、PO等空间构型为正四面体。议一议1．已知CN－与N2互为等电子体，则HCN分子中σ键与π键的数目之比为多少？答案　1∶1。HCN中CN－与N2结构相同，含有三个键，一个σ键和两个π键；另外H和C之间形成一个σ键，所以HCN分子中σ键与π键数目之比为2∶2，即为1∶1。2．分别写出与N2、CO2互为等电子体的分子或离子。答案　CO、C、O；CS2、N2O、CSO、SCN－、N一、杂化轨道理论及分子空间构型与杂化轨道类型的关系1．杂化轨道理论要点(1)只有能量相近的原子轨道才能杂化。(2)杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等，杂化轨道能量相同。(3)杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。(4)杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同。(5)杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。(6)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。2．中心原子轨道杂化类型的判断方法1：根据价层电子对数判断杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳孤电子对，而两个原子之间只能形成一个σ键，故有下列关系：杂化轨道数＝价层电子对数＝中心原子孤电子对数＋中心原子结合的原子数。根据杂化轨道数判断杂化类型，如下表所示：nABm型分子中心原子价层电子对数中心原子孤电子对数中心原子结合的原子数杂化轨道类型示例AB2202spBeCl2、CO2312sp2SO2422sp3H2O、H2SAB3303sp2BF3、SO3、CH2O413sp3NH3、PCl3AB4404sp3CH4、CCl4方法2：根据共价键类型判断由于杂化轨道只用于形成σ键或容纳孤电子对，未参与杂化的轨道可用于形成π键，故有如下规律：(1)中心原子形成1个叁键，则其中有2个π键，是sp杂化，如：CH≡CH。(2)中心原子形成2个双键，则其中有2个π键，是sp杂化，如：O===C===O。(3)中心原子形成1个双键，则其中有1个π键，是sp2杂化，如：，CH2===CH2。(4)中心原子只形成单键，则按方法1判断。方法3：根据等电子原理判断等电子体的结构相似、空间构型也相似，中心原子杂化类型相同。如：H2O和H2S，CO2、CS2和N2O，BF3、SO3、NO和CO，CCl4、SO和PO，NF3，PCl3和SO等。3．分子的空间构型与杂化类型的关系(1)当杂化轨道全部用于形成σ键时，分子或离子的空间构型与杂化轨道的空间构型相同。sp杂化：直线形；sp2杂化：平面三角形；sp3杂化：正四面体构型(或四面体构型)。(2)当杂化轨道中有未参与成键的孤电子对时，孤电子对对成键电子对的排斥作用，会使分子或离子的空间构型与杂化轨道的形状有所不同。ABm型分子中心原子杂化类型中心原子孤电子对数空间构型实例AB2sp0直线形CO2、CS2、BeCl2、HCN、N2O等AB3sp20平面三角形BF3、BCl3、BBr3、SO3、CH2O、NOnAB2sp21V形SO2AB4sp30正四面体型CH4、SiF4、NH、SO、PO、SiOAB31三角锥型NH3、PCl3、NF3、H3O＋AB2或(B2A)2V形H2S、NH例1　下列分子中的中心原子杂化轨道类型相同的是(　　)A．CO2与SO2B．CH4与NH3C．BeCl2与BF3D．C2H4与C2H2解析　中心原子杂化轨道数＝中心原子价电子对数＝(中心原子的价电子数＋配位原子的成键电子数)实例价电子对数杂化类型BeCl2n＝×(2＋2)＝2spBF3n＝×(3＋3)＝3sp2CO2n＝×(4＋0)＝2spSO2n＝×(6＋0)＝3sp2CCl4n＝×(4＋4)＝4sp3NH3n＝×(5＋3)＝4sp3C2H2和C2H4中每个碳原子连接的原子个数分别为2、3个，每个C原子分别形成2个σ键、2个π键和3个σ键、1个π键，C原子杂化类型分别为sp杂化、sp2杂化。