VSEPR 与分子形状VSEPR and Molecular Shape

水分子是直的，还是弯的？

水的 Lewis 结构常画成 H–O–H 一条直线，可是实验测得，水分子是弯的，两个 O–H 键的夹角是 104.5°。同样有三个原子，CO₂ 却是笔直的，夹角 180°。2.4.4 节说过，Lewis 结构只表示原子怎样连接，不表示形状。要预测分子的空间形状，需要一个新的模型。

价层电子对互斥模型

分子中，中心原子周围的电子对（成键电子对和孤电子对）都带负电，彼此排斥，会尽可能远离，使排斥最小。这就是价层电子对互斥模型VSEPR model，简称 VSEPR 模型。

中心原子的价层电子对数number of electron domains = σ 键电子对数 + 中心原子上的孤电子对数。双键、三键都只算一对（只数 σ 键），因为它们都指向同一个方向。

人教版课本用一个公式求中心原子上的孤电子对数：

a 是中心原子的价电子数（阳离子要减去所带的电荷数，阴离子要加上），x 是和中心原子结合的原子数，b 是每个结合原子最多能接受的电子数（H 为 1，其他原子为“8 − 价电子数”，如 O 为 2，Cl 为 1）。例如水：a = 6，x = 2，b = 1，孤电子对数是 ½ × (6 − 2) = 2；σ 键电子对有 2 对，价层电子对数是 4。

美国教材通常不用这个公式，而是先画 Lewis 结构，再数中心原子周围的“电子区域”（electron domain）：每个键（不论单键、双键还是三键）算一个，每对孤电子对算一个。两种方法得到的结果完全一样。

从电子对的排布到分子的形状

价层电子对数决定了电子对在空间的排布，叫做 VSEPR 模型；去掉孤电子对、只看原子的位置，就是分子的空间结构molecular geometry：

CH₄、NH₃、H₂O 的价层电子对数都是 4，键角却越来越小。原因是孤电子对只受一个原子核吸引，比成键电子对“胖”，占据的空间更大，排斥也更强：

• 孤电子对与孤电子对之间的排斥 > 孤电子对与成键电子对之间 > 成键电子对与成键电子对之间。
• NH₃ 有 1 对孤电子对，把键角从 109.5° 压到 107°；H₂O 有 2 对，进一步压到 104.5°。

AP 拓展：5 对和 6 对价层电子

第 3 周期及以后的中心原子可以有 5 对或 6 对价层电子（2.4.4 节的扩展八隅）。5 对时电子对排成三角双锥形（PCl₅，键角 90° 和 120°），孤电子对优先占据赤道位置，得到变形四面体形（SF₄）、T 形（ClF₃）和直线形（XeF₂）。6 对时排成八面体形（SF₆，键角 90°），1 对孤电子对时是四方锥形（BrF₅），2 对时两对孤电子对相对，是平面正方形（XeF₄）。人教版课本主要要求 2～4 对；AP 要求全部。

选一个分子，按住模型拖动，从不同角度看；打开“价层电子对的方向”，比较 VSEPR 模型和分子的空间结构：

例题 1：氨分子

预测 NH₃ 的空间结构和键角。

例题 2：CO₂ 和 SO₂

为什么 CO₂ 是直线形，而 SO₂ 是 V 形？

常见误区

即时小测

小结

• VSEPR 模型：中心原子周围的价层电子对相互排斥、尽量远离。价层电子对数 = σ 键电子对数 + 孤电子对数；孤电子对数 = ½(a − xb)。
• 2、3、4 对价层电子分别排成直线形（180°）、平面三角形（120°）、四面体形（109.5°）；去掉孤电子对就是分子的空间结构：V 形、三角锥形等。
• 孤电子对的排斥更强，使键角变小：CH₄ 109.5°、NH₃ 107°、H₂O 104.5°。