淺談 “價(jià)層電子對(duì)互斥理論”在無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中的幾點(diǎn)看法

趙建茹+徐夢(mèng)姣

摘 要：價(jià)層電子對(duì)互斥理論是無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，在共價(jià)鍵理論的應(yīng)用中有其一定的作用。本文就目前無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”的講授方法提出自己的見(jiàn)解，以引起授課教師對(duì)“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”的重視，這對(duì)學(xué)生后期了解無(wú)機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)也會(huì)有所幫助。

關(guān)鍵詞：共價(jià)鍵理論 價(jià)層互斥理論 無(wú)機(jī)化學(xué)

化學(xué)鍵理論的主要目標(biāo)之一不單是解釋分子的結(jié)構(gòu)，更重要的是要預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)，如果能夠準(zhǔn)確地推測(cè)出分子的結(jié)構(gòu)，對(duì)于了解分子的性質(zhì)會(huì)有幫助。然而，有些分子如O3、和NO2等，要“準(zhǔn)而快”地確定它們的構(gòu)型是有困難的。雖然雜化軌道理論在解釋和預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)方面比較成功，但是一個(gè)分子究竟采取哪種類型的雜化軌道有時(shí)也難于確定。而目前無(wú)機(jī)化學(xué)教材中簡(jiǎn)單介紹的價(jià)層互斥理論在確定簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)分子的空間構(gòu)型上是比較受歡迎的。但由于教學(xué)時(shí)數(shù)的壓縮，很多教師在無(wú)機(jī)化學(xué)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(xué)方法談幾點(diǎn)自己的看法。

一、提出來(lái)商討的問(wèn)題

目前無(wú)機(jī)化學(xué)教材中價(jià)層互斥規(guī)則是針對(duì)VSEPR的基本思想和假設(shè)而建立起來(lái)的一種新的理論。很多無(wú)機(jī)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(guò)程中刪講。筆者認(rèn)為，這一理論在判斷分子構(gòu)型上運(yùn)用起來(lái)比較簡(jiǎn)便，應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中在課堂上介紹給學(xué)生。這一理論在使用過(guò)程中，如何確定中心原子周圍的價(jià)電子數(shù)確存在一些問(wèn)題。例如對(duì)于HCN等含有重鍵的分子，如按照Powell和Sidgwick等人早期的觀點(diǎn)[1]，其周圍的電子對(duì)數(shù)不好確定。因?yàn)槿绻麑定為中心原子，H和N作配位原子，它們一共可提供6個(gè)價(jià)電子，則HCN周圍共有5對(duì)價(jià)電子，顯然這將使問(wèn)題復(fù)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(duì)數(shù)目的方法卻獲得了成功[2]。 從而使我們對(duì)于預(yù)言含有重鍵分子的結(jié)構(gòu)有了新途徑，這也給價(jià)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(gòu)型的原則是合適的[3]，但有兩處是需要提出來(lái)商討的。

一是過(guò)于強(qiáng)調(diào)“σ鍵為骨架”的作用，這是忽略了分子周圍價(jià)電子對(duì)互斥作用的實(shí)質(zhì)，有時(shí)會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。例如對(duì)于NO2分子，其中只含有兩個(gè)σ鍵，似乎應(yīng)當(dāng)是直線型結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上NO2分子卻是V型結(jié)構(gòu)。另一個(gè)問(wèn)題過(guò)于強(qiáng)調(diào)Lewis結(jié)構(gòu)，但是我們知道，由于Lewis結(jié)構(gòu)過(guò)于強(qiáng)調(diào)八隅體模型，而且有許多例外情況。很容易把本來(lái)比較簡(jiǎn)便的互斥理論反而變的復(fù)雜化。因?yàn)橄馚F3和SF6等等并不符合Lewis結(jié)構(gòu)?？紤]到以上情況，筆者認(rèn)為授課時(shí)不必要把寫(xiě)出Lewis結(jié)構(gòu)當(dāng)作先決條件，而應(yīng)按照VSEPR規(guī)則：電子對(duì)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(jià)層電子數(shù)的方法歸并在一起。即：價(jià)層電子對(duì)數(shù)的計(jì)算方法為：

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

2.配位原子所能提供的價(jià)電子數(shù)：

A.氫和鹵素各提供1個(gè)價(jià)電子；

B.氧族元素的原子可以認(rèn)為不提供電子（作為中心原子時(shí)可提供6個(gè)價(jià)電子）

3.對(duì)于離子則應(yīng)加上或減去與離子電荷相應(yīng)的電子數(shù)。例如：NO3-

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

4.如果出現(xiàn)奇數(shù)電子—未成對(duì)電子，則可以把它當(dāng)作電子對(duì)來(lái)看待。例如NO2分子周圍的電子對(duì)數(shù)目= 1/2（5+0），則把它看做是3對(duì)電子，所以NO2是V型結(jié)構(gòu)。

