价层电子对理论

化学键理论的主要目标不仅要解释分子的结构，更重要的是希望能预见分子的结构，进而了解分子的极性、分子的磁性、分子间作用力的类型及大小、分子在晶体中的排列方式等等。能否在只知道分子或离子的组成以及中心原子的价层电子数的基础上就能预见分子或离子的结构呢？能、回答是肯定的。在上世纪40年代，希吉维克(Sidgwick)和坡维尔(Powell)在总结实验事实的基础上提出了一种简单的理论模型，用以预测简单的多原子分子或离子的立体结构。这种理论模型后经吉列斯比(R．J．Gillespie)和尼霍尔姆(Nyholm)加以发展，定名为价层电子对互斥模型，简称VSEPR(ValenceShellElectronPairRepulsion)模型。应用该模型不需要原子轨道的概念，只需写出分子或离子的电子式，它的结构就可容易地判断出来。2-3价层电子对互斥模型（VSEPR模型）一、基本要点1.在一个ABm共价分子或离子中，中心原子周围电子对排布的几何形状，主要决定于中心原子的价层电子对数。这些电子对的位置倾向于分离得尽可能远些，使电子对间的排斥力最小。其中：ABm型分子或离子，A为中心原子，B为配位原子，m为配位原子的个数。中心原子的价层电子对数，包括成键电子对和未成键的孤电子对数。电子对位置怎样排列，倾向于分离得尽可能远些，即电子对所占据轨道间的夹角尽可能越大越好,使电子对间的排斥力最小，这样的结构才稳定。例如：BeCl2分子中，Be原子价层共有两对电子，这两个成键电子对只有排在中心Be原子两侧斥力才最小，形成的分子才最稳定，因此BeCl2分子的空间构型为直线形，键角180º。再如：BF3分子中，B原子价层有三对电子，这三个成键电子对只有按平面三角形排布斥力才最小，形成的分子才最稳定，因此BF3分子的空间构型为平面三角形，键角120º。而CH4分子中，C原子价层有四对电子，这四个成键电子对只有按四面体排布斥力才最小，因此CH4分子的空间构型为正四面体，键角109.5º。2.价层电子对间排斥力的大小，取决于电子对间的相距角度和电子对的成键情况。其一电子对间的相距角度越大，排斥力越小。其二电子对的成键情况，是孤电子对还是成键电子对？是单键还是多重键？它们的斥力大小顺序为：①孤电子对-孤电子对﹥孤电子对-成键电子对﹥成键电子对-成键电子对原因：成键电子对因受两核吸引，电子云紧密，对其相邻电子对的斥力弱于仅受一个核吸引的孤电子对对其相邻电子对的斥力。例如：NH3分子中，中心N原子价层电子对数为4，电子对排布为四面体，而NH3分子的空间构型为三角锥型，有一个孤电子对未成键，而且孤电子对与成键电子对的排斥作用大于成键电子对的排斥作用，因此，NH3分子的键角被压缩，只有107.3º。再如：H2O分子中，中心O原子价层电子对数为4，电子对排布为四面体，而H2O分子的空间构型为V型，有两个孤电子对未成键，因此，H2O分子的键角被两个孤电子对压缩，压缩得更厉害，比氨的键角还要小，只有104.5º。②三键﹥双键﹥单键原因：多重键比单键包含的电子数目多，斥力大小不同。因此对于含多重键的分子或离子来说，虽然其∏键电子不能改变分子的基本形状，但对键角有影响。一般是单键的键角较小，含多重键的键角较大。例如：COCl2和HCHO分子中，它们含双键的键角分别大于单键间的夹角。COHH111.4o118o121oCOClCl124.3o3.如果分子或离子中有双键、三键等多重键时，将多重键当单键处理（当一对电子处理）。如CO2分子O＝C＝O当单键处理O－C－O根据以上理论就可给出中心原子的价层电子对的空间构型以及形成的分子的空间构型。价层电子对和电子对空间构型的关系A····180oA120o······A109.5o········A··········120o90oA············90o2对电子3对电子4对电子5对电子6对电子直线形180o三角形120o四面体109.5o三角双锥90,120ooo八面体90，180o问题一:分子的几何构型与电子对构型的关系若配体数和电子对数相一致，各电子对均为成键电对，则分子构型和电子对构型一致。当配体数少于电子对数时，一部分电子对成为成键电对，另一部分电子成为孤对电子，确定出孤对电子的位置，分子构型才能确定。问题二：配体数可不可能大于电子对数呢？回答是否定的，配体数不可能大于电子对数。否则就有配体未成键，这样的分子不可能存在。二、判断分子结构的规则（一）确定中心原子价层电子对数(成键和未成键)把中心原子原有的价电子数加上其它原子提供给中心原子共用的电子数，再除以2。1、氢与卤素每个原子提供1个电子。2、氧族元素作为配体时不提供电子，当作中心原子时，提供出所有6个价电子。