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价层电子对互斥模型

作者：来源：发布时间：2018年06月16日点击数：

分子的立体结构是指其原子在空间的排布，可以用现代实验手段测定。例如，通过分子或离子的振动光谱（红外或拉曼光谱）可确定分子或离子的振动模式，进而确定分子的立体结构；通过X-衍射、电子衍射、中子衍射、核磁共振等技术也可测定分子的立体结构。

实验证实，属于同一通式的分子或离子，其结构可能相似，也可能完全不同。例如，H2₂S和H₂O属同一通式H₂A，结构很相似，都是角形分子，仅夹角度数稍有差别；而CO₃^2-和SO₃^2-虽属同一通式AO₃^2-，结构却不同：前者是平面形，后者是三角锥形，前者有p-pπ键而后者有d-pπ键。

早在1940年，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）在20世纪50年代加以发展，定名为价层电子对互斥模型，简称VSEPR（Valence Shell Electron Pair Repulsion）模型。我们不难学会用这种模型来预测分子或离子的立体结构。当然，我们不应忘记，这一模型绝不可能代替实验测定，也不可能没有例外。不过，统计表明，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。

VSEPR模型的要点：

（1）用通式AX_nE_m来表示所有只含一个中心原子的分子或离子的组成，式中A表示中心原子，X表示配位原子（也叫端位原子），下标n表示配位原子的个数，E表示中心原子上的孤对电子对，下标m是电子对数。已知分子或离子的组成和原子的排列顺序时，m值可用下式确定。

m=（A的族价-X的化合价×X的个数+/-离子电荷相应的电荷数）/2

例如

可以这样理解这个通式：中心原子的族价等于它的价电子总数，中心原子与端位原子键合用去的电子数取决于端位原子的个数和端位原子的化合价，如果是离子，正离子的电荷相当于中心原子失去的电子，负离子的电荷相当于中心原子得到的电子，因此，用上式计算得到的数值m就是中心原子未用于键合的孤对电子对数。（有时，计算出来的m值不是整数，如NO₂，m=0.5，这时应当作m=1来对待，因为，单电子也要占据一个电子轨道。）

（2）通式AX_nE_m里的（n+m）的数目称为价层电子对数，令n+m=z，则可将通式AX_nE_m改写成另一种通式AY_z；VSEPR模型认为，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，因此，z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，由此可以画出VSEPR理想模型：

VSEPR理想模型

由此可见，VSEPR模型的“价层电子对”指孤对电子对和σ键电子对，不包括π电子对，考虑到孤对电子和键合的σ电子对的电子云图像具有相同的对称性，我们不妨把它们合称为σ轨道，那么，价层电子对互斥模型就是分子中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。

（3）通常所说的“分子立体构型”是指分子中的原子在空间的排布，不包括孤对电子对，因此，在获得VSEPR理想模型后，需根据AX_n写出分子立体构型，只有当AX_nE_m中的m=0时，即AYz=AXn时，VSEPR模型才是分子立体构型，否则，得到VSEPR模型后要略去孤对电子对，才得到分子立体构型，例如，H₂O、NH₃、CH₄都是AY₄，它们的分子立体构型如图所示。