【追求理解教学！】常见分子价电子对数的计算与结构预测！

时间: 2024-07-07 17:26:42 |   作者: 汽车零部件

　　题为《利用商余法计算常见分子的价层电子对数》的文章后，认为“商余法”略显麻烦，特结合自己的教学实际对这一问题表达一点个人见解。

　　VSEPR模型是一种最简单的预测分子空间结构的理论，在人教版两版教科书中都用了简单两字，并没有作者所说那么复杂。教材描述如下[2]：有一种最简单的理论叫做价层电子对互斥模型（VSERP model），这种简单的理论可用来预测分子的空间结构。价层电子对互斥模型认为，分子的空间结构是中心原子周围的“价电子对”相互排斥的结果。VSEPR的价层电子对是指分子中的中心原子与结合原子间的σ键电子对和中心原子上的孤电子对。σ键电子对数可由化学式确定。中心原子上的孤电子对数，化学式里看不到，须计算得出，确定方法如下：中心原子上的孤电子对数=（a-xb），式中a为中心原子的价电子数（对于主族元素等于该原子的最外层电子数）；x为与中心原子结合的原子数；b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数（氢为1；其他原子为“8减去该原子的价电子数”）。

　　大多数分子都是由两个以上原子构成的，于是分子就有了原子的几何学关系和形状，自然界中形形的分子结构。科学家应用许多现代仪器和方法测度了一些分子的结构。对于都是三原子构成的常见分子H2O和CO2，H2O是V形，而CO2是直线形，为什么不同？我们能不能构建一些理论用来解释分子的结构并做出预测呢？VSEPR模型就是一种最简单的理论方法。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）。

　　这个模型的核心就是价层电子对相互排斥，以使他们彼此远离，这是VSEPR的模型结构的由来。

　　如果该分子有两对价层电子对，成键的彼此最大限度的远离就是键角180o，直线形。如果有三对价层电子对，成键的彼此最大远离就是键角120o，平面三角形，如果有四对夹层电子对，成键的最大远离就是正四面体，键角109o28’。在实际教学时，这里同学们最容易想到形成一个平面正方形，当老师告诉他们要彼此远离，远离的程度须彼此一致，再结合模型演示同学们能很容易理解键角为109o28’的原因。当然高中阶段只介绍到这里，还能告诉同学们，如果价层电子对为5对，模型结构为三角双锥，价层电子对为6对，模型结构为正八面体，能借助模型展示让学生了解。

　　计算中心原子的价层电子对，包括σ电子对和孤电子对。那就要先确认中心原子，ABn型分子，无一例外，中心原子都是单原子的A。例如CO2，中心原子为C，而C原子的σ电子对就是和中心原子成键的原子个数，因为在共价键一节已经明确介绍，原子在成键时优先采取“头碰头”重叠方式形成σ键。接着应用孤电子对数=(a-xb)计算C原子在形成CO2的孤电子对数。a就是中心原子A，即碳原子的价层电子数即最外层电子数4，a与中心原子A对应；x就是与中心原子A结合的原子数，也就是ABn中的n，实际上和σ电子对数是一样的；b就是与中心原子A成键的原子B即氧原子最外层所能得到的最大电子数2， b与原子B是对应的。即可计算出CO2分子中碳原子的孤电子对数= (a-xb)=（4-2×2）=0，这样该分子的价层电子对数即为σ电子对数，就和VSEPR模型一致，是直线形分子，然后通过系列计算强化公式的应用。例如NH3分子，σ电子对数为3，孤电子对数= (a-xb)=（5-3×1）=1，价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体，但是孤电子对数为1，能够理解为四面体的一个角因没有成键原子去占位置，因此分子的结构上缺了这个角，分子结构就成了三角锥形，再解释H2O价层电子对数为4，VSEPR模型为四面体，但是孤电子对数为2，四面体的两个角的位置因没有成键原子去占位置，因此分子的结构上缺了这两个角，分子结构就成了V形。也就不难理解SO2分子价层电子对数为3，VSEPR模型为正三角形，但是孤电子对数为1，三角形一个角的位置因没有成键原子去占位置，因此分子结构就是V形。对于带正电荷的离子，只需在计算孤电子对数时在中心原子的价电子数a上减去所带电荷数，意味着中心原子失去电子；对于带负电荷的离子，只需在计算孤电子对时在中心原子的价电子数a上加上所带电荷数，意味着中心原子得到电子。