3、若为离子，则应加上或减去与电荷相应的电子数。（二）根据中心原子周围电子对数目，给定电子对的理想构型注意：当出现奇数电子对时，把单个电子当作电子对计算。例如:NO2中N的价电子为5个，当3对处理。（三）绘出构型图把配位原子排在中心原子周围，用一个电子对连接一个配位体，剩下的孤对电子也摆在一定位置上。注意：如果排列不止一种结构按下列规则确定：1、考虑分子中相距角度较小的三种电子对的排斥作用，即（1）孤电子对－孤电子对(孤-孤)（2）孤电子对－成键电子对(孤-成)（3）成键电子对－成键电子对(成-成)2、选定“孤－孤”或“孤－”或“成－成”斥力作用最少的构型为最稳定构型。（四）根据电子对间的相互排斥作用大小，确定斥力最小的稳定构型三、应用1、BeCl2分子中心原子铍有两个价电子，每个氯原子各提供一个电子，电子数为4，电子对数为2，电子对理想构型为直线型，分子构型为直线型。Cl—Be—Cl2、CO2分子中心原子碳有四个价电子，氧原子作为配位原子时不提供电子，故电子数为4，电子对数为2，电子对理想构型为直线型，分子构型为直线型。O＝C＝O3、BF3中心原子硼有三个价电子，每个氟原子各提供一个电子，电子数为6，电子对数为3，电子对理想构型为平面三角形，分子构型为正三角形。BFFF4、PO43-离子中心原子磷有五个价电子，氧原子作为配位原子时不提供电子，加上所带负电荷数3，电子数为8，电子对数为4，电子对理想构型为四面体，离子构型为四面体。POOOO3-5、XeF2中心原子氙有八个价电子，每个氟原子各提供一个电子，电子数为10，电子对数为5，电子对理想构型为三角双锥，考虑三对孤电子对处于等边三角形的三个顶角时斥力最小，所以分子构型为直线型。F—Xe—F6、XeF4中心原子氙有八个价电子，每个氟原子各提供一个电子，电子数为12，电子对数为6，电子对理想构型为八面体，考虑两对孤电子对处于八面体两个顶角时斥力最小，所以分子构型为平面四边形。XeFFFF7、XeO3中心原子氙有八个价电子，氧原子作为配位原子时不提供电子，故电子数为8，电子对数为4，电子对构型为四面体型，分子构型为三角锥形。XeOOO8、XeO4中心原子氙有八个价电子，氧原子作为配位原子时不提供电子，故电子数为8，电子对数为4，电子对构型为四面体型，分子构型为四面体。XeOOOO9、ClF3ClF3分子中，中心Cl原子的价层有（7+3）个，5对电子，Cl的电子对结构为三角双锥，配上3个F原子，得到3个可能的分子结构。三角双锥结构中，最小角度为90º，把各种排斥作用对比如下Cl····Cl····Cl····FFFFFFFFFabc90º“孤—孤”数目:01090º“孤—成”数目:43690º“成—成”数目:220Cl····Cl····Cl····FFFFFFFFFabc由上表结果可知：结构a、c中无90º“孤-孤”排斥作用，比结构b稳定，而结构a中又有较少的“孤-成”排斥作用，结构比b稳定，因此结构a在三种可能结构中是最稳定的。若不考虑孤电子对的影响，分子的几何结构决定于组成分子的4个原子的相对位置，因此，ClF3分子是一个T形结构。实际应考虑孤电子对的影响，因为孤电子对影响分子的键角使分子的几何结构发生变形。因此，ClF3分子的实际结构是一个变形T形结构。应强调的是：若价层电子对数与配位原子个数相等，每个价层电子对都有一个配位原子，则中心原子价层电子对的空间构型与分子的几何构型相同；若配位原子个数少于价层电子对数，一定有孤电子对存在，则中心原子价层电子对的空间构型与分子的几何构型不同。不同类型分子的价层电子对构型和分子构型分子类型价层电子对构型分子构型实例AB2直线形直线形BeCl2、CO2AB3三角形三角形BF3、SO3∶AB2V形SO2、PbCl2、O3AB4四面体四面体CH4、NH4+、POCl3∶AB3三角锥NH3、H3O+、XeO3∶A∶B2V形H2O、H2S、OF2AB5三角双锥三角双锥PCl5∶AB4变形四面体SF4∶A∶B3变形T形ClF3、BrCl3、XeF3+∶∶A∶B2直线形XeF2、I3-AB6八面体八面体SF6、PCl6-、SiF62-∶AB5四方锥IF5、XeOF4∶A∶B4平面四方形XeF4、ICl4-优点：价层电子对互斥理论可以成功地说明常见元素所生成的许多分子和离子的结构。关键在于写出分子正确的电子结构式，根据中心原子周围的电子对数目，就可确定中心原子的电子结构和分子结构。缺点：尽管价层电子对互斥理论在判断分子几何结构上很成功，而且和轨道杂化理论所得的结果完全一致。但是它不能告诉键的形成原理和键的相对稳定性。还有待价键理论和分子轨道理论解决。作业P120：5、9。