1、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spsp2sp3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18012010928杂化轨道示意图实例BeCl2BF
2、3CH4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，
3、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C
4、H 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【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
5、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23456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
6、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。【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
7、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”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
8、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。【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
9、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
10、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(NH)；SO3中的中心原子为S，有3个键电子对(SO)；SO42-中的中心原子为S，有4个键电子对(SO)。【提问】(2)通过上面的例子，你发现了化学式与键电子对数有何联系？你能从共价键的角度理解并说明为何呈现这样的定量关系么？【讲解】通过上面的例子，我们可以归纳出：由n个原子组成的分子或离子，它中心原子的键电子对数为n1。因为分子或离子中的原子是通过共价键彼此连接在一起的，两个原子间有且仅有1个键，n个原子彼此连接在一起需
11、要n1个键。中心原子就是“连接中心”，它周围有n1个键电子对。注：该讨论未将环状分子纳入，环状分子不作要求。【提问】(3)中心原子上的孤电子对数如何确定？【讲解】中心原子上孤电子对数化学式中看不到，须计算得出，计算公式为：孤电子对数 = (axb)2其中a为中心原子的价电子数(对于主族元素等于原子的最外层电子数)；x为与中心原子结合的原子数；b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数(氢为1；其他原子为“8减去该原子的价电子数”，如氧族的O、S、Se等均为2，卤族元素均为1)【提问】(4)以S和P为例，说明如何根据主族元素在周期表中的位置确定它的价电子数。【讲解】依据元素周期表可判断主族元素的
12、族序数等于最外层电子数，也等于价电子数。S和P分别处于第三周期的第VIA族和第VA族，因此S和P的价电子数分别为6和5。【提问】(5)以N和Cl为例，说明如何根据主族元素在周期表中的位置确定它最多能接受的电子数。【讲解】首先依据N和Cl在元素周期表中的位置，判断其价电子数分别为5和7；它们最多能接受的电子数为“8原子的价电子数”，因此N和Cl最多能接收的电子数分别为3和1。【提问】(6)阳离子和阴离子在运用公式计算时需要做怎样的修改？【讲解】对于阳离子来说，a为中心原子的价电子数减去离子的电荷数，x和b的计算方法不变。对于阴离子来说，a为中心原子的价电子数加上离子的电荷数(绝对值)，x和b的计
13、算方法不变。【提问】（7）运用所学知识，计算下列分子或离子的中心原子的孤对电子数，完成下列表格。【讲解】分子或离子中心原子axb中心原子上的孤电子对数SO2S6221NH4+N4410CO32-C6320NO3-N6320ClO3-Cl8321三、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上的价层电子对数VSEPR模型VS
14、EPR模型名称空间结构空间结构名称CO2、BeCl202直线形直线形CO32-、BF303平面三角形平面三角形SO2、PbCl21V形CH4、CCl404正四面体形正四面体形NH3、NF31四面体形三角锥形H2O、H2S2V形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，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
15、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BF303平面三角形平面三角形NH4+04正四面体形正四面体形SO32-14四面体形三角锥形CS202直线形直线形H2S24四面体形V形CH2O03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-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
16、 - 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180NO2-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- 11 / 11