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

根據(jù)分子或離子周圍價(jià)電子對(duì)數(shù)目（包括成鍵電子和孤對(duì)電子）在空間互斥最小的原則確定分子構(gòu)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(jié)構(gòu)和八隅體例外帶來(lái)的困境，又能幫助我們更快地確定分子的構(gòu)型，也不會(huì)給學(xué)生帶來(lái)太多困惑。

二、互斥理論的優(yōu)越性

1. “快而準(zhǔn)”

對(duì)于O3分子，雖然近代實(shí)驗(yàn)手段已確知其三個(gè)氧原子之間鍵角和鍵長(zhǎng)，得知它是V型結(jié)構(gòu)，但如果要從理論推測(cè)就有一定的困難，甚至很多教材中也認(rèn)為在O3分子中“每個(gè)氧原子都以sp2雜化相結(jié)合” [3]?？梢?jiàn)用其它方法確定O3分子結(jié)構(gòu)是“慢而不準(zhǔn)的”。如果用分子軌道理論來(lái)處理就變的更加復(fù)雜了，但是如果用互斥理論，把其中一個(gè)氧原子當(dāng)作中心原子，另兩個(gè)作為配位原子，則我們就很快地確定O3分子中有三對(duì)價(jià)電子，就能“快而準(zhǔn)”地推知O3分子具有V型結(jié)構(gòu)。而且不用借助于先寫(xiě)出Lewis結(jié)構(gòu)，也不必預(yù)先找出O3分子會(huì)有幾個(gè)σ鍵，也不會(huì)陷入“每個(gè)氧原子都以sp2雜化相結(jié)合”的誤解。

再如，雖然可借助于的能級(jí)圖幫助我們了解的成鍵情況，但因分子軌道法與空間構(gòu)型無(wú)直接關(guān)系，用雜化軌道理論又不能預(yù)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(yīng)有5對(duì)價(jià)電子，考慮到全電子對(duì)的互斥情況，電子對(duì)在空間的位置應(yīng)是三角雙錐，可是的三對(duì)孤對(duì)電子在空間卻有四種排列方式，但只有當(dāng)三對(duì)孤對(duì)電子占據(jù)平面三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，I-I-I在一條直線上垂直于三對(duì)孤對(duì)電子所占據(jù)的平面時(shí)的結(jié)構(gòu)才能使互斥最小。因?yàn)橹挥羞@樣才能使其含有最少數(shù)目的、角度最小的孤對(duì)—孤對(duì)的互斥作用。所以I3-的結(jié)構(gòu)應(yīng)是線型結(jié)構(gòu)。這也就是I3-的線型結(jié)構(gòu)能與直鏈淀粉形成藍(lán)色復(fù)合物的原因[4]。

2.“難變易”

對(duì)于氮的氧化物和鹵素含氧酸根離子的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是比較復(fù)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(gòu)型。因?yàn)樗鼈兊哪芗?jí)圖和雜化類型都預(yù)先不知道。而用互斥理論則使之變得容易。因?yàn)榘匆陨现赋龅奈鍡l確定電子對(duì)的方法，能很容易確定這四種離子周圍都有4對(duì)價(jià)層電子，考慮到全電子對(duì)在空間的互斥情況，這四種離子的結(jié)構(gòu)分別是：是直線型，是V型，是三角錐型，是正四面體型。

雖然價(jià)層互斥理論在確定分子構(gòu)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(jí)和成鍵情況，盡管如此，但在“快而準(zhǔn)”確定分子構(gòu)型方面仍不失其價(jià)值，教師在授課時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確全面的展現(xiàn)給學(xué)生，講清楚此理論的優(yōu)勢(shì)與不足，也為學(xué)生在掌握無(wú)機(jī)化合物的性質(zhì)時(shí)提供一些幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 華南理工大學(xué)，《無(wú)機(jī)化學(xué)》，第二版，化學(xué)工業(yè)出版社。

[2] 大連理工大學(xué)，《無(wú)機(jī)化學(xué)》，第五版，高等教育出版社。

[3] 天津大學(xué)，《無(wú)機(jī)化學(xué)》，第四版，高等教育出版社。

[4] 武漢大學(xué)，《無(wú)機(jī)化學(xué)》，第四版，高等教育出版社。endprint