胡裕全

[摘 要]

针对高二学生在推测分子的立体构型中存在的问题，灵活选择运用价层电子对互斥理论、等电子原理、杂化轨道理论等推测分子的立体构型。辨析存在的易错点、易混点，提高分析问题和解决问题的能力。

[关键词]

立体构型；中心原子价层电子对数；孤电子对数

CO2和SO2都是三原子分子，为什么CO2呈直线形而SO2呈V形？BF3和NH3都是四原子分子，为什么BF3呈平面三角形而NH3呈三角锥形？许多高二初学者的思路往往杂乱无章、混为一谈。如何引导他们有依有据、灵活自如地推测分子或离子的立体构型？

一、问题的提出

（一）分子的立体构型

分子的立体构型是指分子中的原子在空间的立体排布，常用键长和键角来描述它。分子中的原子处于不断地运动中，分子的立体构型其实只是分子中的原子处于平衡位置时的模型。肉眼看不到分子，科学家常用现代仪器如红外光谱仪测定分子的结构。高中生常常根据有关理论推测分子的立体构型，再从结构决定性质这一视角预测物质的有关性质，解释相关的化学现象。

（二）引导的方向

（1）中华人民共和国教育部制订的《普通高中化学课程标准》中指出，高中生要能够根据有关理论判断简单分子或离子的构型，能够结合实例说明“等电子原理”的应用。

（2）教育部考试中心出版的《2016年普通高等学校招生全国统一考试大纲》要求，高中生要能够用价层电子对互斥理论或者杂化轨道理论推测常见的简单分子或离子的空间结构。

二、运用“价层电子对互斥理论（VSEPR theory）”推测分子的立体构型

（一）价层电子对互斥理论

（1）价层电子对：指分子中的中心原子上的电子对，包括成键电子对即σ键电子对（bp）和中心原子上的孤电子对（lp）。

（2）价层电子对互斥理论的基本观点：分子的立体构型是由价层电子对数目决定的，分子中的价层电子对总是尽可能地互斥，尽可能趋向彼此远离而形成稳定的立体构型。因此价层电子对互斥理论是一种解释和预测分子立体构型的理论。

（3）当成键电子对中有多重键时，它们之间的斥力不同，π键越多，斥力越大，键角越大。多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序为：

叁键-叁键>叁键-双键>双键-双键>双键-单键>单键-单键

lp-lp>>lp-bp>bp-bp

（二）运用“价层电子对互斥理论”推测分子（ABm型）的立体构型方法1

（1）中心原子价层电子对数n=σ键电子对数+孤电子对数

（2）σ键电子对数可由分子式确定。由于共价单键、双键、三键中都只有一个σ键，

因此可将单键、双键、三键的σ键电子对数都算为1对。

σ键電子对数=与中心原子成键的原子数

（3）中心原子上的孤电子对数=（a-mb）/2

式中a为中心原子的价电子数，主族元素价电子数等于原子的最外层电子数；m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，其他原子等于“8-该原子的价电子数”。

（4）根据中心原子价层电子对数和孤电子对数推测ABm型分子的立体构型，见表1。

（三）运用“价层电子对互斥理论”推测分子（ABm型）的立体构型方法2

（1）中心原子价层电子对数n=（中心原子的价电子数-离子所带的电荷+m*每个配位原子提供的价电子数）/2

①作为中心原子，卤素原子按提供7个电子计算，氧族元素的原子按提供6个电子计算。

②作为配位原子，卤素原子和氢原子提供1个电子，氧族元素的原子不提供电子。

③复杂离子在计算价层电子对数时，阳离子所带的电荷代入时取正值，阴离子所带的电荷代入时取负值。

④计算价层电子对数时，若剩余1个电子，也把这个电子当作1对电子计算。

⑤双键、三键等作为1对电子计算。

（2）中心原子上的孤电子对数的计算

①中心原子上的孤电子对数=（中心原子的价电子数-中心元素的化合价）/2

②同上方法1：中心原子上的孤电子对数=（a-mb）/2

（3）根据中心原子价层电子对数和孤电子对数推测ABm型分子的立体构型，见表1。

案例1[2016年高考全国卷II 37.（2）①]