答案　B解题反思　(1)ABm型分子或离子中心原子杂化类型的判断思路：价层电子对互斥模型中心原子价电子对数中心原子杂化轨道数―→中心原子杂化类型。(2)含双键或叁键的分子中心原子的杂化轨道类型：根据中心原子σ键数目判断：如CO2、C2H2、C2H4、CH3CH3分子中C原子σ键数目分别为2、2、3、4；碳原子杂化轨道类型分别为sp、sp、sp2、sp3杂化。变式训练1　根据价层电子对互斥模型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(　　)nA．直线形　sp杂化B．三角形　sp2杂化C．三角锥型　sp2杂化D．三角锥型　sp3杂化答案　D解析　根据价层电子对互斥模型可知，NF3分子中N原子价电子对数为×(5＋3)＝4，N原子价电子对空间构型为四面体型，N原子周围有1对孤电子对，故NF3为三角锥型。根据杂化轨道理论可知，NF3分子中N原子杂化轨道数＝N原子孤电子对数＋N原子σ键数＝N原子价电子对数＝4。解题反思　二、利用价层电子对互斥模型判断分子或离子的空间构型1．价层电子对互斥模型的基本要点(1)ABm型分子或离子的空间构型取决于中心原子A价层电子对(包括成键电子对即σ键电子对和孤电子对)的相互排斥作用，分子的空间构型采取价层电子对相互排斥作用最小的那种结构。(2)若价电子对全部是成键电子对(即σ键电子对)，为使价电子对之间斥力最小则尽可能采取对称空间结构，若价电子对包含孤电子对时，则孤电子对和成键电子对之间、孤电子对之间和成键电子对之间的排斥作用不同，从而影响分子或离子的空间构型。(3)价电子对之间的相互排斥作用大小的一般规律：①叁键与叁键>叁键与双键>双键与双键>双键与单键>单键与单键。②孤电子对与孤电子对>孤电子对与成键电子对>成键电子对与成键电子对。(4)ABm型分子或离子价电子对数目和价电子对几何构型的关系：ABm价电子对数孤电子对数成键电子对数价电子对几何构型分子或离子空间构型m＝2202直线形直线形m＝3303平面三角形平面三角形312平面三角形V形m＝4404正四面体正四面体型413四面体三角锥型422四面体V形特别提醒　(1)价层电子对互斥模型指的是价电子对的几何构型，而分子的空间构型指的是成键电子对的空间构型，不包括孤电子对。n(2)当中心原子无孤电子对时，分子的空间构型与价电子对的几何构型一致；当中心原子有孤电子对时，分子的空间构型与价电子对的几何构型不一致。2．利用价层电子对互斥模型确定ABm型分子或离子空间构型的步骤(1)确定中心原子A价电子对数目利用公式n＝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。(2)确定价电子对的几何构型根据中心原子A的价电子对数，找出对应的几何构型价电子对数(n)234几何构型直线形平面三角形正四面体(3)确定分子或离子的空间构型①若中心原子A无孤电子对，则分子或离子的空间构型为价电子对的几何构型。②若中心原子A有孤电子对，则分子或离子的空间构型为略去中心原子孤电子对后的成键电子对的空间构型。特别提醒　可以根据孤电子对、成键电子对之间的相互排斥力的大小，确定排斥力最小的稳定结构，并推测这种结构对价层电子对互斥模型的偏离程度。例2　利用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间构型。(1)H2Se__________；(2)OF2__________；(3)BCl3__________；(4)NF3__________；(5)SiCl4__________；(6)SO2__________。解析　ABm型分子中价电子对数n＝价电子对数＝成键电子对数(σ键)＋孤电子对数微粒价电子对数孤电子对数价电子对几何构型分子空间构型nH2Se42四面体V形OF242四面体V形BCl330平面三角形平面三角形NF341四面体三角锥型SiCl440正四面体正四面体型SO231平面三角形V形答案　(1)V形　(2)V形　(3)平面三角形　(4)三角锥型　(5)正四面体　(6)V形变式训练2　根据价层电子对互斥模型，判断下列分子或者离子的空间构型不是三角锥型的是(　　)A．