淺談 “價層電子對互斥理論”在無機化學教學中的幾點看法

趙建茹+徐夢姣

摘 要：價層電子對互斥理論是無機化學教學中一個重要知識點，在共價鍵理論的應用中有其一定的作用。本文就目前無機化學教學中“價層電子對互斥理論”的講授方法提出自己的見解，以引起授課教師對“價層電子對互斥理論”的重視，這對學生后期了解無機化合物的化學性質(zhì)也會有所幫助。

關鍵詞：共價鍵理論 價層互斥理論 無機化學

化學鍵理論的主要目標之一不單是解釋分子的結構，更重要的是要預測分子的結構，如果能夠準確地推測出分子的結構，對于了解分子的性質(zhì)會有幫助。然而，有些分子如O3、和NO2等，要“準而快”地確定它們的構型是有困難的。雖然雜化軌道理論在解釋和預測分子的結構方面比較成功，但是一個分子究竟采取哪種類型的雜化軌道有時也難于確定。而目前無機化學教材中簡單介紹的價層互斥理論在確定簡單無機分子的空間構型上是比較受歡迎的。但由于教學時數(shù)的壓縮，很多教師在無機化學授課中忽視了這一理論的介紹。筆者現(xiàn)就這一內(nèi)容的教學方法談幾點自己的看法。

一、提出來商討的問題

目前無機化學教材中價層互斥規(guī)則是針對VSEPR的基本思想和假設而建立起來的一種新的理論。很多無機教材中將這一理論作為選講內(nèi)容[1]，而許多教師則在授課過程中刪講。筆者認為，這一理論在判斷分子構型上運用起來比較簡便，應該在教學過程中在課堂上介紹給學生。這一理論在使用過程中，如何確定中心原子周圍的價電子數(shù)確存在一些問題。例如對于HCN等含有重鍵的分子，如按照Powell和Sidgwick等人早期的觀點[1]，其周圍的電子對數(shù)不好確定。因為如果將C定為中心原子，H和N作配位原子，它們一共可提供6個價電子，則HCN周圍共有5對價電子，顯然這將使問題復雜化。為了解決這種困境，目前教材中提出用“確定分子σ鍵骨架”的原則，以所含σ鍵的數(shù)目代替電子對數(shù)目的方法卻獲得了成功[2]。 從而使我們對于預言含有重鍵分子的結構有了新途徑，這也給價層互斥理論賦予了新內(nèi)容。所以，教材中以“確定σ鍵作分子的骨架”為判定分子構型的原則是合適的[3]，但有兩處是需要提出來商討的。

一是過于強調(diào)“σ鍵為骨架”的作用，這是忽略了分子周圍價電子對互斥作用的實質(zhì)，有時會得出錯誤的結論。例如對于NO2分子，其中只含有兩個σ鍵，似乎應當是直線型結構，但實際上NO2分子卻是V型結構。另一個問題過于強調(diào)Lewis結構，但是我們知道，由于Lewis結構過于強調(diào)八隅體模型，而且有許多例外情況。很容易把本來比較簡便的互斥理論反而變的復雜化。因為像BF3和SF6等等并不符合Lewis結構。考慮到以上情況，筆者認為授課時不必要把寫出Lewis結構當作先決條件，而應按照VSEPR規(guī)則：電子對數(shù)目的確定不用于限定σ鍵數(shù)為目的的一種方法，把確定分子周圍價層電子數(shù)的方法歸并在一起。即：價層電子對數(shù)的計算方法為：

