新人教版高中化学同步讲义(选择性必修二)第07讲 2.3分子结构的测定和多样的分子空间结构(含解析)

第7课分子结构的测定和多样的分子空间结构
1．知道分子的结构可以通过波谱等技术进行测定。

2．结合实例了解共价分子具有特定的空间结构。

一、分子结构的测定
1.早年的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推测分子的结构。

2.分子结构测定的常用方法：红外光谱、晶体X射线衍射
3.红外光谱法测定分子的官能团和化学键
（1）测定原理：分子中的原子不是固定不动的，而是不断地振动着的。

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。

（2）测定过程
红外光谱图分析吸收峰与谱图库对比推断分子所含的官能团和化学键
（3）红外光谱图：表明有机物分子中含有何种化学键或官能团。

（4）用途：确定官能团和化学键的类型。

注意：大多数已知化合物的红外谱图已建成数据库，通过对比便可得到确认。

4.质谱仪测定分子的相对质量
（1）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等粒子。

由于生成的离子具有不同的相对质量，它们在高压电场加速后，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）测定过程
待测物分子离子、碎片离子电场加速磁场偏转质谱图
（3）质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。

（4）质谱法应用：测定相对分子质量，即：由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大（最右边）的就是未知物的相对分子质量，注意：当“质”为该有机物的相对分子质量，“荷”为一个单位电荷时，质荷比的最大值即为该有机物的相对分子质量——质谱图中最右边的数据。

二、多样的分子空间结构
1.三原子分子的空间结构——直线型和V 形（又称角形）
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名
称
CO 2
O=C=O 180º 直线型 H 2O
105º V 形 2.四原子分子常见的空间结构——平面三角形和三角锥形
化学式 电子式 结构式 键角 空间结构模型 空间结构名
称
CH2O
约120º
平面三角
形
NH3107º三角锥形
【特别说明】四原子分子的空间结构大多数为平面三角形和三角锥形，也有的为直线形(如C22、正四面体形(如P4)等。

3.五原子分子常见的空间结构——四面体形
化学式电子式结构式键角空间结构模型空间结构名
称
CH4109º28´正四面体形其他多原子分子的空间结构
►问题一分子结构测定的常用方法
【典例1】化学分析的手段通常有定性分析、定量分析、仪器分析等，现代化学中仪器分析是研究物质结构的基本方法和实验手段。

下列说法正确的是
A．X射线衍射技术不能用于有机化合物晶体结构的测定
B．分析有机物的红外光谱图，可获得分子中所含化学键或官能团个数的信息
C．核磁共振氢谱能准确测定有机物中氢元素的个数
D．质谱法是快速、精确测定相对分子质量的重要方法
【答案】D
【解析】A．X射线衍射技术能够精确测定原子在晶体中的空间位置，是迄今研究分子结构的主要技术，故A错误；B．红外光谱图常用来测定分子中含有的化学键或官能团，但不能获得分子中所含化学键或官能团个数的信息，故B错误；C．核磁共振氢谱能够测定有机物中氢原子的种类和数量比，不能测定有机物中氢元素的个数，故C错误；D．质谱法是快速、精确测定相对分子质量的重要方法，故D正确；故选D。

【解题必备】1.红外光谱确定官能团和化学键的类型。

2.质谱法测定相对分子质量，即：由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大（最右边）的就是未知物的相对分子质量，注意：当“质”为该有机物的相对分子质量，“荷”为一个单位电荷时，质荷比的最大值即为该有机物的相对分子质量——质谱图中最右边的数据。

【变式1-1】随着科学技术的发展，人们可以利用很多先进的方法和手段来测定有机物的组成和结构。

下列说法不正确的是
A．李比希元素分析仪可以测定有机物的结构简式
B．质谱是快速精确测定有机物相对分子质量的重要方法
C．分析有机物的红外光谱图可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息
D．X射线衍射技术可用于测定有机化合物的晶体结构
【答案】A
【解析】A．李比希元素分析仪只能确定有机物中所含的元素种类和含量，则可以确定有机物的最简式或者是实验式，不能测定有机物的结构简式，A错误；B．质谱图中质荷比最大的吸收峰就是该分子的相对分子质量，故质谱是快速精确测定有机物相对分子质量的重要方法，B正确；C．分析有机物的红外光谱图可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息，C正确；D．X射线衍射实验是鉴别晶体与非晶体以及测定晶体结构的最可靠的途径，X射线衍射技术可用于测定有机化合物的晶体结构，D正确；故答案为：A。

