价层电子对互斥理论
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价层电子对互斥理论（英文：Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR)），是一个用来预测单个共价分子形态的化学模型。理论通过计算中心原子的价层电子数和配位数来预测分子的几何构型，并构建一个合理的路易斯结构式来表示分子中所有键和孤对电子的位置。
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[编辑] 理论基础
价层电子对互斥理论的基础是，分子或离子的几何构型主要决定于与中心原子相关的电子对之间的排斥作用。该电子对既可以是成键的，也可以是没有成键的（叫做孤对电子）。只有中心原子的价层电子才能够对分子的形状产生有意义的影响。
分子中电子对间的排斥的三种情况为：
- 孤对电子间的排斥（孤-孤排斥）；
- 孤对电子和成键电子对之间的排斥（孤-成排斥）；
- 成键电子对之间的排斥（成-成排斥）。
一个分子需尽力避免这些排斥来保持稳定。当排斥力不能避免的时候，整个分子则倾向于形成排斥最弱的方式（与理想形状有最小差异的方式）。
孤对电子间的排斥被认为大于孤对电子和成键电子对之间的排斥，后者又大于成键电子对之间的排斥。因此，分子更倾向于最弱的成-成排斥。
配体较多的分子中，电子对间甚至无法保持90°的夹角，因此它们的电子对更倾向于分布在多个平面上。
[编辑] 实际预测
下面是价层电子对互斥理论预测的分子形状表。
| 电子对数 | 杂化类型（混層類型） | 轨道形状 | 单电子对数（孤電子對） | 分子形状 | 例 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | sp | 直线型 | 0 | 直线型 | BeCl2、BeMe2 |
| 3 | sp2 | 平面正三角形 | 0 | 平面正三角形 | 三氯化硼 |
| 1 | V字型（角型、彎曲型） | 二氧化硫 | |||
| 4 | sp3 | 正四面体 | 0 | 正四面体 | 甲烷 |
| 1 | 三角锥 | 氨 | |||
| 2 | V字型（角型、彎曲型） | 水 | |||
| 5 | sp3d | 三角双锥 | 0 | 三角双锥 | 五氯化磷 |
| 1 | 变形四面体（跷跷板型） | TeCl4 | |||
| 2 | T字型 | ClF3 | |||
| 3 | 直线型 | I3- | |||
| 6 | sp3d2 | 正八面体 | 0 | 正八面体 | 六氟化硫 |
| 1 | 四方錐 | IF5 | |||
| 2 | 平面十字型 | ICl4- | |||
| 3 | T字型 | ||||
| 4 | 直線型 | ||||
| 7 | sp3d3 | 五角雙錐 | 0 | 五角雙錐 | IF7 |
| 1 | 五角錐 |
| 电子对数 | 没有孤电子对 （基本形状） |
1个孤电子对 | 2个孤电子对 | 3个孤电子对 |
|---|---|---|---|---|
| 2 |  |
|||
| 3 |  |
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||
| 4 |  |
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| 5 |  |
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| 6 |  |
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| 7 |  |
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| 分子类型 | 分子形状 | 中心原子价电子对的排布方式† | 分子的几何构型‡ | 实例 |
|---|---|---|---|---|
| AX1En | 双原子分子 （直线型） |
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HF、O2 |
| AX2E0 | 直线型 |  |
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BeCl2、HgCl2、CO2 |
| AX2E1 | 角型 |  |
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NO2−、SO2、O3 |
| AX2E2 | 角型 |  |
|
H2O、OF2 |
| AX2E3 | 直线型 |  |
|
XeF2、I3− |
| AX3E0 | 平面三角形型 |  |
 |
BF3、CO32−、NO3−、SO3 |
| AX3E1 | 三角锥型 |  |
 |
NH3、PCl3 |
| AX3E2 | T字型 |  |
 |
ClF3、BrF3 |
| AX4E0 | 四面体型 |  |
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CH4、PO43−、SO42−、ClO4− |
| AX4E1 | 变形四面体型 |  |
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SF4 |
| AX4E2 | 平面四方形型 |  |
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XeF4 |
| AX5E0 | 三角双锥型 |  |
|
PCl5 |
| AX5E1 | 四角锥型 |  |
 |
ClF5、BrF5 |
| AX6E0 | 八面体型 |  |
 |
SF6 |
| AX6E1 | 五角锥型 |  |
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XeOF5−、IOF52− [1] |
| AX7E0 | 五角双锥型 |  |
 |
IF7 |
價層電子對互斥理論常用AXE方法計算分子構型。這種方法也叫ABE，其中A代表中心原子，X或B代表配位原子，E代表孤電子對。
甲烷分子(CH4)是四面體結構，是一個典型的AX4型分子。中心碳原子周圍有四個電子對，四個氫原子位於四面體的頂點，鍵角(H-C-H)為109°28'。
一個分子的形狀不但受配位原子影響，也受孤對電子影響。氨分子(NH3)中心原子雜化類型與甲烷相同（sp3），分子中有四個電子雲密集區，電子雲分佈依然呈四面體。其中三個是成鍵電子對，另外一個是孤對電子。雖然它沒有成鍵，但是它的排斥力影響著整個分子的形狀。因此，這是一個AX3E型分子，整個分子的形狀是三角錐形，因為孤對電子是不可「見」的。
事實上，電子對數為七是有可能的，軌道形狀是五角雙錐。但是它們僅存在於不常見的化合物之中，比如在六氟化氙中，有一對孤電子，它的構型趨向於八面體結構，因為孤對電子傾向於位於五角形的平面上。另一个例子为七氟化碘，碘沒有孤電子，七個氟原子呈五角雙錐狀排列。
電子對數為八也是有可能的，这些化合物一般为四方反棱柱体结构，[2]例子有八氟合氙酸亚硝酰中的 [XeF8]2− 离子[3][4] 以及八氰合钼(Ⅳ)阴离子 [Mo(CN)8]4− 和八氟合锆(Ⅳ)阴离子 [ZrF8]4−。
[编辑] 与其他相关理论的对比
价层电子对互斥理论、价键理论和分子轨道理论都是关于分子如何构成的理论。价键理论主要关注于σ键和π键的形成，通过研究受成键情况影响的轨道形状描述分子的形状。价键理论也会借助VSEPR。分子轨道理论则是关于原子和电子是如何组成分子或多原子离子的一个更精密的理论。
[编辑] 参考资料
- ^ Baran, E (2000). "Mean amplitudes of vibration of the pentagonal pyramidal XeOF5− and IOF52− anions". Journal of Fluorine Chemistry 101: 61. doi:10.1016/S0022-1139(99)00194-3.
- ^ (2001) Inorganic Chemistry, Arnold Frederick Holleman, Academic Press.
- ^ Peterson, Sw; Holloway, Jh; Coyle, Ba; Williams, Jm (Sep 1971). "Antiprismatic Coordination about Xenon: the Structure of Nitrosonium Octafluoroxenate(VI)". Science (New York, N.Y.) 173 (4003): 1238–1239. doi:10.1126/science.173.4003.1238. ISSN 0036-8075. PMID 17775218.
- ^ (1995) Molecular origami: precision scale models from paper. University Science Books.