PCl3B．H3O＋C．HCHOD．PH3答案　C解析　PCl3分子中P原子的成键电子对数为3，孤电子对数为1，其价电子对的几何构型为四面体，分子的空间构型为三角锥型；同理，H3O＋和PH3分子的成键电子对数和孤电子对数均分别为3和1，分子的空间构型为三角锥型；HCHO分子的中心原子的价电子都用来形成共价键，中心原子周围的原子数为3，空间构型为平面三角形。故选C。解题反思　确定ABm型分子或离子空间构型的思路σ键电子对数＋中心原子上的孤电子对数＝中心原子上的价电子对数价层电子对互斥模型分子或离子的空间构型。三、等电子原理及应用1．判断方法原子总数相同，价电子总数相同的分子或离子。2．应用等电子体的许多性质是相近的，空间构型是相同的。利用等电子体可以：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物质找等电子体。3．常见等电子体及空间构型类型实例空间构型双原子10电子(价电子，下同)的等电子体N2、CO、NO＋、C、CN－直线形n三原子16电子的等电子体CO2、CS2、N2O、CNO－、NO、N、BeCl2(g)、CNS－直线形三原子18电子的等电子体NO、O3、SO2V形四原子24电子的等电子体NO、BF3、SO3(g)、CO、BO平面三角形五原子32电子的等电子体SiF4、PO、CCl4、BF、SO正四面体七原子48电子的等电子体SF6、PF、SiF正八面体例3　(1)根据等电子原理，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)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。在短周期元素组成的物质中，与NO互为等电子体的分子有：________。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。答案　(1)N2　CO　CO2　N2O　(2)SO2、O3解题反思　等电子体的确定方法(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N2O和N互为等电子体。(3)同主族元素最外层电子数相同，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。(4)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。变式训练3　根据等电子原理，回答下列问题。(1)CO分子的结构式为________。(2)已知反应CaC2＋2H2O―→CH≡CH↑＋Ca(OH)2。CaC2中C与O互为等电子体，O的电子式可表示为________；1molO中含有的π键的数目为________。(3)二氧化钛(TiO2)是常用的、具有较高催化活性和稳定性的光催化剂，常用于污水处理。O2在其催化作用下，可将CN－氧化成CNO－，进而得到N2。①写出一种与CN－互为等电子体的单质分子的结构式：________，根据等电子原理写出CO、HCN分子的结构式：________、________。n②与CNO－互为等电子体的分子、离子化学式分别为________、________(各写一种)。CNO－的空间构型为________，CNO－中σ键与π键的个数比为________。答案　(1)C≡O　(2)[O⋮⋮O]2＋　2NA(或1.204×1024)　(3)①N≡N　C≡O　H—C≡N②CO2(或N2O、CS2、BeCl2等)　N　直线形　1∶1解析　根据等电子原理、原子总数、价电子总数相同的分子或离子具有相似的结构特征和许多相近的性质来回答问题。(1)CO与N2互为等电子体，故CO结构式为C≡O。(2)由CaC2与H2O反应的产物CH≡CH，可推知CaC2中存在C，其电子式为[C⋮⋮C]2－，故C的等电子体O的电子式为[O⋮⋮O]2＋，1个O≡O键中含有1个σ键和2个π键，所以1molO中含有2NA或1.204×1024个π键。