多原子分子的结构
化学试剂,九料化工商城 / 2020-11-18
多原子分子是由三个或三个以上的原子构成的共价分子、包括H2O，CH4和DNA等。它们都可用电子对来说明。主要的问题是讨论它们的几何形状，例如为什么H20是弯的，CO2是直的，而CH4是四面体的。
分子的形状是电子对间静电相斥的结果。甲烷分子的四个电子对彼此相斥，使移动至电子对间相距最远的位置，也就是正四面体的四个角上。故此CH4分子被设想为正四面体的形状，实验上也证明是如此。其它数目电子对的最适合排列归纳在图2-9中，后面将用到这些图示。
从详细的电子密度图到简单的用短线标记，我们见到对氢分子的键有各种表示法。对于甲烷也可用同样类型的画法表示。最详细的表示法示于图2-10(b)，图中示出分布于整个分子的电子密度。这类图象是从x-线衍射得出的。最密集的区域在各个原子上，而在碳原子和四个质子之间的每一个喑黑区域表示相应的电子对。电子分布的一般形态可以用四个球形区域来表示，如图2-10(c)・最简单的是用短线图示法，如图2-10(d)，其中每根线的位置表示电子对最可能出现的地方（九料化工https://www.999gou.cn/）.
氨分子的形状可以用同样的道理推测出来。在氮原子的化合价层中有五个电子，可以与个氢原子共享三个电子而完成八隅结构，在图2-11(a)中用“点一又”的图象表示，正如甲烷一样有四个电子对，故在静电相斥作用下电子对移动到四面体的各个角上。这些电子对中的三个有质子相连结，而第四个为孤电子对，暂时我们推想氨必须为一个正四面体，不过有一个顶角为一个孤电子对所占有:这种形状称为角锥体。
对氨的实验证明所作的推测近似而不完全准确。这个分子是角锥体形，但H一NーH角为107.3º而不是正四面体的角度109.5º，见图2-11(d)(这个例子表明，有时化学问题的物理基础，可能已很好的确立起来，但当将该原理应用于实际问题时还可能会产生差错).
我们需要增加的讯息是孤电子对比成键电子对有更大的相斥作用。这一点可从图2-12氨的电子密度图象中看到。图中表明孤电子对比成键电子对散布开更大的体积(因为成键电子质子牵拉向下)。由于孤电子对散布更大的体积因此对排开其它电子对更有影响，现代化合价层电子对相斥论(或缩写为 VSEPR)关于分子结构的解释发展了这样的论点，认为分子的形状是依据电子对按下列次序的相斥效应而构成的:
孤对/孤对的作用最强
孤对/键对的作用其次
键对/键对的作用再其次
NH3分子的形状现在可以这样解释。作为初步的NH3分子近似是一个正四面体，这个设想的依据是四个电子对之间都有同等的相斥作用。事实上孤电子对与成键电子对间的作用为最强，因而迫使三个成键电子对移开，如图2-13.所以这三个N一且键移得靠近些，像一把傘收紧那样，使得它们之间的角度减小，正如所观察到的小于109.5º.另一方画则是氨的孤电子对容易与一个质子连结而形成铵离子NH4+，这样所有四个N一H键就都一样，故可以推测铵离子的形状为四面体。这种推测已为实验所确证。
要研究的下一个物质是水分子H2O用“点-叉”表示的图象如图2-14(a).在化合价层中有四个电子对，故作为初步近似可设想这个分子为四面体形状，其中两个角顶为质子所占有，另两个为孤电子对所占有。
现在考虑不同强度的相斥作用的影响。两个孤电子对彼此相斥，因此趋向于相互移开,如图2-15有一种以氧为转动钮的剪刀型的移动;当两个孤对相互推开时两个键便移得靠紧一些。由于孤对孤对间的相斥作用如此强大，它们超过了键对的相斥作用，并迫使O一H键对靠紧一些，换句话说，推想的键角要比四面体的角度109.5º小一些，这与观测到的键角104.5º相一致。
对孤对的相互作用也可以很清楚地说明F2中F一F键的脆弱性的原因每一个氟原子有三个孤电子对，剩下的一个电子对构成一
个化学键。，因为两个氟原子间孤电子对的强烈相互作用，我们可以设想这个FーF键与没有孤对的键对比要弱得多，例如H2中的键，从解离能(断开该键所需的能量)的数据，F2为158kJ・mol-1，而H2为432kJ・mol-1，足以证实这个结论。
例:推测下列分子的形状;(a)CCl4；（b)H2s: (C) SF6, (d)Ph3.
方法:只要考虑价电子，依据孤电子对与成键电子对间的相斥作用便可作出解答，先定出在中心原子上有多少个成键电子对;然后再定出在中心原子上集中有多少孤电子对，参照图2-9，先定出这些分子最为对称的形状，然后再考虑 VSEPR相斥作用的影响。
解答:(a)碳有四个价电子，每一个价电子包含在一个价键中。因此在CCl4中有4个成键电子对，没有孤电子对(氯除外，因氯不是中心原子，故无关)，从图2-9可见最可能的结构是一个正四面体，四面体的每个顶点上为一个C1原子，而碳原子在四面体的中心。
(b)硫有6个价电子，在H2S中有两个成键对，故有两个孤对(从剩下的4个电子计得)因此基本形状为四面体，四面体的两个顶点为原子所占，其余两个顶点则由孤电子对占领.孤电子对的相斥作用占优势，故这个分子的形状被扭变，相似于H2O的形状.
(c)硫有6个价电子.在SF6中有6个键，故所有6个电子都包含在共价键中，有6个成键电子对图2-9表明这个分子的形状是一个正八面体，在每个顶点上有一个原子.
(d)碘有5个价电子，在PH3中三个电子包含在键中，因而有三个成电子对，留下的两个电子构成一个孤对。三个键对和一个孤对构成四面体形状，四面体的三个角顶有三个原子，第四个角顶为孤对所占，孤对的相斥作用最强，实际形状将相似于N，即角锥体形.
评注:含硫和的化合物的刺激性(例如H2S的臭鸡蛋味)是由于孤电子对的存在之故，紧密生长的胡桃间的机械相斥作用，结果形成的胡桃串其形状很象按 VSEPR推测电子对所得的图象.
.jpg "共价键的三种画法和在能量关系上电子对排布的最适合方式")
.jpg "图2-10 CH4结构的四种图示法")
.jpg "结构的三种画法")
.jpg "电子对相斥效应")
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