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高 中 化 學 學 科 中 心 1 VSEPR(Valence-shell electron-pair repulsion theory) 高雄女中化學教師 陳文靜 VSEPR(Valence-shell electron-pair repulsion theory)：價殼層電子排斥理論。 這理論對預測非金屬分子的幾何結構非常有用。筆者將對此理論描述之。 一、VSEPR理論的要點 一般而言，在分子或離子內的電子對會以電子對的方式存在分子或離子 內。又電子間具斥力，所以，分子或離子內圍繞中心原子之電子對應盡量遠離， 使電子對與電子對之間的斥力降至最低。 分子中的電子對分為未鍵結電子對(lone pair，簡稱 lp)及鍵結電子對(bonding pair，bp)二種：(1)未鍵結電子對：僅受一核影響，電子雲佔較大的空間;(2)鍵結 電子對：二個原子核吸引電子雲，呈細長形。 電子對斥力大小：l.p.–l.p.斥力>b.p.–l.p.斥力>b.p.–b.p.斥力 二、使用 VSEPR理論的步驟 以 VSEPR理論來建構分子模型的步驟如下: 1. 先畫出分子的路易士結構 2. 計算中心原子的鍵結電子對及未鍵結電子對之總數 3. 安排中心原子的電子對總數使成為最小斥力的方式(即把電子對儘可能地 分離) 4. 從電子對的分配來決定原子們的位置 5. 從原子間的位置來命名其分子結構 範例一： 描述水分子的分子結構 解答： 水的路易士結構為圖一結構，共有四對電子對：二對鍵結電子對(稱共用電子 對)及二對非鍵結電子對(又稱未共用電子對)。想達成電子對間最小斥力的最 好安排為四面體情形，如圖二。雖然，水的中心原子之電子對有四面體的安 排，但是水並不是四面體分子，它是 V型分子(或稱角型分子)，如圖三。 高 中 化 學 學 科 中 心 2 範例二： 預測 PCl5分子的幾何結構 解答： PCl5的路易士結構如圖四。五對電子對圍繞著 P原子,想達成電子對間最小斥 力的最好安排是呈雙三角錐型，見圖五 三、以 VSEPR理論來預測各分子的形狀及鍵角之方法 在圖三中，我們看到水分子呈現角型是因為有未鍵結電子對存在所致。假 如沒有未鍵結電子對存在的話，這分子一定呈直線型且無極性。但是，因為未 鍵結電子對不像鍵結電子對位於二個原子之間，而是只位於中心原子上，所以， 它比鍵結電子對需要更大空間，會壓縮鍵結電子對間的鍵角。使得水分子無法 呈直線型而是呈現角型。由此可知 1.未鍵結電子對會佔有較大空間 2.中心原子有未共用電子對存在時，鍵角會比原先所預測的分子鍵角小一些 3.電子對斥力大小：l.p.–l.p.斥力>b.p.–l.p.斥力>b.p.–b.p.斥力 此外，因為雙鍵在二原子間的電子數為 4，比單鍵在二原子間的電子數為 2 來得多，電子數多斥力就大，所以，雙鍵比單鍵佔有較多的空間。 根據以上所描述，我們可以下方法來預測各物質的形狀及鍵角： X+E=(中心原子價電子數+分子或離子所帶的電荷數+外圍原子所供應電子數)/2 H 圖二 水的鍵結電子對及未鍵結 電子對間的分配成四面體情形 H 未鍵結電子對 圖一 水的路易士結構 H 未鍵結電子對 H 圖三 水的角型結構 H H P Cl Cl Cl Cl Cl 圖四 PCl5的路易士結構 P Cl Cl Cl Cl Cl 圖五 PCl5的分子結構 高 中 化 學 學 科 中 心 3 X=周圍原子數，E=未共用電子對數，H、鹵素供應電子數=1，O族供應電子數 =0，N族=-1 範例三： 以VSEPR理論預測下列各物質的形狀及鍵角：BeCl2、BF3、CH4、NH3、CO2 解答： 1.BeCl2 X+E=(2+1*2)/2=2，故 X=2，E=0，即 sp，直線形，鍵角 180 2.BF3 X+E=(3+1*3)/2=3，故 X=3，E=0，即 sp2，平面三角形，鍵角 120 3.CH4 X+E=(4+1*4)/2=4，故 X=4，E=0，即 sp3，四面體，鍵角 109.50 4.NH3 X+E=(5+1*3)/2=4，故 X=3，E=1，即 sp3，角錐，鍵角因有一對孤對電子壓縮 空間，故略小於 109，約等於 106.7 5. CO2 X+E=(4+0*2)/2=2，故 X=2，E=0，即 sp，直線形，鍵角 180 四、由 VSEPR理論所推斷的電子對與分子模型之綜合格 綜合以上各點所得之電子對分配與分子形狀的關係表格如表一所示: 表一 電子對分配與分子形狀的關係 分子 中心原子 總電子對 數目 鍵結電 子對數 目 未鍵結 電子對 數目 分子型狀 範例 AB2 2 2 0 直線型 HgCl2、BeCl2、CO2、HCN AB2 3 2 1 角型 SnCl2、SO2、NO2 AB3 3 3 0 平面△ BF3、BCl3、BH3、SO3 AB3 4 3 1 角錐型 NH3、PF3 AB4 4 4 0 四面體 CH4、SiCl4、POCl3 AB2 4 2 2 角型 H2O、ICl2+、F2O、BrO2、SCl2 AB5 5 5 0 雙三角錐 PF5、PCl5、SbF5、IO3F2- AB4 5 4 1 扭曲四面體 SF4、IF4+ AB3 5 3 2 T字型 ClF3、BrF3 AB2 5 2 3 直線型 I3-、ICl2-、XeF2 AB6 6 6 0 八面體 SF6、PF6- AB5 6 5 1 四角錐 IF5、BrF5、XeOF4 AB4 6 4 2 平面四方型 XeF4、BrF4-