第1课时分子结构的测定 多样的分子空间结构\n一、分子结构的测定1.分子结构的测定方法的演变(1)早年:科学家主要靠对物质的化学性质进行系统总结得出规律后进行推测。(2)现在:科学家应用了许多测定分子结构的现代仪器和方法,如红外光谱、晶体X射线衍射等。2.红外光谱红外光谱的用途:用来分析和推测未知物质含有何种化学键或官能团。3.质谱法用质谱法测定分子的相对分子质量。\n二、多样的分子空间结构1.三原子分子的空间结构常见的有直线形,如CO2;还有V形,如H2O。2.四原子分子的空间结构常见的有平面三角形,如甲醛分子;还有三角锥形,如氨分子。3.五原子分子的空间结构最常见的是正四面体形,如CH4,键角为109°28'。4.其他多原子分子的空间结构P4为四面体形,C6H12有船式和椅式,C60为球形,等等。\n【自主思考1】五原子分子都是正四面体形结构吗?提示:不是。如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3等,虽为四面体形结构,但由于碳原子所连的四个原子不相同,使四个键的键长、键角不全相等,所以并不是正四面体形结构。【自主思考2】利用红外光谱如何测定有机化合物中的化学键和官能团?提示:由于有机化合物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态,当一束红外线透过分子时,分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线,再记录到图谱上呈现吸收峰,不同的化学键、官能团吸收频率不同,在红外光谱图中将处于不同位置,通过和已有谱图库比对,可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。\n【效果自测】1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)只由红外光谱就可以确定物质的分子式。()(2)质谱图中的所有数据之和的平均值就是分子的相对分子质量。()(3)由质谱图还可以确定化合物的元素组成。()(4)所有的三原子分子都是直线形结构。()(5)所有的四原子分子都是平面三角形结构。()(6)五原子分子的空间结构都是正四面体形。()(7)由红外光谱可推测未知物的化学键。()(8)P4和CH4都是正四面体形分子且键角都为109°28'。()××××××√×\n2.某有机化合物A的红外光谱和质谱图如下图所示,由此可判断该有机化合物A是()。A.甲醇B.甲烷C.丙烷D.乙烯答案:A解析:质荷比最大的数值为有机化合物A的相对分子质量,即有机化合物A的相对分子质量为32。通过红外光谱可知有机化合物A中含有三种元素和三种化学键,只有甲醇符合,A正确。\n3.根据所学知识填空。(1)三原子分子常见的空间结构有形(如CO2)和形(如H2O)。(2)四原子分子常见的空间结构有形和形,如甲醛(HCHO)分子呈形,键角约为;氨分子呈形,键角为;另外需要注意,特殊的白磷(P4)分子呈形,键角为。(3)五原子分子最常见的空间结构为形,如常见的CH4键角是。答案:(1)直线 V (2)平面三角 三角锥 平面三角120°三角锥 107°正四面体 60°(3)四面体 109°28'\n【问题引领】探究任务1分子结构的测定1.请你阅读分析下图,找到图中存在的化学键,根据这些化学键能不能直接确定该物质的分子式?某有机化合物的红外光谱提示:存在的化学键有:C—H,C—O,O—H;根据这些化学键不能确定该物质的分子式。\n2.请你阅读分析下图,确定某有机化合物的相对分子质量。提示:3313.如何根据分子的质谱图确定分子的相对分子质量?什么是质荷比?提示:分子的质谱图中质荷比的最大值为其相对分子质量。质谱仪使分子失去电子,形成带正电荷的分子离子和碎片离子,这些离子的相对质量与其电荷的比值即为质荷比。质荷比的最大值即为该有机化合物的相对分子质量。\n【归纳提升】1.红外光谱(1)测定化学键的原理:分子中化学键或官能团可吸收与其振动频率相同的红外线,不同化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置,从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。(2)红外光谱的应用:①测定未知物质的化学键或官能团;②通过测定未知物质的化学键或官能团,还可以推知未知物质的基本元素组成。\n2.