(3)①用O原子替换CN－中的N原子，同时减少1个负电荷，用N原子替换CN－中的C原子，同时减少1个负电荷，分别得到CN－的两种等电子体CO和N2。根据等电子体原理可推知CO和CN－的结构式分别为C≡O，[C≡N]－，则HCN的结构式为H—C≡N。②用O原子替换CNO－中的N原子同时要去掉1个负电荷可得CNO－的等电子体CO2，用S替换CO2中的O原子得等电子体CS2，CO与N2互为等电子体，用N2替换CNO－中的CO可得等电子体N，用N原子替换CNO－中的C原子同时要去掉1个负电荷得其等电子体N2O，CO2的结构式为O===C===O，所以CNO－的结构式为[N===C===O]－，空间构型为直线形，σ键与π键的数目比为2∶2＝1∶1。解题反思　确定分子或离子的空间构型(或共价键类型)的思路未知分子或离子的化学式已知结构的分子或离子的化学式―→已知分子或离子的空间构型(或共价键类型)未知分子或离子的空间构型(或共价键类型)。1．下列关于杂化轨道的说法错误的是(　　)A．所有原子轨道都参与杂化B．同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化C．杂化轨道能量集中，有利于牢固成键D．杂化轨道中不一定有电子答案　A解析　参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p能量相差太大，不能形成杂化轨道，即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A项错误，B项正确；杂化轨道的电子云一头大一头小，成键时利用大的一头，可使电子云重叠程度更大，形成牢固的化学键，故C项正确；并不是所有的杂化轨道中都会有电子，也可以是空轨道，也可以有一对孤电子对(如NH3、H2O的形成)，故D项正确。n2．下列分子的空间构型可用sp2杂化轨道来解释的是(　　)①BF3　②CH2===CH2　③④CH≡CH⑤PH3　⑥CH4A．①②③B．①⑤⑥C．②③④D．③⑤⑥答案　A解析　BF3、PH3、CH4中心原子的杂化轨道数分别为×(3＋3)＝3、×(5＋3)＝4、×(4＋4)＝4，所以B、P、C的杂化类型分别为sp2、sp3、sp3杂化。双键C原子采取sp2杂化、叁键C原子采取sp杂化，C2H4中C原子为sp2杂化，C2H2中C原子为sp杂化。C6H6中的C原子采取sp2杂化。3．下列关于杂化轨道的叙述正确的是(　　)A．杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成π键B．杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对C．NH3中氮原子的sp3杂化轨道是由氮原子的3个p轨道与氢原子的s轨道杂化而成的D．在乙烯分子中1个碳原子的3个sp2杂化轨道与3个氢原子的s轨道重叠形成3个C—Hσ键答案　B解析　杂化轨道只用于形成σ键，或用来容纳未参与成键的孤电子对，不能用来形成π键，故B正确，A不正确；NH3中氮原子的sp3杂化轨道是由氮原子的1个s轨道和3个p轨道杂化而成的，C不正确；在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道与2个氢原子的s轨道重叠形成2个C—Hσ键，剩下的1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成1个C—Cσ键，D不正确。4．下列离子的价电子对几何构型与其空间构型一致的是(　　)A．SOB．ClOC．NOD．ClO答案　B解析　SO中的价电子对数为4，且含一对孤电子对，所以其价电子对几何构型为四面体结构，而SO空间构型为三角锥型，A项错误；ClO中价电子对数为4，不含孤电子对，所以其价电子对几何构型与其空间构型一致，B项正确；NO的价电子对数为3，其中含有一对孤电子对，其价电子对几何构型与其空间构型不一致，C项错误；ClO的价电子对数为4，也含有一对孤电子对，D项错误。5．(1)写出与OH－互为等电子体的一种分子：________。n(2)写出与NO互为等电子体的两种微粒：________。