價層電子對數的公式怎麼有兩種算法?

2021-02-25 有化好好說嘛

  價層電子對互斥理論(VSEPR)可以計算出分子的VSEPR模型,從而預測分子的立體構型,進而確定雜化類型。

關於價層電子對互斥理論(VSEPR)中的價層電子對數計算(以ABx型分子為例),號主發現高中學習中會碰到有兩種算法。

方法一:

是課本上(舊人教版選修三37頁或新人教版選修二44~45頁)的方法,即:

價層電子對=σ 鍵電子對+中心原子孤電子對

公式中中σ 鍵電子對由化學式確定,即為x;

中心原子孤電子對=0.5*(a-xb),其中a為中心原子A的價電子數+電荷數(陰離子減,陽離子加);b為與中心原子結合的原子(B原子)最多能接受的電子數(H為1,其他為8-B原子的價電子數)

所以,價層電子對=x+0.5*(a-xb)

例如:

NH4+的價層電子對數=4+0.5*(5-1-4*1)=4

SO42-的價層電子對數=4+0.5*(6+2-4*2)=4

CO2的價層電子對數=2+0.5*(4-2*2)=2

BCl3的價層電子對數=3+0.5*(3-3*1)=3

 

方法二:

是大學無機教材上的算法,但許多輔導書上都在使用,即:

價層電子對=0.5*(中心原子A的價電子數+電荷數(陰離子減,陽離子加)+B原子提供的價電子數)

公式中中心原子A的價電子數+電荷數的計算如方法一,記為a;B原子提供的價電子數將其記為b',並規定:H和滷族元素原子為1,VIA族元素原子為0,VA族元素原子為-1。

所以,價層電子對=0.5*(a+xb')

例如:

NH4+的價層電子對數=0.5*(5-1+4*1)=4

SO42-的價層電子對數=0.5*(6+2+4*0)=4

CO2的價層電子對數=0.5*(4+2*0)=2

BCl3的價層電子對數=0.5*(3+3*1)=3

 

那麼為什麼會有兩種方法?其結果又是相同的呢?號主網上搜索了很久,也沒有找到很滿意的解答,就按照理解自己試著回答一下。

我們先從公式的表達式上觀察,若x+0.5*(a-xb)=0.5*(a+x(2-b))=0.5*(a+xb'),則2-b=b'

當b=1時(H和滷族),b'=1;當b=2時(氧族),b'=0;當b=3時(氮族),b'=-1。這都符合上面方法二中的規定。所以兩者的計算結果是相等的,用任意一種都行!

我們再以二氧化碳分子為例,從定義出發試圖解釋一下,二氧化碳高中階段書寫的電子式為

按照方法一,碳的價電子數4,氧最多接受電子數2,所以碳的孤電子對數為4-2*2=0,即沒有孤對電子!碳的4個價電子都拿來成鍵了(當然有σ 鍵有π鍵)。從電子式上也發現確實如此。其中σ 鍵為2個,所以價層電子對數為2+0=2,沒毛病。

按照方法二呢?碳的價電子數為4,氧能提供的價電子數為0。這裡會產生疑問,憑什麼氧提供的電子算0?而H和滷素原子提供的電子還是算作1?按照電子式氧也提供電子形成共價鍵了呀。其實,高中階段的電子式書寫要求是很基本的,沒有考慮複雜的真實情況。根據VSEPR模型可以推出碳為sp雜化,兩個σ 鍵與氧原子形成共價鍵,那麼碳的2個p軌道內的電子呢?實際上是它們以一種3中心4電子的方式與兩個氧原子形成π鍵,如圖所示:

 

從圖上我們也看出,氧原子其實提供了一個電子去和碳的sp雜化軌道成鍵,但是碳的p軌道電子又相當於「還給」了氧,所以方法二就做了這種處理,認為氧的供電子數相當於0!

其他分子的情況類似,這裡就不再列舉。所以使用方法二的時候可能需要更深知識儲備,這也就是課本上為什麼只給出方法一的原因。

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