价层电子对互斥理论(优质一堂课)

2-3价层电子互斥模型（VSEPR）2-3-3影响分子空间几何构型的因素2-3-2推断分子或离子空间结构的步骤2-3-1VSEPR理论的基本要点化学与生物工程系赖文忠2007-10-262复习：什么叫杂化轨道？sp型杂化主要有哪些类型？•原子轨道在成键过程中并不是一成不变的，同一原子中能量相近的某些原子轨道，在成键过程中可重新组合成数目相同的新轨道，且能量相等。这一过程称为原子轨道的“杂化”，新生成的原子轨道称为“杂化轨道”。•杂化轨道的类型：sp型杂化(sp，sp2，sp3)•dsp型杂化(dsp2，dsp3,d2sp3，sp3d2等)3sp，sp2，sp3杂化轨道及示例BeH2CH44sp3不等性杂化NH3分子H2O分子5课堂练习•1、CO32-，PCl3，CO2分子的空间几何构型分别是，，；中心原子C，P，C所采用的轨道杂化方式分别为，，。•2、根据杂化轨道理论，比较下列分子的键角大小？•(1)NH3(2)CO2(3)BCl3(4)CCl46课堂练习参考解答•1、CO32-，PCl3，CO2分子的空间几何构型分别是平面三角形，三角锥形，直线形；中心原子C，P，C所采用的轨道杂化方式分别为sp2，不等性sp3，sp。•2、NH3采用不等性sp3杂化轨道成键，有一对孤对电子，键角为107.3°；•CO2采用sp杂化轨道成键，键角为180°；•BCl3采用sp2杂化轨道成键，键角为120°；•CCl4采用sp3杂化轨道成键，键角为109.5°；•∴键角大小为：CO2BCl3CCl4NH3。72-3价层电子互斥模型（VSEPR理论）（ValenceShellElectronPairRepulsion）•教学目的：•1、掌握价层电子互斥模型的理论要点；•2、掌握应用价层电子互斥模型判断分子立体结构的方法；•3、了解影响分子几何构型的因素。•教学重点：价层电子互斥模型（VSEPR理论）的基本要点。•教学难点：建立价层电子互斥模型，掌握利用价层电子互斥模型判断分子结构的方法。8引言•化学键理论的主要目标是解释分子的结构，更重要的是希望能够预见分子结构。上一节介绍的在电子配对法基础上发展起来的杂化轨道理论在解释共价分子的空间构型是比较成功的。在20世纪40年代，又发展起来一种在概念上极为简单并在推断分子几何结构上取得显著成就的理论，叫做价层电子互斥模型(ValenceShellElectronPairRepulsion，简称为VSEPR理论)。该理论1940年,最初由西奇威克(N.V.Sidgwick)和坡维尔(H.M.Powell)提出，20世纪50年代由吉列斯比(R.J.Gillespie)和尼霍尔姆(R.S.Nyholm)进一步发展了该理论。•价层电子对理论较简单，在应用这个理论时根本不需要用原子轨道的概念，可较好地解释、判断和预见许多共价分子或离子的空间几何构型。价层电子对互斥理论是现代价键理论的重要内容之一。9推荐学生课外阅读书目•[1]申泮文.近代化学导论（上册）[M].北京:高等教育出版社,2002.•[2]北师大,等.无机化学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1992.•[3]曹锡章,等.无机化学(上册)(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1994.•[4]河北师大,等.无机化学学习指导[M].北京:高等教育出版社,2006.102-3-1价层电子互斥模型（VSEPR理论）的基本要点•1、VSEPR理论认为，分子的几何构型与分子的中心原子价层电子对在空间出现的最大概率的区域有十分密切的关系。•假定中心原子的价电子层呈球形分布，价层电子对（包括成键σ电子对和孤对电子对）看作点电荷，它在空间最可能的排列方式，与同样数量的点电荷在球面上最可能分布相同，即价层电子对在球面上彼此相距最远时，排斥力最小，体系的能量最低。