价壳电子对排斥 (VSEPR) 理论

价壳电子排斥（VSEPR）模型可以预测大多数分子和具有非金属中心原子的多原子离子的结构；它还可以预测某些以金属为中心的分子和多原子离子的结构。 VSEPR 基于 Lewis 电子点结构，当结合使用时，它可以预测分子中每个原子的几何形状。单独的 Lewis 结构只能预测连通性，但 VSEPR 和 Lewis 结构一起可以预测分子中每个原子的几何形状。

VSEPR theory is based on the premise that pairs of electrons (in bonds and lone pairs) repel each other. “Groups” refer to electron pairs (both in bonds and lone pairs). Because electrons oppose each other electrostatically, the most stable electron group configuration (i.e., the one with the lowest energy) reduces repulsion. 

能量最低的分子结构是通过在中心原子周围排列基团而产生的。换句话说，原子周围的基团之间的排斥促进了一种几何结构，其中基团尽可能地远离。 VSEPR 是一个简单的模型，它成功地预测了大量化合物的三维结构，尽管它没有考虑决定分子形状的轨道相互作用的复杂性。

价壳电子对排斥 (VSEPR) 理论

Ronald Nyholm 和 Ronald Gillespie 是 VSEPR 理论的主要创造者。为了纪念这些化学家，这个假设有时被称为 Gillespie-Nyholm 理论。 VSEPR 理论指出，两个电子之间的排斥是由泡利不相容原理引起的，这在确定分子形状方面比静电排斥更重要。

The Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory, abbreviated as VSEPR theory, is founded on the idea that all atoms have a repulsion between pairs of valence electrons, and that atoms will always seek to arrange themselves in a way that minimises this electron pair repulsion. The geometry of the final molecule is determined by the arrangement of the atoms. 

下表显示了根据 VSEPR 理论分子可以采用的各种几何形状。

Number of Electron Dense Area	Electron Pair Geometry	No Lone Pair	1 Lone Pair	2 Lone Pair	3 Lone Pair	4 Lone Pair
2	Linear	Linear	–	–	–	–
3	Trigonal Planar	Trigonal Planar	Bent	–	–	–
4	Tetrahedral	Tetrahedral	Trigonal Pyramidal	Bent	–	–
5	Trigonal Bipyramidal	Trigonal Bipyramidal	Sawhorse	T-shaped	Linear	–
6	Octahedral	Octahedral	Square Pyramidal	Square Planar	T-Shaped	Linear

VSEPR 理论的假设

1. 在多原子分子（由三个或更多原子组成的分子）中，组成原子之一被指定为中心原子，分子中的所有其他原子都连接到该原子上。
2. 价壳电子对的总量决定了分子的结构。
3. 电子对倾向于以这样一种方式组织自己，即它们的电子-电子排斥最小化，而它们的距离增加。
4. 价壳可以看作是一个球体，电子对聚集在其表面以减少它们之间的距离。
5. 如果分子的核心原子被电子键对包围，则可以预期是不对称结构的分子。
6. 如果中心原子被孤对电子和键电子对包围，分子就会变形。
7. VSEPR 理论可以应用于任何分子的共振结构。
8. 斥力在两个孤对之间最大，在两个键对之间最小。
9. 如果核心原子周围的电子对靠得太近，它们就会互相排斥。结果，分子的能量增加。
10. 如果电子对分开较大的距离，它们之间的排斥力就会降低，分子的能量也会降低。

VSEPR 理论的局限性

1. 该理论未能解释等电子种类（即具有相同电子数的元素）。尽管具有相同数量的电子，但物种的形状可能不同。
2. VSEPR 假设没有对过渡金属配合物产生任何影响。这个理论不能准确地描述几个这样的分子的结构。这是因为 VSEPR 假设没有考虑取代基和非活性孤对的相关大小。
3. VSEPR 理论的另一个缺点是它预测第 2 族元素的卤化物将具有线性结构，而实际上它们具有弯曲结构。

预测分子的形状

1. 作为中心原子，必须选择电负性最小的原子（因为该原子与属于该分子的其他原子共享其电子的能力最强）。
2. 必须计算核心原子最外层的电子总数。
3. 有必要计算属于其他原子的电子总数，并利用它们与中心原子结合。
4. 这两个数字必须相加才能产生价壳电子对数，缩写为 VSEP 数。

形状

线性形状

在这种分子的中心原子的价壳上有两个位点。它们的组织方式应该减少排斥（指向相反的方向）。 BeF ₂就是一个例子。

线性形状

三角平面形状

在这种分子中，三个分子与一个中心原子相连。它们的放置方式使得它们之间的电子排斥减少（朝向等边三角形的角）。 BF ₃就是一个例子。

三角平面形状

四面体形状

二维分子中的原子位于同一平面上，如果我们将这些标准应用于甲烷，我们会得到一个方形平面几何形状，HCH 之间的键角为 90 度。当满足三维分子的所有这些先决条件时，我们会在 CH ₄中得到一个四面体分子。

四面体形状

三角双锥形状

让我们以 PF ₅为例。可以通过将电子均匀地分布在三角金字塔的角上来减少排斥。沿分子赤道的三个地方位于三角双锥体中。这两个地方在垂直于赤道平面的轴上相互平行。

三角双锥形状

预测分子的形状

孤对电子对和电子键对之间的排斥程度介于两个孤对电子对和两个键对之间的排斥程度之间。电子对的排斥顺序为

孤对 - 孤对 > 孤对 - 键对 > 键对 - 键对。

1. 围绕中心原子的电子对总数= 1/2 *（中心原子价电子数+通过单键连接到中心原子的原子数）。
2. 对于负离子，将等于离子的负电荷单位的电子数添加到中心原子的价电子上。从中心原子的价电子中减去正离子的电子数等于离子上正电荷的单位。
3. 键对数=通过单键连接到中心原子的原子总数。
4. 孤对数=电子总数-共享对数。
5. 围绕核心原子的电子对相互排斥并迁移得如此之远，以至于它们之间没有更强的排斥力。结果，分子具有最少的能量和最大的稳定性。
6. 只有两个原子的分子总是具有线性形式。
7. 当一个分子中存在三个或三个以上原子时，其中一个称为中心原子，其他原子与中心原子相连。
8. 如果中心原子与可比较的原子相连并且仅被电子键对包围，则它们之间的排斥力相似，分子的形式是对称的，并且该分子被称为具有规则的几何形状。
9. 如果核心原子与其他原子相连或被键对和孤对电子包围，它们之间的排斥力是相同的。结果，分子的形式具有不均匀或扭曲的几何形状。
10. 分子的确切形状由围绕核心原子的电子对总数决定。

示例问题

问题一：VSEPR 理论的前提是什么？

回答：

Because of the repulsion that exists between electron pairs in the valence shell, the atoms organise themselves in such a way that this repulsion is minimised. This has an immediate impact on the shape of the molecule generated by the atom.

问题 2：如果 VSEP 数为 5，分子的形状是什么？

回答：

The molecule’s structure would be trigonal bipyramidal.

问题3：VSEPR理论有什么优势？

回答：

This theory can be used to properly anticipate the shapes of molecules in a wide range of compounds. Understanding the processes of a molecule becomes easier once the geometry of the molecule is understood.

问题 4：什么是 VSEPR 编号？

回答：

The VSEP number describes the molecule’s shape.

问题 5：说出 VSEPR 理论的一个局限性？

回答：

The VSEPR hypothesis does not throw any light on transition metal complexes. This theory cannot accurately describe the structure of several such molecules. This is because the VSEPR hypothesis does not account for the related sizes of the substituent groups and the inactive lone pairs.