【变式1-2】准确测定有机物的分子结构，对从分子水平去认识物质世界，推动近代有机化学的发展十分重要。

采用现代仪器分析方法，可以快速、准确地测定有机化合物的分子结构例，如质谱、红外光谱、核磁共振等。

有机化合物A的谱图如下，根据谱图可推测其结构简式为
A ．CH 3OCH 3
B ．CH 3CH 2CHO
C ．HCOOH
D ．CH 3CH 2OH
【答案】D 【解析】由核磁共振氢谱图可知该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子，符合该条件的有B 、D 两个选项，由质谱图可得该有机物的相对分子质量为46，故答案选D 。

►问题二 常见分子的空间结构的判断
【典例2】下列分子的空间结构模型或键角正确的是
A ．4CH :10928'︒
B ．2H S:
C ．3NH :120︒
D ．2CO :
【答案】A 【解析】A ．甲烷是正四面体结构，碳原子在正四面体中心，键角为109°28'，故A 正确；B ．H 2S 是V 形结构，不是直线形结构，故B 错误；C ．NH 3是三角锥形结构，键角小于109°28'，大约为107°，故C 错误；D ．CO 2是直线形结构，故D 错误；故选A 。

【解题必备】记住常见分子的空间结构，可类推出相同类别物质的空间结构。

空间结构
常见物质 直线形
BeCl 2、HCN 、C 2H 2、CO 2等 V 形
H 2O 、H 2S 、SO 2等 平面三角形
BF 3、SO 3等 三角锥形
PH 3、PCl 3、NH 3等 正四面体形
CH 4、CCl 4、SiH 4、SiF 4等 四面体形(非正四面体形)
CH 3Cl 、CH 2Cl 2、CHCl 3等
【变式2-1】下列分子的空间结构模型正确的是
A ．CO 2：
B ．H 2O ：
C．NH3：D．CH4：
【答案】D
【解析】A．CO2的空间结构为直线形，A模型错误；B．H2O的空间结构为V形，B模型错误；C．NH3的空间结构为三角锥形，C模型错误；D．CH4的空间结构为正四面体形，D模型正确。

答案为D。

【变式2-2】(1)硫化氢(H2S)分子中，两个H—S键的夹角接近90°，说明H2S分子的空间结构为。

(2)二硫化碳(CS2)分子中，两个C=S键的夹角是180°，说明CS2分子的空间结构为。

(3)能说明CH4分子不是平面四边形，而是正四面体结构的是。

a．两个键之间的夹角为109°28′
b．C—H键为极性共价键
c．4个C—H键的键能、键长都相等
d．二氯甲烷(CH2Cl2)只有一种(不存在同分异构体)
【答案】(1)V形(2)直线形(3)ad
【解析】(1)两个H—S键的夹角接近90°，由键角直接判断分子的空间结构为V形，故答案为：V形；
(2)两个C=S键的夹角是180°，由键角直接判断分子的空间结构为直线形，故答案为：直线形；
(3)五原子分子CH4可能有平面四边形和正四面体两种空间结构，不管为哪种，b、c两项都成立，不能说明CH4分子结构；若为平面四边形，则键角为90°，CH2Cl2有两种：和；若为正四面体，则键角为109°28′，CH2Cl2只有一种，不存在同分异构体，故答案为：ad。

1．现代化学常用的测定分子的相对分子质量的方法是
A．质谱法B．晶体X射线衍射法
C．核磁共振氢谱法D．红外光谱法
【答案】A
【解析】现代化学常用质谱法测定分子的相对分子质量，故选A。