(3)写出与C2O互为等电子体的一种分子：________。(4)写出与NH互为等电子体的一种分子：________。(5)写出与NO互为等电子体的一种离子和一种分子：________。(6)写出与N2H互为等电子体的一种分子：________。答案　(1)HF、HCl等　(2)CO2、N2O、CNO－、SCN－、N等　(3)N2O4　(4)CH4、SiH4等　(5)SO3、BF3、CO、SiO等　(6)C2H6解析　等电子体指的是具有相同的原子总数和价电子总数的分子或离子。(1)用F原子替换OH－中的O原子，同时去掉1个负电荷得其等电子体HF分子。(2)用1个N原子替换NO中的1个O原子，同时加上1个负电荷得等电子体N2O，用C原子替换NO中的1个N原子，同时加上1个负电荷得等电子体CO2，同理得等电子体N、SCN－、CNO－等。(3)用2个N原子替换C2O中的2个C原子，同时需要去掉2个负电荷得到C2O等电子体N2O4。(4)用C原子替换NH中的N原子，同时加上1个负电荷得等电子体CH4，用Si原子替换CH4中的C原子得等电子体SiH4。(6)用2个C原子替换N2H中的2个N原子，同时需要加2个负电荷，得等电子体C2H6。6．Ⅰ.(1)BCl3和NCl3中心原子的杂化方式分别为__________和________。(2)元素Y基态原子的3p轨道上有4个电子。在Y的氢化物(H2Y)分子中，Y原子轨道的杂化类型是________。Ⅱ.S与O可形成SO。(1)SO的空间构型为________(用文字描述)。(2)写出一种与SO互为等电子体的分子的化学式：____________。答案　Ⅰ.(1)sp2　sp3　(2)sp3　Ⅱ.(1)正四面体(2)CCl4或SiCl4等解析　Ⅰ.(1)杂化轨道用于形成σ键和容纳孤电子对。BCl3分子中硼原子形成3个σ键，无孤电子对，则硼原子采取sp2杂化。NCl3中氮原子形成3个σ键，且有1对孤电子对，则氮原子采取sp3杂化。(2)H2S中S采取sp3杂化。Ⅱ.(1)SO中硫原子采用sp3杂化，SO为正四面体型结构。(2)与SO互为等电子体的分子可以是CCl4或SiCl4等。n[基础过关]一、原子轨道杂化与分子空间构型1．形成下列分子时，中心原子采用sp3杂化轨道和另一个原子的p轨道成键的是(　　)①PF3　②CF4　③NH3　④H2OA．①②B．②③C．③④D．①④答案　A解析　PF3、CF4、NH3、H2O分子中P原子、C原子、N原子、O原子都采取sp3杂化，NH3和H2O分子中H原子以1s轨道与N或O原子形成σ键，PF3和CF4分子中F原子以2p轨道分别与P和C原子形成σ键。2．下列分子或离子中，不存在sp3杂化类型的是(　　)A．SOB．NH3C．C2H6D．SO2答案　D解析　A项，在SO中S原子采用sp3杂化类型，错误；B项，NH3中N原子采用sp3杂化类型，错误；C项，C2H6中C原子采用sp3杂化类型，错误；D项，SO2中S原子采用sp2杂化类型，正确。3．在SO2分子中，分子的空间构型为V形，S原子采用sp2杂化，那么SO2的键角(　　)A．等于120°B．大于120°C．小于120°D．等于180°答案　C解析　由于SO2分子的价电子对的几何构型为平面三角形，从理论上讲其键角应为120°，但是由于SO2分子中的S原子有一对孤电子对，对其他的两个化学键存在排斥作用，因此分子中的键角要小于120°。二、价层电子对互斥模型及其应用4．下列分子或离子中，空间构型不是三角锥型的是(　　)A．PCl3B．CHC．BBr3D．AsH3答案　C解析　根据价层电子对互斥模型分析：微粒价电子对数孤电子对数价电子对几何构型分子空间构型CH41四面体型三角锥型PCl341四面体型三角锥型nBBr330平面三角形平面三角形AsH341四面体型三角锥型5.下列各组微粒的空间构型相同的是(　　)①NH3和H2O　②NH和H3O＋　③NH3和H3O＋　④O3和SO2　⑤CO2和C2H2　⑥SiO和SOA．全部B．除①④⑥以外C．③④⑤⑥D．②⑤⑥答案　C解析　氨气是三角锥型，水是V形，①不正确；铵根离子是正四面体型，水合氢离子是三角锥型，②不正确；氨气和水合氢离子均是三角锥型，③正确；臭氧和二氧化碳均是V形，④正确；CO2和C2H2均是直线形，⑤正确；SiO和SO均是正四面体型，⑥正确，答案选C。