《物质结构与性质》——11、价层电子对互斥模型

第二节　分子的空间结构

三、价层电子对互斥模型

CO2和H2O分子都是三原子分子，但CO2是直线形，而H2O是V形。CH2O和NH3都是四原子分子，但CH2O是平面三角形，而NH3是三角锥形。可见组成类似的分子空间结构却并不相同。

可以用一种简单的理论价层电子对互斥模型（VSEPR model）来预测和解释分子的空间构型。价层电子对互斥模型的要点：

1、找到分子或离子的中心原子和结合原子 ，将其简化为ABx型， A为中心原子，B为与中心原子结合的原子，x为结合原子的数目。

2、价层电子对数。 中心原子的外围电子对分为三种：σ键电子对（形成σ键，成键的两个原子间有且只有一个），π键电子对（双键一个、三键两个），孤电子对（未参与成键的电子对）。

电子对均带负电荷，会相互排斥，使整个分子或离子能量最低，最稳定。其结果是分子或离子总是采取电子对相互排斥最弱的那种结构，于是形成了分子或离子一定的空间结构。

中心原子价层电子对数＝σ键电子对数＋孤电子对数

3、 σ键电子对数由化学式确定。 成键的两个原子有且只有一个σ键，所以中心原子与多少个原子结合形成σ键，就有多少个σ键电子对。

如，H2O分子中，中心原子O与2个H成键，O就有2个σ键电子对（O—H）。

NH3分子中，中心原子N与3个H成键，N就有3个σ键电子对（N—H）。

SO3的中心原子S与3个O成键，有3个σ键电子对；而中心原子S有4个σ键电子对。

4、孤电子对数可用下面的公式计算：

中心原子上的孤电子对数＝(a－xb)/2

a表示中心原子的价电子数。具体情况如下表所示：

如，S的价电子数为6，P的价电子数为5，带一个单位正电荷，相当于失去了一个电子，价电子数a=5-1=4，带两个单位负电荷，相当于得到了两个电子，价电子数a=4+2=6。

x表示与中心原子结合的原子数，b表示与中心原子结合原子最多能接受的电子数（即成为稳定结构所差的电子数）。

H

b＝1

其他原子

b＝8－该原子的最外层电子数

如，氧族元素O、S、Se最外层6个电子，还可接受2个电子成为8个电子的稳定结构，b=8-6=2。卤族元素b=8-7=1。

xb可理解为与中心原子结合的原子成为稳定结构最多可接受的电子数。

几种分子或离子中心原子的孤电子对数如下表：

5、确定VSEPR模型。 将σ键电子对数和孤电子对数相加就得到了价层电子对数。.价层电子对数与VSEPR模型对应关系：

6、结合孤电子对数，预测分子或离子的空间结构。

由于孤电子对也占据一个原子轨道，在VSEPR模型的基础上，略去孤电子对，就得到分子或离子的空间结构。

如，NH3的价层电子对数=3+（5-3×1）/2=3+1=4，VSEPR模型为四面体形，孤电子对数为1，占据1个原子轨道，略去，分子空间构型为三角锥形。

H2O的价层电子对数=2+（6-2×1）/2=2+2=4，VSEPR模型为四面体形，孤电子对数为2，占据2个原子轨道，略去，分子空间构型为V形（角形）。

常见的几种分子或离子的空间结构：

7、根据电子对排斥力的大小比较键角大小。

（1）由于孤电子对有较大斥力，含孤电子对的分子的实测键角几乎都小于VSEPR模型的预测值。

如，CH4、NH3、H2O的VSEPR模型均为四面体形，键角均为109°28′，但实际它们的键角分别为109°28′、107°、105°，依次减小。

CH4分子中C原子没有孤电子对，NH3分子中N原子上有1个孤电子对，H2O分子中O原子上有2个孤电子对，对成键电子对的排斥作用增大，故键角依次减小。可见孤电子对的排斥力大，且孤电子对数目越多排斥力越强。

（2）π键电子对的排斥力较强（三键>双键）。

如，甲醛分子中心原子C的价层电子对数为3，是一个平面三角形分子，C=O中π键电子对的排斥力较强，使得C—H与C=O之间键角略大于120°，两个C—H之间的键角略小于120°。

（3）键角大小还与中心原子和结合原子的电负性有关。

如，NH3、PH3、AsH3的空间结构均为三角锥形，但中心原子的电负性N>P>As，中心原子的电负性越大，键长越短，使氢原子之间的排斥力越大，键角越大，所以其键角NH3>PH3>AsH3。

再如，NF3、NCl3的空间结构均为三角锥形，但N结合的原子电负性F>Cl，结合原子的电负性越大，原子半径越小，键角越小，即NF3<NCl3。

小结：

（1）确定分子或离子空间结构的流程

（2）价层电子对数、VSEPR模型与空间结构的关系

（3）键角的比较

孤电子对的排斥力较强，且孤电子对数越多排斥力越强。

π键电子对的排斥力较强。

中心原子电负性越大，键角越大；结合原子电负性越大，键角越小。

注：本文中的结合原子是指中心原子的配位原子。

「矩道化学虚拟实验室」价电子对互斥理论

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预测能力不强。价电子对互斥（Valence Shell Electron Pair Repulsion，简称VSEPR）理论能比较简便地定性预测分子的空间结构。

价电子对包括成键电子对（bp）和孤对电子对（lp），VSEPR理论认为：原子周围各个价电子对之间由于相互排斥，在键长一定的条件下，互相间距离越远越稳定，这就要求分布在中心原子周围的价电子对尽可能离得远一些，由此可以说明许多简单分子的几何构型。

成键电子对中针对多重键的情况，当作一个键来处理，所以可以由化学式来确定。例如H2O中心原子为O，O有两个O-H键，因此是两个成键电子对；HCN中心原子为C，C有1个C-H键和1个N≡N键，仍然是两个成键电子对；BF3中心原子为B，有3个B-F键，因此是3个成键电子对。

而孤对电子数不能直接从化学式中确定，但可以从电子式或者如下公式来计算：

例如：

在确定了成键电子对数和孤电子对数后，相加即可确定分子中的中心原子上的价电子对数。由于价电子对互相排斥，即可获得含孤电子对的VSEPR模型，再略去孤电子对，即可得到分子的空间结构。

插入含孤电子的VSEPR模型和分子空间结构。

实际结果中，我们发现含孤电子对的H2O模型和CH4模型同为四面体，但是键角却有差距，这是因为不同类型的价电子对之间的排斥力不同。H2O中含有的孤电子对由于只有中心原子的束缚，显得比成键电子对要肥大，因此对相邻的电子对的排斥作用更大，所以H2O的键角会小于CH4.

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