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化学竞赛

高中化学竞赛讲座学案《价层电子对互斥理论》word版

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高中化学竞赛讲座学案《价层电子对互斥理论》

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价层电子对互斥理论

分子的立体结构决定了分子的许多重要性质,例如分子中化学键的类型、分子的极性、分子之间的作用力大小、分子在晶体中的排列方式等,而路易斯结构式未能描述分子的立体结构。分子的立体结构是指其原子在空间的排布,可用现代实验手段测定。

实验证实,属于同一通式的分子或离子,其立体结构可能相似,也可能完全不同。例如,H2O和H2S结构相似,都是角型分子。而CO2- 3,平面三角型;SO2- 3,三角锥型。CO2和SO2结构类型也不相同。

 , 

一、价层电子对互斥理论――分子和离子的形状

价键杂化轨道理论可以解释和预见分子的空间构型,但是一个分子究竟采取哪种类型的杂化轨道,在不少情况下难以预言。要推知一个分子杂化类型是很困的,即先有事实后有理论分析。

1940年希吉维克(Sidgwick)和坡维尔(Powell)在归纳了许多已知的分子几何构型的基础上,提出了价层电子对互斥理论(简称VSEPR法),用以预测简单分子或离子的立体结构。1957年吉莱斯比(R.J.Gillespie)尼霍姆(R.S.Nyholm)进一步发展,提出了一种简单的模型用来判断某一个分子或离子的立体结构,定名为价层电子对互斥模型,简称VSEPR模型(Valence[`veilǝns] Shell[ʃel] Electron[i`lektrכn] Pair[pεǝ] Repulsion[ri`pΛlʃǝn] 的缩写)。

主要应用于ABn型分子或离子中。对于我们经常遇到的分子或离子[特别是以非金属原子为中心的单核(即单中心)分子或离子,用这一理论模型预言的立体结构很少与事实不符。

1、价层电子对互斥理论的要点:“分子的共价键(单键、双键或叁键)中的电

子对以及孤对电子,由于相互排斥作用,在键长一定条件下趋向尽可能彼此远离,分子尽可能采取对称的结构。” 亦即,原子周围各个价电子对之间由于互相排斥作用,在键长一定的条件下,相互间距离愈远愈稳定。

这就是说,分子或离子的空间构型,是由该分子中心原子的价电子对数以及电子对之间的相互排斥作用而决定的。分子中的价层电子对总是尽可能地互斥,均匀地分布在分子中,中心原子周围的价电子对应尽可能彼此相互远离,使电子对之间的静电斥力最小,体系能量最低。因此,价层电子对的数目决定了一个分子或离子中的价层电子对在空间的分布。

◆⑴、价层电子对之间的斥力根源有两个方面:第一是各电子对之间的静电排斥作用;第二是Pauli斥力,即由Pauli排斥原理推得的、各个价电子对之间存在的自旋相同的电子间彼此相互规避的效应。

◆⑵、价层电子对互斥理论认为:中心原子A、配位原子或原子团X和孤对电子E组成的AXnEm型分子中,中心原子A的周围配置的原子或原子团nX的几何构型,主要取决于中心原子的价电子层中电子对的相互排斥作用,分子的构型总是采取电子对互相排斥最小的那种结构。

(价电子层中电子对,简称“价电子对”,包括成键电子对和孤对电子对,简称为“键对”bonding [`bכndiη] pair和“孤对”lone [lǝun] pair )

价层电子对=成键电子对+孤对电子对

通式AXnEm里的(n+m)数目称为价层电子对数,其中n表示键对数,m表示孤对数。AXn,n=2,3,4,5,6…可由分子式确定n;E表示中心原子上的非键电子(即孤对电子),可用中心原子价电子总数减去键合电子确定m。(令n+m=z,z亦为价层电子对数,则可将通式AXnEm改写成为另一种通式AYz。)

判断分子几何构型考虑的因素:根据斥力效应,①、考虑多重键中多对电子集中在同一键区,可当作一键处理;②、并考虑孤对电子的空间分布比较肥大,③、电负性大小因素等,提出判断共价型分子几何构型的步骤如下:

2、中心原子周围价层电子对数的确定

⑴、中心原子周围的价层电子数的来源:由中心原子和配位原子共同提供。

①、中心原子提供的电子数:等于周期表中该元素的族数,例如氧原子提供6个价电子、卤原子提供7个价电子。B:3,C:4,N:5,O:6,X:7,稀有气体:8。

②、配位原子提供的电子数:H、X(卤素)为1,可以认为氧不提供电子(氧有6个价电子,从中心原子接受2个电子形成八隅体)。

③、对于中心原子和配位原子组成的离子,必须考虑与电荷数相应的电子数。

⑵、中心原子周围的价层电子对数z(或n+m)的计算:

①、分子:z=(中心原子A的价电子数+配位原子X提供的电子数)÷2;

②、负离子:z=(中心原子A的价电子数+配位原子X提供的电子数+与离子电荷相应的电子

数)÷2;

③、正离子:z=(中心原子A的价电子数+配位原子X提供的电子数-与离子电荷相应的电子数)÷2;

⑶、孤对电子对数m的计算:

①、分子:m=(中心原子A的价电子数-配位原子X提供的电子数)÷2=(中心原子A的族数-配位原子X的化合价×X的个数)÷2

②、负离子:m=(中心原子A的价电子数-配位原子X提供的电子数+与离子电荷相应的电子

数)÷2=(中心原子A的族数-配位原子X的化合价×X的个数+与离子电荷相应的电子数)÷2

③、正离子:m=(中心原子A的价电子数-配位原子X提供的电子数-与离子电荷相应的电子

数)÷2=(中心原子A的族数-配位原子X的化合价×X的个数-与离子电荷相应的电子数)÷2

例1,ClF3,n=3,m=(7-3×1)/2=2;例2,直线型的叠氮离子N3-,n=2,m=(5-2×3+1)/2=0

※NO2计算所得的m=(5-2×2)/2=0.5,应当作为m=1来对待,因为单电子也要占据一个孤对电子轨道。

3、中心原子价层电子对的空间分布形状如下表所示:

VSEPR判断价层电子对的空间分布构型 AXnEm=AYz

价层电子对数

2 3 4 5 6

AY2 AY3 AY4 AY5 AY6

直线形 

平面三角形 

正四面体形 

三角双锥形 

正八面体形 


根据立体几何定理可以证明:

(1)球面上相距最远的两点是通过球心的直径两端 

(2)球面上相距最远的三点是球的内接正三角形的三个顶点 




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