6．用价层电子对互斥模型预测下列分子或离子的空间构型，其中不正确的是(　　)A．NH为正四面体型B．CS2为直线形C．HCN为折线形(V形)D．NCl3为三角锥型答案　C解析　NH、CS2、HCN、NCl3中心原子价电子对数分别为4对、2对、2对、4对，价层电子对互斥模型为四面体型、直线形、直线形、四面体型，其中前三者中心原子无孤电子对，空间构型就是价层电子对互斥模型，NCl3分子中有1对孤电子对，所以空间构型为三角锥型。三、等电子原理及应用7．已知原子数和价电子数相同的离子或分子结构相似，下列分子或离子中与SO有相似结构的是(　　)A．PCl5B．CCl4C．NF3D．N答案　B解析　SO的价电子数为32个，CCl4的原子数为5，价电子数为4＋4×7＝32，故与SO有相似结构(均为正四面体型)；PCl5分子中价电子数为5＋7×5＝40，NF3分子中价电子数为5＋7×3＝26，N的价电子数为5×3＋1＝16。8．N2的结构可以表示为，CO的结构可以表示为，其中椭圆框表示π键，下列说法中不正确的是(　　)A．N2分子与CO分子中都含有叁键B．CO分子与N2分子中的π键并不完全相同C．N2与CO互为等电子体D．N2与CO的化学性质相同答案　Dn解析　从题图可以看出，N2分子与CO分子中均含有一个σ键和两个π键，所以二者都含有叁键，A项正确；N2分子中的π键是由每个氮原子各提供两个p电子以“肩并肩”方式形成的，而CO分子中的一个π键是由氧原子单方面提供电子对形成的，B项正确；N2与CO的原子总数和价电子总数均相同，互为等电子体，二者化学性质相似，但并不完全相同，C项正确，D项错误。9．有关理论认为N2O与CO2分子具有相似的结构(包括电子式)；已知N2O分子中氧原子只与一个氮原子相连，下列说法合理的是(　　)A．N2O与SiO2为等电子体、具有相似的结构(包括电子式)B．N2O的电子式可表示C．N2O与CO2均不含非极性键D．N2O为三角形分子答案　B解析　A选项，二氧化硅是原子晶体，N2O是分子晶体，所以N2O和SiO2不是等电子体，其结构不同，错误；B选项，二氧化碳的电子式为··C··，二氧化碳和N2O分子具有相似的结构(包括电子式)，且N2O分子中氧原子只与一个氮原子相连，所以N2O的电子式为，正确；C选项，N2O的电子式为，N2O中存在氮氮键，所以含有非极性键，错误；D选项，N2O与CO2分子具有相似的结构，二氧化碳是直线形分子，所以N2O是直线形分子，错误。[能力提升]10．含有NaOH的Cu(OH)2悬浊液可用于检验醛基，也可用于和葡萄糖反应制备纳米Cu2O。(1)Cu＋基态核外电子排布式为______________。(2)与OH－互为等电子体的一种分子为____________(填化学式)。(3)醛基中碳原子的轨道杂化类型是________杂化；1mol乙醛分子中含有σ键的数目为________________________________________________________________________。(4)甲醛(CH2O)是最简单的醛。①下列是对甲醛分子中碳氧键的判断，其中正确的是________(填字母)。a．单键　b．双键　c．σ键　d．π键　e．σ键和π键②甲醛分子中碳原子的杂化类型为________杂化，甲醛分子的空间构型为________。③甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角________(填“>”、“＝”或“<”)120°，出现该现象的主要原因是______________________________________________。④甲醛(H2C===O)在Ni催化作用下加氢可得甲醇(CH3OH)。甲醇分子内C原子的杂化方式为____________杂化，甲醇分子内的O—C—H键角________(填“大于”、“等于”或“小于”)甲醛分子内的O—C—H键角。n(5)CH3CH===CH2分子中C原子采取的杂化方式与甲醛不同的是________________。