37.（2）硫酸镍溶于氨水形成[Ni（NH3）6]SO4蓝色溶液。

①[Ni（NH3）6]SO4中阴离子的立体构型是______。

方法1 σ键电子对数=与中心原子成键的原子数=4

中心原子上的孤电子对数=[6-（-2）-4*2]/2=0

n=4+0=4 立体构型：正四面体形

方法2 n=[6-（-2）+0]/2=4

中心原子上的孤电子对数=（6-6）/2=0 立体构型：正四面体形

三、运用“等电子原理”推测分子的立体构型

（一）等电子原理

等电子体是指原子总数相等，价电子总数也相等的分子或离子。其结构和性质有很大的相似性，具有相似的化学键特征，包括分子或离子的立体构型和化学键的类型，但是键角并不一定相等。

（二）等电子体的判断方法

（1）同族元素：同族元素价电子总数相等，故可相互替换推断。

（2）周期表相邻位置：在价电子总数相等的前提下，通过原子的价电子的增减，在元素周期表相邻位置进行推断。

（3）分子与离子之间：根据原子的价电子与粒子所带的电荷的转化来进行分子和离子之间的推断。endprint

（三）运用“等电子原理”判断简单分子或离子的立体构型，见表2。

案例2[2016年高考全国卷II 37.（2）①]

37.（2）硫酸镍溶于氨水形成[Ni（NH3）6]SO4蓝色溶液。

①[Ni（NH3）6]SO4中阴离子的立体构型是_____。

分析：[Ni（NH3）6]SO4中阴离子为SO42-与PO43-、ClO4-互为等电子体，原子总数为5，价电子总数为32，孤电子对数为0，可得它的立体构型为正四面体形。

案例3[2016年高考全国卷III 37.（3）]

37.（3）AsCl3分子的立体构型为________，其中As的杂化轨道类型为_______ 。

分析：AsCl3与NCl3互为等电子体，原子总数为4，价电子总数为26，孤电子对数为1，可得它的立体构型为三角锥形。

四、运用“杂化轨道理论”推测分子的立体构型

（一）杂化轨道理论

（1）杂化轨道理论是鲍林为了解释分子的立体构型提出的一种价键理论。在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合的过程叫作原子轨道的杂化，组合后形成的一组新的原子轨道，叫作杂化轨道。

（2）杂化轨道的数目等于组成杂化轨道的各原子轨道的数目，即轨道杂化后原子轨道总数不变。

（3）杂化轨道只用于形成σ键或者容纳孤电子对，不用于形成π键。

（4）杂化轨道成键时形状和方向发生变化，成键时重叠程度越大，形成的共价键越牢固，要满足化学键间最小排斥原理。

（二）杂化轨道的类型

（1）sp杂化：由1个ns轨道和1个np轨道杂化，得到直线形的2个sp杂化轨道。

（2）sp2杂化：由1个ns轨道和2个np轨道杂化，得到平面三角形分布的3个sp2杂化轨道。

（3）sp3杂化：由1个ns轨道和3个np轨道杂化，得到正四面体形分布的4个sp3杂化轨道。

（三）杂化轨道数的计算方法

（1）杂化轨道数=中心原子价层电子对数n

（2）凡是能直接画出结构式的分子，通常用杂化轨道理论来推测分子的立体构型。若中心原子是碳原子或氮原子时，当它们形成的共價键中含有一个叁键或两个双键，则杂化轨道类型为sp；当它们形成的共价键中含有一个双键其余为单键，则杂化轨道类型为SP2；当它们形成的共价键都是单键，则杂化轨道类型为sp3。

[参 考 文 献]

[1]叶虹.判断分子空间构型的方法[J].数理化学习，2015（5）：39.

（责任编辑：张华伟）endprint