　　最后要介绍给同学们的VSEPR模型的缺点，即为VSEPR模型主要预测ABn型分子或离子，而以过渡金属为中心原子的分子以及针对有机物分子多中心原子的特点就要靠杂化轨道理论了。杂化轨道学完以后，利用经验将VSEPR模型和杂化轨道理论相互结合起来，明确中心原子价层电子对数和杂化轨道类型的关系（见表1）。

　　董老师的商余法能解决ABn型、HxA型和HnABn分子的结构，但是让这样的一个过程变复杂了，要首先是根据八隅体规则对分子进行分类，然后对ABn型的原子种类进行分类。对于CH2O HClO等这种非典型的ABn型，确定中心原子后，其他原子均为成键原子，在计算孤电子对时一并减去。例如：CH2O，中心原子为C，σ电子对为2个氢原子2对，1个氧原子1对共3对，孤电子对数=（4-2×1-1×2）=0，分子构型为平面三角形。式中2×1的含义是2个氢原子每个所能得到的最大电子数为1，1×2的含义是1个氧原子所能得到的最大电子数为2，作为所有成键原子能得到的最大电子数一并减去。HClO分子的中心原子为O，σ电子对数为2，孤电子对数=（6-1×1-1×1）=2，VSEPR模型为四面体，由于两对孤电子对，所以分子结构为V形。

　　例1（2020年全国卷I，节选）磷酸根离子的空间构型为，其中P的价层电子对数、杂化轨道类型为。

　　PO4 3-，σ电子对数为4，孤电子对数=(5+3-4×2)=0，价层电子对数为4+0=4，则VSEPR模型与分子立体构型一致，为正四面体形，杂化轨道类型为sp3。

　　例2（2017年全国卷I，节选）X射线中存在离子的几何构型为，中心原子的杂化方式为。

　　I3 +不是ABn型微粒，但是等价于II2+，σ电子对数为2，孤电子对数=(7-1-2×1)=2，故分子构型为V形，价层电子对数为2+2=4，故中心原子的杂化方式为sp3。

　　这部分内容主要是针对有机物分子烃或者烃的衍生物，例如丙酮CH3COCH3分子中碳原子轨道的杂化类型这应该是属于杂化轨道理论的知识，学生通过本知识点的学习应该能判根据C原子的成键特点做出准确判断，见表2。

　　如果继续深入一些，根据教材介绍杂化轨道只能用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对，也可用此法判断有机物分子中N、O原子的杂化方式，即成键均为σ键为sp3杂化，形成1个π键少一个p轨道参与杂化，为sp2杂化，形成两个π键少两个p轨道参与杂化，为sp杂化。这样对于上述CH3COCH3的杂化方式为sp2和sp3也就能准确判断了。

　　教是为了更好地学，教师的教学工作务必追求学生的理解，不必将简单问题复杂化。分子结构与价键理论是大学无机化学与结构化学的重要学习内容，每种理论都有其优缺点。高中阶段浅尝辄止，例如现代共价键理论的重要分支分子轨道理论[3]还未涉及。因此不可能用一种理论解释所有分子的结构问题，重点是引导学生理解VSEPR模型和杂化轨道理论各自的优缺点，在高中阶段能将两者结合才来处理问题即可。

　　[2] 王晶，郑长龙. 普通高中教科书•化学（选择性必修2）物质结构与性质[M]. 北京：人民教育出版社，2020：44.

　　[3] 宋天佑，程鹏，徐家宁，等. 无机化学（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2019：211.

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