用质谱法测定分子的相对分子质量(1)测定原理:在质谱仪中使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。由于生成的离子具有不同的相对质量,它们在高压电场中加速后,通过狭缝进入磁场得以分离,在记录仪上呈现一系列峰,化学家对这些峰进行系统分析,便可得知样品分子的相对分子质量。(2)质谱图数据分析:由于带正电荷的分子离子和碎片离子因质量不同、电荷不同,在电场和磁场中的运动行为不同,计算机对其进行分析后获得质谱图,质谱图中质荷比的最大值就是未知物的相对分子质量。\n3.确定未知物质相对分子质量的传统方法(1)根据标准状况下气体的密度ρ,求算该气体的摩尔质量,即摩尔质量以g·mol-1为单位时,在数值上等于该气体的相对分子质量:M=22.4L·mol-1ρ(限于标准状况下)。(2)依据气体的相对密度D,求气体的相对分子质量:MA=D·MB。(3)求混合气体的平均相对分子质量:M=MA·φA+MB·φB+MC·φC+…(φA、φB、φC…为A、B、C…气体的体积分数或物质的量分数)。(4)求混合物的平均相对分子质量。\n【典型例题】【例题1】利用下列红外光谱图和质谱图还不能确定的是未知有机化合物的()。A.相对分子质量B.基本元素组成C.化学键D.处于不同化学环境的氢原子答案:D\n解析:红外光谱图显示该有机化合物中含有C、H、O三种元素及其构成的化学键与官能团,故B、C项不符合题意;由质谱图可知未知物的相对分子质量为254,A项不符合题意;由红外光谱图和质谱图还不能确定有机化合物中处于不同化学环境的氢原子,D项符合题意。\n【变式训练1】某有机化合物A的分子式为C4H10O,红外光谱图如图所示(醚键为—C—O—C—),则A的结构简式可能为()。A.CH3CH2OCH2CH3B.CH3OCH2CH2CH3C.CH3CH2CH2OCH3D.(CH3)2CHOCH3答案:A解析:红外光谱图中显示存在对称的甲基、对称的亚甲基和醚键,可得分子的结构简式可能为CH3CH2OCH2CH3。\n【问题引领】探究任务2多样的分子空间结构在自然界中,花朵、蝴蝶、冰晶、彩虹等诸多现象与物质展现出规则与和谐的美。科学巨匠爱因斯坦曾感叹:在宇宙的秩序与和谐面前,人类不能不从内心里发出赞叹,激起无限的好奇。实际上,宏观世界的和谐源于微观的规则与对称。同样,分子中的原子不是杂乱无章地堆积在一起,而是按照一定规律结合的整体,使分子在空间呈现出一定的几何形状(即空间结构),如下图是一些精美的分子结构图片。\n结合课本知识回答下列问题:\n1.硫化氢分子中,两个H—S的键角都接近90°,推测H2S分子的空间结构是怎样的。提示:V形2.科学家研制出有望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3(如图所示)。已知该分子中N—N—N的键角都是108.1°。试推测四个氮原子围成的空间结构是正四面体形吗?提示:不是。由于N—N—N的键角都是108.1°,所以四个氮原子围成的空间结构不是正四面体形,而是三角锥形。\n3.分子的空间结构与化学式有必然联系吗?提示:没有。AB2(或A2B)型分子可能是直线形分子,也可能是V形分子;AB3(或A3B)型分子可能是平面三角形分子,也可能是三角锥形分子;AB4型分子最常见的是正四面体形分子。4.分子的稳定性与分子的空间结构有关系吗?提示:分子的稳定性与分子的空间结构有关。如环己烷有船式和椅式两种空间结构,其中椅式结构更稳定。\n【归纳提升】1.常见分子的空间结构\n2.分子的空间结构与键角关系的一般规律\n【典型例题】【例题2】下列分子的空间结构模型正确的是()。答案:D\n解析:CO2的空间结构为直线形,A项错误;H2O的空间结构为V形,B项错误;NH3的空间结构为三角锥形,C项错误;CH4的空间结构为正四面体形,D项正确。\n方法技巧关于ABn分子的空间结构的判断方法:(1)ABn分子的空间结构与中心原子A的价层电子是否完全参与成键有关。若A原子的价层电子全部参与成键,其空间结构会高度对称。例如CO2中C原子价层电子数为4,化合价为+4价,价层电子全部参与成键,则三原子呈直线形。(2)对于ABn分子,当中心原子在ⅤA族时,AB3分子应是三角锥形;当中心原子在ⅣA族时,AB4分子是正四面体形;当中心原子在ⅣA族时,AB2分子是直线形;当中心原子在ⅥA族时,AB2分子是V形。\n【变式训练2】CCl4的空间结构模型是()。答案:A解析:CCl4的空间结构是正四面体形,并且C的原子半径比Cl的原子半径小,故A项正确。\n