价层电子对=σ键电子对+孤对电子对(VP)(σBP)(LP)11价层电子对在球面上彼此相距最远时，排斥力最小，体系的能量最低•可以证明：•1）在球面上要使2个点电荷斥力最小的位置应在球的直径的两端；•2）在球面上要使3个点电荷斥力最小的的位置是通过球心平面的内接正三角形的三个顶点；•3）在球面上要使4个点电荷斥力最小的位置是球的内接正四面体的四个顶点；12•4）在球面上要使5个点电荷斥力最小的位置是球的内接三角双锥的五个顶点；•5）在球面上要使6个点电荷斥力最小的位置是球的内接八面体的六个顶点；•6）在球面上要使7个点电荷斥力最小的位置是球的内接五角双锥的七个顶点或不规则八面体。价层电子对在球面上彼此相距最远时，排斥力最小，体系的能量最低13VSEPR理论要点：•2、在AXm型分子中，中心原子A的周围配置的原子或原子团的几何构型(分子或离子的空间结构)主要取决于中心原子价电子层中的电子对数Z（包括成键σ电子对和未成键的孤电子对）。•价层电子对尽可能远离达到尽可对称的图像以使斥力最小。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，据此可画出VSEPR理想模型。••VSEPR理想模型Z2345678模型直线形平面三角形正四面体三角双锥正八面体五角双锥正十二面体分子中σ轨道的电子在三维空间中互相排斥，达到尽可能对称的图像14•价层电子对的理想模型VP=2直线形VP=3平面三角形VP=4正四面体VP=5三角双锥VP=6正八面体15•3、如果在AXm型分子中，A与X之间是通过两对电子或三对电子（即通过双键或叁键）结合而成的，则价层电子对互斥理论仍适用，这时可把双键或叁键作为一个电子对来看待。例：CO2分子：O=C=O。•4、价层电子对相互排斥作用的大小，决定于电子对之间的夹角和电子对的成键情况。•根据不同的价层电子对数与空间的几何构型关系图，可以定性的推测分子的空间立体结构。VSEPR理论要点：162-3-2推断共价分子或离子空间结构的一般步骤•（1）确定中心原子A价电子层中的电子对数目。•方法：将中心原子A的价电子数和配位体X原子供给的成键电子数相加后被2除（只考虑σ键）即为中心原子A的价电子层上的电子对数。•价层电子对数=1/2{中心原子价电子数+配位原子供给的成键电子数±离子的电荷数(负离子或正离子)}17确定中心原子A价电子层中的电子对数目的具体方法•1）若氧族元素的原子作为配位原子时，可认为它不提供电子对数即配位原子的成键电子数以0计。如CO2中的O。•2）当氧族元素的原子作为分子的中心原子时，则可认为它们提供所有的6个价电子（如SO2中的S）；当卤族原子作为分子的中心原子时，将提供7个价电子（如ClF3中的Cl原子）。•3）若讨论的物质是一离子，计算电子总数时还要考虑离子上所带的正、负电荷数。若是负离子，应加上负离子电荷数，如PO43-为4对，若为正离子，应减去正离子电荷数，如NH4+为4对。•4）若中心原子出现奇电子数，如NO2，将单电子当作电子对看待（即N原子当作3对电子对）。•5）如果中心原子与配位原子间有重键（双键或叁键），不必考虑，当作单键看待。18推断空间结构步骤:•(2)根据中心原子A周围的电子对数，画出理想的VSEPR模型，然后画出结构图形，把配位原子排布在中心原子A的周围，每一对电子联结一个配位原子，剩下的未结合的电子对便是孤电子对（LP）。•(3)计算孤电子对数：将中心原子A上的电子对数减A原子周围的配位体数，即为孤电子对数m。若用通式AXnEm，则有：•m=1/2(A的族价-X的化合价·X的个数n±离子电荷相应的电子数)分子SO2SO3SO32-SO42-NO2+XeF4价层电子对数334426孤对电子对数m101002A的价电子总数X为端位原子19•(4)根据孤对电子对，成键电子对之间相互排斥力的大小，确定排斥力最小的稳定结构，并估计这种结构与理想几何构型的偏离程度。•(5)根据不同电子对数与空间几何构型的关系图，可定性推测该分子的空间构型。