2.有①甲烷分子②氨分子③水分子④四氯化碳分子⑤二氧化碳分子，其中是正四面体结构的是（）A．①②B．①④C．①②④D．②③④
【答案】B
【解析】CH4、CCl4均为正四面体结构；NH3是三角锥形结构；H2O是“V”型结构；CO2：是直线型结构，综上符合的为①④，答案选B。

3.下列分子结构的空间构型为正四面体的是
A．四氯化碳B．1，2-二氯乙烯C．二氯甲烷D．氨气
【答案】A
【解析】A．四氯化碳中心原子价层电子对数为4，中心原子上无孤电子对，空间构型为正四面体，A正确；B．1，2-二氯乙烯中6个原子在同一平面上，空间构型不是正四面体，B错误；C．二氯甲烷空间构型是四面体结构，C—H和C-Cl的键长不同，二氯甲烷空间构型不是正四面体，C错误；D．氨气分子中心原子价层电子对数为4，中心原子上孤电子对数为1，空间构型是三角锥形，不是正四面体，D错误；故答案选A。

4．下列关于分子空间构型的判断，不正确的是
A．CS2 V形B．CH4 正四面体形C．BF3 平面三角形D．NH3 三角锥形
【答案】A
【解析】A．CS2分子空间构型与CO2分子空间构型相同，为直线型，A错误；B．CH4的空间构型为正四面体，B正确；C．BF3 的空间构型为平面三角形，C正确；D．NH3 的空间构型为三角锥形，D正确；答案选A。

5．能用来分析分子中的化学键及官能团信息的物理方法是
A．X射线衍射法B．红外光谱法C．核磁共振法D．质谱法
【答案】B
【解析】不同的官能团红外光谱图不同，因此可以用红外光谱法分析分子中的化学键和官能团信息，故合理选项是B。

6．如图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱图，则该有机物可能为
A．CH3COOCH2CH3B．CH3CH2COOH
C．HCOOCH2CH2CH3D．(CH3)2CHCH2COOH
【答案】A
【分析】由红外光谱图可看出该分子中有不对称CH3，含有C=O、C-O-C单键，结合分子式C4H8O2判断。

【解析】A．CH3COOCH2CH3中存在不对称-CH3、C-O-C和C=O，且分子式为C4H8O2，故A符合题意；B．CH3CH2COOH的分子式不为C4H8O2，且结构中没有C-O-C单键，故B不符合题意；C．HCOOCH2CH2CH3中只含有1个-CH3，不存在C-O-C单键，故C不符合题意；D．(CH3)2CHCH2COOH分子中存在对称-CH3，不存在C—O—C单键，且含碳数为5，故D不符合题意；答案选A。

7．某化合物分子由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱只有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，
该有机物的相对分子质量是60，则该有机物的结构简式是
A．CH3CH2OCH3B．CH3CH(OH)CH3C．CH3CH2OH D．CH3COOH
【答案】B
【分析】根据有机物的相对分子质量以及分子中有C-H键、O-H键、C-C键来解答。

【解析】A项、CH3CH2OCH3相对分子质量为60，但分子中不含O-H键，故A错误；B项、CH3CH（OH）CH3相对分子质量为60，分子中含有C-H键、O-H键、C-O键，故B正确；C项、CH3CH2OH相对分子质量为46，含有C-H键、O-H键、C-O键，故C错误；D项、CH3CH2COOH相对分子质量为60，含有C-H 键、C=O键、O-H键、C-O键，故D错误。

故选B。

8.红外光谱仪：分子中的原子不是固定不动的，而是不断地____的。

当一束红外线透过分子时，分子会____跟它的某些化学键的____频率相同的红外线，再记录到图谱上呈现吸收峰。

可分析出分子中含有何种____或官能团的信息。

【答案】振动着吸收振动化学键
1．利用红外光谱对有机化合物分子进行测试并记录，可初步判断该有机物分子拥有的()
A．同分异构体数B．原子个数
C．化学键和官能团种类D．有机化合物的分子式
【答案】C
【解析】组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰，利用红外光谱对有机化合物分子进行测试并记录，可以清晰地记录出不同基团的吸收峰，所以可初步判断该有机物分子拥有的基团种类。