(6)EDTA()可以与铜离子形成配合物。其中碳原子轨道的杂化类型为________，氮原子的杂化类型为________。答案　(1)1s22s22p63s23p63d10(或[Ar]3d10)　(2)HF(合理即可)　(3)sp2　6NA(或6×6.02×1023)(4)①be　②sp2　平面三角形③<　碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强④sp3　小于(5)甲基上的C采取sp3杂化(6)sp3、sp2　sp3解析　(1)Cu的原子序数为29，Cu的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，故Cu＋的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d10。(2)用F原子替换OH－中的O原子，同时减少1个负电荷，得OH－的等电子体HF。(3)醛基结构式为，碳原子形成3个σ键和1个π键，杂化轨道形成σ键，未杂化轨道形成π键，故醛基中碳原子采取sp2杂化，1个CH3CHO分子中含6个σ键，4个C—Hσ键，1个C—Cσ键和1个C===O键中的σ键，故1molCH3CHO中含有6NA个σ键。(4)①甲醛分子中C原子的杂化轨道数＝×(4＋2)＝3，所以C原子采取sp2杂化，分子空间构型为平面三角形。②醛类分子中都含有C===O键，所以甲醛分子中的碳氧键是双键。一般来说，双键是σ键和π键的组合。③由于碳氧双键中存在π键，它对C—H键的排斥作用较强，所以甲醛分子中C—H键与C—H键间的夹角小于120°。④甲醇分子内C的杂化类型为sp3，无孤电子对，O—C—H键角接近109.5°，甲醛分子中C原子的杂化类型为sp2，无孤对电子，O—C—H键角近120°，所以甲醇分子内O—C—H键角比甲醛分子内O—C—H键角小。(5)与甲醛相同的是双键上的C采取sp2杂化，不同的是甲基上的C采取sp3杂化。(6)EDTA分子中—CH2—上的碳原子形成4个σ键，碳原子采取sp3杂化，—COOH上的碳原子形成3个σ键和1个π键，碳原子采取sp2杂化。氮原子形成3个σ键并有1对孤电子对未参与成键，氮原子采取sp3杂化。11．回答下列问题：n(1)计算下列分子或离子中点“·”原子的价电子对数。①Cl4________；　②eCl2________；③Cl3________；　④Cl3________。(2)计算下列微粒中点“·”原子的孤电子对数。①H2________；　②Cl5________；③F3________；　④H3________。(3)用价层电子对互斥模型推测下列分子或离子的空间构型。①NH____________；　　②BBr3____________；③CHCl3____________；④SiF4____________；⑤NO____________；⑥CO____________；⑦SO____________；⑧SO____________。(4)CH4分子中H—C—H的键角为109.5°，NH3分子中H—N—H的键角为107.3°，H2O分子中H—O—H的键角为104.5°。从价层电子对互斥模型分析导致这三种分子键角差异的原因是什么？________________________________________________。答案　(1)①4　②2　③3　④4(2)①2　②0　③0　④1(3)①V形　②平面三角形　③四面体　④正四面体　⑤平面三角形　⑥平面三角形　⑦三角锥型　⑧正四面体(4)CH4、NH3、H2O的价电子对数均为4，σ键电子对数分别为4个、3个、2个，CH4分子中碳原子的价电子全部参与成键，无孤电子对，为正四面体结构。NH3分子中氮原子上有一对孤电子对参与互相排斥。H2O分子中氧原子上有两对孤电子对参与互相排斥，排斥作用更大解析　(1)价电子对数＝(中心原子价电子数＋配位原子提供的价电子总数)。①CCl4：＝4；②BeCl2：＝2；③BCl3：＝3；④PCl3：＝4。(2)孤电子对数＝价电子对数－σ键电子对数。