推断空间结构步骤:一些常见分子的空间构型20推断分子的空间构型例解2BeHVP=(2+2)=2直线形213BFVP=(3+3)=3平面三角形214CHVP=(4+4)=4正四面体215PClVP=(5+5)=5三角双锥216SFVP=(6+6)=6正八面体21①LP=0:分子的空间构型=电子对的空间构型21②LP≠0：分子的空间构型不同于电子对的空间构型34112SnCl2平面三角形V形NH3四面体三角锥H2O四面体V形VPLP电子对的空间构型分子的空间构型例22VP=5，电子对空间构型为三角双锥，LP占据轴向还是水平方向三角形的某个顶点？原则：斥力最小。例如：SF4VP=5LP=1SFFFFLP－BP(90o)32结论：LP占据水平方向三角形,稳定分子构型为变形四面体(跷跷板形)。SFFFFF电子对间的最小角度为90023515253VPLP电子对的空间构型分子的空间构型例三角双锥变形四方体SF4三角双锥T形ClF3三角双锥直线形XeF2返回612IF5八面体四方锥XeF4八面体平面正方形24价层电子对相互排斥作用力大小影响因素•一般规律是：•1）电子对之间的夹角越小排斥力越大；•2）孤对电子对l-孤对电子对l孤对电子对l-成键电子对b成键电子b-成键电子对b•3）叁键与叁键t叁键与双键d双键与双键双键与单键s单键与单键；•4）中心原子和配体的电负性不同，所形成的键的斥力大小不同，对分子构型有影响。•5）处于中心原子的全充满价层里的键合电子之间的斥力大于处于中心原子的未充满价层里的键合电子之间的斥力。252-3-3影响分子空间几何构型的因素•(1)各电子对之间斥力大小顺序:•孤电子对与孤电子对孤电子对与成键电子对成键电子对间•(2)不同键的斥力大小顺序:•叁键双键单键C=OClCl'21124o'18111oC=CHHHHo121o11826(3)中心原子和配体的电负性不同，对分子构型亦有影响•当中心原子相同，而配体的电负性增大时，配体对电子云吸引力增大，键内的电子云将向配体方向靠近，离开中心原子较远，从而减小了成键电子对之间的斥力，键角相应减小。例如：•H2O的键角为104.5ºOF2的键角为103.2º•NH3的键角为107.3ºNF3的键角为102º•当配体相同时,中心原子的电负性增大,则键角增大。例如：•1）NH3107.3ºPH393.3ºAsH391.8ºSbH391.3º•2）H2O104.5ºH2S92.2ºH2Se91.0ºH2Te89.5º•N:FFFo102N:HH'18107oHP:HHH'1893oH27(4)中心原子电子对之间夹角大小对分子几何构型的影响•电子对间最小角度为90º，因此将90º的各种排斥作用进行分析比较。若一个分子可画出几种构型，应考虑：•1）分子中成键电子对，孤对电子对之间的三种电子对的相互排斥作用；•2）将几种可能构型的各种排斥作用的种类和数目进行分析对比；•3）相距角度最小的孤电子对—孤电子对数目越少，其构型越稳定。•电子对空间排布构型与分子的几何构型是有区别的，若无孤对电子则构型相同。如ClF3(5对):•甲乙丙•90º孤-孤001•90º孤-成643•90º成-成022•乙构型中价电子对排斥作用力最小，能量最低，是三种构型中最稳定的。28ClF3的空间结构5对电子，3个配体，2对孤对电子，有3种情况供选择：甲乙丙结论：乙种稳定，称“T”字形。孤对－孤对001孤对－成键643成键－成键022返回29VSEPR分析咖啡因的分子结构302-3-4用VSEPR理论判断共价分子空间结构实例•根据价层电子互斥模型（VSEPR理论）填写下表•化合物价电子对数孤对电子对数电子对空间排布分子空间构型•Cl2O•ClF3•PCl6-•NCl3•ClO4-•SnCl2•XeO4•XeF6•SO42-•BH4-•OF2•CO231•根据价层电子互斥模型（VSEPR理论）填写下表•化合物价电子对数孤对电子对数电子对空间排布分子空间构型•Cl2O42正四面体“v”字形•ClF352三角锥形“T”字形•PCl6-60正八面体正八面体•NCl341正四面体三角