1.分子周圍的價層電子數(shù)等于中心原子價電子數(shù)與配位原子所能提供的價電子數(shù)之和。

2.配位原子所能提供的價電子數(shù)：

A.氫和鹵素各提供1個價電子；

B.氧族元素的原子可以認為不提供電子（作為中心原子時可提供6個價電子）

3.對于離子則應加上或減去與離子電荷相應的電子數(shù)。例如：NO3-

離子的價層電子對數(shù)目是：1/2（5+0+1） = 3；NH4+離子的價層電子對數(shù)目是：1/2（5+4-1） = 4。

4.如果出現(xiàn)奇數(shù)電子—未成對電子，則可以把它當作電子對來看待。例如NO2分子周圍的電子對數(shù)目= 1/2（5+0），則把它看做是3對電子，所以NO2是V型結構。

5.對于含有重鍵分子，其電子對數(shù)目可看作是等于其所含σ鍵的個數(shù)。

根據(jù)分子或離子周圍價電子對數(shù)目（包括成鍵電子和孤對電子）在空間互斥最小的原則確定分子構型。如果考慮以上五條規(guī)律，則即可擺脫那些難于確定的Lewis結構和八隅體例外帶來的困境，又能幫助我們更快地確定分子的構型，也不會給學生帶來太多困惑。

二、互斥理論的優(yōu)越性

1. “快而準”

對于O3分子，雖然近代實驗手段已確知其三個氧原子之間鍵角和鍵長，得知它是V型結構，但如果要從理論推測就有一定的困難，甚至很多教材中也認為在O3分子中“每個氧原子都以sp2雜化相結合” [3]。可見用其它方法確定O3分子結構是“慢而不準的”。如果用分子軌道理論來處理就變的更加復雜了，但是如果用互斥理論，把其中一個氧原子當作中心原子，另兩個作為配位原子，則我們就很快地確定O3分子中有三對價電子，就能“快而準”地推知O3分子具有V型結構。而且不用借助于先寫出Lewis結構，也不必預先找出O3分子會有幾個σ鍵，也不會陷入“每個氧原子都以sp2雜化相結合”的誤解。

再如，雖然可借助于的能級圖幫助我們了解的成鍵情況，但因分子軌道法與空間構型無直接關系，用雜化軌道理論又不能預先知道它是屬于哪類雜化；如果用互斥理論，把看作是[II2]-離子，則其周圍應有5對價電子，考慮到全電子對的互斥情況，電子對在空間的位置應是三角雙錐，可是的三對孤對電子在空間卻有四種排列方式，但只有當三對孤對電子占據(jù)平面三角形的三個頂點，I-I-I在一條直線上垂直于三對孤對電子所占據(jù)的平面時的結構才能使互斥最小。因為只有這樣才能使其含有最少數(shù)目的、角度最小的孤對—孤對的互斥作用。所以I3-的結構應是線型結構。這也就是I3-的線型結構能與直鏈淀粉形成藍色復合物的原因[4]。

2.“難變易”

對于氮的氧化物和鹵素含氧酸根離子的結構被認為是比較復雜的。例如，，，，用分子軌道理論和雜化軌道理論都不易確定它們的空間構型。因為它們的能級圖和雜化類型都預先不知道。而用互斥理論則使之變得容易。因為按以上指出的五條確定電子對的方法，能很容易確定這四種離子周圍都有4對價層電子，考慮到全電子對在空間的互斥情況，這四種離子的結構分別是：是直線型，是V型，是三角錐型，是正四面體型。

雖然價層互斥理論在確定分子構型上有不少優(yōu)越性，但目前還是比較粗糙的，不能精確地確知其鍵角，也不能告訴我們鍵級和成鍵情況，盡管如此，但在“快而準”確定分子構型方面仍不失其價值，教師在授課時應準確全面的展現(xiàn)給學生，講清楚此理論的優(yōu)勢與不足，也為學生在掌握無機化合物的性質(zhì)時提供一些幫助。

參考文獻

[1] 華南理工大學，《無機化學》，第二版，化學工業(yè)出版社。

[2] 大連理工大學，《無機化學》，第五版，高等教育出版社。

[3] 天津大學，《無機化學》，第四版，高等教育出版社。

[4] 武漢大學，《無機化學》，第四版，高等教育出版社。endprint