高中化學競賽/價層電子對互斥模型

我們已在高中初步學習了價層電子對互斥模型，並且了解了價層電子對數的計算公式$n={\frac {1}{2}}(a-xb)$（a為中心原子的族序數，b為配位原子達到穩定結構需要的電子數，x為配位原子的數量）。在這裡我們會學習一種新的判斷VSEPR模型的方法。

對於以A原子為中心原子的某一分子（或離子）AX_n，我們將其寫為AX_nE_m，E表示中心原子A上的孤對電子對數。那麼有：

$m={\frac {1}{2}}(a-n|b|-q)$

其中a為A的族序數，b為X的化合價，q為離子所帶電荷數（帶正負號）。

例題

題目

計算下列微粒的中心原子上的孤對電子對數：$SO_{2}$，$SO_{3}$，$SO_{3}^{2-}$，$SO_{4}^{2-}$。

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答案

${\begin{array}{|c|c|}particle&m\\\hline SO_{2}&1\\SO_{3}&0\\SO_{3}^{2-}&1\\SO_{4}^{2-}&0\\\end{array}}$

我們令$z=m+n$，便可寫出AY_z這個通式。這裡的z表示價層電子對數。這樣，我們便可以與高中階段聯繫起來了。

z與VSEPR模型對應關係如下表：

z	2	3	4	5	6
VSEPR模型	直線型	平面三角形	正四面體型	三角雙錐型	正八面體型
球棍模型

我們捨去孤對電子，便得到了粒子的實際構型。但孤對電子實際位置需要通過下列幾種斥力順序判斷：

1. 孤對電子對-孤對電子對>孤對電子對-鍵合電子對>鍵合電子對-鍵合電子對
2. 雙鍵-單鍵>單鍵-單鍵
3. 電負性弱-電負性弱>電負性弱-電負性強>電負性強-電負性強

例題

題目

已知四氟化硫$SF_{4}$分子，判斷其VSEPR模型和空間構型。

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答案

$m={\frac {1}{2}}(6-1\times 4)=1$，故$SF_{4}$屬$AX_{4}E_{1}$，z=5。其VSEPR模型為三角雙錐形。
分子中有一對孤對電子，它可能出現的位置有兩種——(1)中心原子所在的三角形平面外；(2)中心原子所在的三角形平面內。
考慮斥力：(1)分子中有3個90度的孤對電子對-鍵合電子對，三個90度的鍵合電子對-鍵合電子對，三個120度的鍵合電子對-鍵合電子對；(2)分子中有兩個90度的孤對電子對-鍵合電子對，兩個120度的孤對電子對-鍵合電子對，四個90度的鍵合電子對-鍵合電子對，一個120度的鍵合電子對-鍵合電子對。
由於120度電子對之間的斥力遠小於90度電子對，可以忽略不計，所以(2)的斥力比(1)穩定。
故四氟化硫分子呈變形四面體型（又稱蹺蹺板型），如下圖。

一般來講，確定了z、m之後，分子構型如下表所示：

電子對數	m=0	m=1	m=2	m=3
2	直線型
3	平面三角型	角型（V型）
4	四面體型	三角錐型	角型（V型）
5	三角雙錐型	變形四面體型（蹺蹺板型）	T型	直線型
6	八面體型	四角錐型	平面正方形型	T型