①H2S：－2＝2；②PCl5：－5＝0；③BF3：－3＝0；n④NH3：－3＝1。(3)化学式NHBBr3CHCl3SiF4中心原子的价电子对数×(5＋2＋1)＝4×(3＋3)＝3×(4＋4)＝4×(4＋4)＝4中心原子的σ键数2344中心原子含有的孤电子对数2000分子或离子的空间构型V形平面三角形四面体正四面体化学式NOCOSOSO中心原子的价电子对数(5＋1)＝3(4＋2)＝3(6＋2)＝4×(6＋2)＝4中心原子的σ键数3334中心原子含有的孤电子对数0010分子或离子的空间构型平面三角形平面三角形三角锥型正四面体(4)CH4分子中碳原子4个价电子对全部参与成键，无孤电子对，为正四面体结构。NH3分子中氮原子价电子对为4个，孤电子对为1个，孤电子对与成键电子对之间的排斥作用大于成键电子对之间的排斥作用，因此NH3中H—N—H键角小于CH4分子中H—C—H之间的键角。H2O分子中氧原子价电子对为4个，孤电子对为2个，两个孤电子对参与互相排斥，排斥作用更大，因此，H—O—H的键角更小。如图所示：n12．请回答下列各题：(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)写出一种由第2周期元素组成的且与CO互为等电子体的阴离子的电子式________。(4)二原子14电子的等电子体的共同特点是物质中都具有共价叁键，请举出相应的3例子________、________、________(分子或离子)，每分子或离子中含________个σ键，________个π键。(5)OCN－与CO2互为等电子体，则OCN－的结构式为________，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、BF3、SiO、SO3等(3)[C⋮⋮N]－或[C⋮⋮C]2－　(4)N2　CO　CN－　1　2　(5)[N===C===O]－　CO2　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N原子替换CO中的O原子，需增加1个负电荷得等电子体CN－；用C原子替换CO中的O原子，需增加2个负电荷得等电子体C，CO、N2、CN－、C互为等电子体，故C、CN－的电子式与N2相似，分别为[C⋮⋮C]2－、[C⋮⋮N]－。(4)二原子14电子的等电子体有N2、CO、CN－、C等，N2的结构式为N≡N，分子中有1个σ键和2个π键，其他分子或离子与N2相同。(5)等电子体的结构相似、空间构型相同、CO2的结构式为O===C===O，故OCN－的结构式为[N===C===O]－；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。[拓展探究]13．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COn为等电子体。下表为部分元素等电子体分类、空间构型。等电子体类型代表物质空间构型四原子24电子等电子体SO3平面三角形四原子26电子等电子体SO三角锥型五原子32电子等电子体CCl4四面体型六原子40电子等电子体PCl5三角双锥型七原子48电子等电子体SF6八面体型试回答下列问题：(1)写出下面物质分子或离子的空间构型：BrO__________，CO________，ClO________。(2)由第2周期元素组成，与F2互为等电子体的离子有__________。(3)SF6的空间构型如图1所示，请再按照图1的表示方法在图2中表示OSF4分子中O、S、F原子的空间位置。已知OSF4分子中O、S间为共价双键，S、F间为共价单键。答案　(1)三角锥型　平面三角形　正四面体型　(2)O(3)解析　(1)BrO为四原子26电子体，所以其结构与SO一样为三角锥型；CO为四原子24电子体，与SO3的结构相同，为平面三角形；同理可知ClO为正四面体型。(2)F2为双原子14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为O。(3)SF6为七原子48电子体，空间构型为八面体型，如图1；OSF4为六原子40电子体，其空间构型为三角双锥型。