2．能够快速、微量、精确测定有机物相对分子质量的物理方法是( )
A．红外光谱法B．质谱法C．核磁共振氢谱法D．色谱法
【答案】B
【解析】红外光谱法主要用于鉴定官能团；质谱法其实是把有机物打成很多带正电荷的粒子，在记录仪上会有很多不同的峰出现，从而推测出该有机物的相对分子质量所以能够快速、微量、精确测定有机物相对分子质量的物理方法是质谱法；核磁共振氢谱法用于判断等效氢种类；色谱法是分离混合物的一种方法。

综上所述，B项符合题意。

故选B。

3．下列各组分子中所有原子都可能处于同一平面的是()
A．CH4、CS2、BF3 B．CO2、H2O、NH3 C．C2H4、C2H2、C6H6D．CCl4、BeCl2、PH3
【答案】C
【解析】题中的CH4和CCl4为正四面体形分子，NH3和PH3为三角锥形分子，这几种分子的所有原子不可能都在同一平面上。

CS2、CO2、C2H2和BeCl2为直线形分子，C2H4为平面形分子，C6H6为平面正六边形分子，这些分子都是平面形结构。

4．下列分子或离子的中心原子，带有一对孤电子对的是()
A．H2O B．BeCl2 C．CH4D．PCl3
【解析】H2O有2对孤电子对，BeCl2和CH4没有孤电子对。

5.在白磷分子(P4)中,四个P原子分别处于正四面体的四个顶点上,结合有关P原子的成键特点,下列有关白磷分子的说法正确的是()
A.白磷分子中的键角为109°28'
B.分子中共有4对共用电子对
C.白磷分子中的键角为60°
D.分子中有6对孤电子对
【答案】C
【解析】根据共价键的方向性和饱和性,每个磷原子都以3个共价键与其他3个磷原子结合,从而形成正四面体结构,所以键角为60°,分子中共有6个共价单键(即6对共用电子对),4对孤电子对。

6．下列分子的空间构型为平面三角形的是（）
A．PCl3B．BCl3C．NH3D．H2O
【答案】B
【解析】A．PCl3的空间构型为三角锥形，A不合题意；B．BCl3的空间构型为平面三角形，B符合题意；C．NH3的空间构型为三角锥形，C不合题意；D．H2O的空间构型为V形结构，D不合题意；故答案为：B。

7.仪器分析法对有机化学的研究至关重要。

下列说法错误
．．的是
A．元素分析仪是将有机物在氧气中充分燃烧后对燃烧产物进行自动分析，以确定有机物最简式
B．图-1是有机物甲的红外光谱，该有机物中至少有三种不同的化学键
C．图-2是有机物乙的质谱图，有机物乙的相对分子质量为78
C H O的两种有机物的1H核磁共振谱图，图-3②为二甲醚
D．图-3①和图-3②是分子式为
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【解析】A．元素分析仪是将有机物在氧气中充分燃烧后对燃烧产物进行自动分析，以确定有机物最简式，现代元素分析仪分析的精确度和速度都达到了很高的水平，故A正确；
B．从图1可以看出该有机物甲中至少有C-H、O-H、C-O三种化学键，故B正确；
C．质谱图中最右侧的分子离子峰的质荷比数值为78，则有机物乙的相对分子质量为78，故C正确；D．1H核磁共振谱图中的吸收峰数目为分子中不同化学环境的H种类，峰面积比是不同化学环境H的个数比，分子式为C2H6O的有机物可能为乙醇，结构简式为CH3CH2OH，有三组峰，峰面积比为3：2：1，也可能为二甲醚，结构简式为CH3OCH3，只有一组峰，所以图-3②为乙醇，图-3①为二甲醚，故D错误；
故选D。

8．下列分子结构与分子中共价键键角对应正确的是()
A．直线形分子：180°B．平面正三角形：120°
C．三角锥形：109°28′D．正四面体形：109°28′
【答案】B
【解析】A项，HCl也是直线形分子，因只有一个共价键，故不存在键角，A项错误；氨分子呈三角锥形，键角为107°，C项错误；甲烷、白磷分子均是正四面体形分子，但键角分别为109°28′、60°，D项错误，故选B项。