价层电子对互斥理论教学盲区与实践优化

刘宗怀，何学侠，陈沛，石峰

陕西师范大学材料科学与工程学院，西安 710119

1 引言

结构与性质是人类认识和研究开发新物质的永恒主题，物质结构决定其性质，性质是结构特征的具体反映。无机化学是大学生接触的第一门化学专业基础课程，原子结构教学内容帮助学生打开了认识微观世界的大门，而分子结构则开启了学生探索微观世界和宏观世界的通道，是培养学生化学素养的重要教学内容之一。因此，对分子结构知识的正确理解和掌握是学生认识和理解化合物的基础，而共价键理论是分子结构形成和化学知识体系构建的枢纽，对学生物质结构和性质的学习和掌握有着重要的影响[1]。

共价键理论是三种化学键理论之一，价层电子形成共用电子对是表现形式，而基于原子轨道或者电子云重叠程度不同而导致的化合物结构与性质显著差别是本质[2]。在共价键理论的形成过程中，先后发展形成了经典价键理论及现代价键理论(四种典型理论)模型用于解释分子或离子的构型及共价键形成本质。国内外无机化学现有教材体系，主要以共价键理论提出和问题解决时间为线索进行教学顺序编排。1916年，美国化学家Lewis依据同种元素原子之间及电负性相近的不同元素原子之间可以通过共用电子对形成分子，将通过共用电子对形成的化学键称为共价键，提出了经典共价键理论，初步解释了一些简单非金属原子间形成共价分子或离子过程，明确表示了共价键和离子键的区别[3]。20世纪30年代初，量子力学的逐步建立为共价键理论发展奠定了基础，开辟了描述共价键本质的现代价键理论新时代。1927年，德国化学家Heitle和London应用量子力学，通过计算两个自旋相反和自旋平行的氢原子所构成的基态分子和排斥态分子的电子云分布，成功指出H2分子形成过程本质是电子云在两原子核间重叠而导致体系能量降低。共价键的结合力是两个原子核对共用电子对形成的负电区域吸引力，而不是阴、阳离子之间的库仑作用力，简明阐述了简单分子共价键形成的过程和本质[4]。1930年，美国化学家Pauling采用量子力学对H2分子成键过程的共价键本质进行进一步分析，说明了共价键的方向性和饱和性，但对于一些多原子分子共价键的形成过程及分子空间构型不能得到充分而合理的解释。1931年，为了充分说明多原子分子共价键形成过程及分子空间构型，Pauling提出了杂化轨道理论，较为直观地阐明了多原子分子共价键形成过程和分子或离子空间构型，为阐明一些多原子分子或离子空间构型提供了新途径[5]。依据杂化轨道理论，科学家较为合理地解释了一些多原子分子或离子中共价键的方向性和空间构型。尽管杂化轨道理论对于分子或离子形成过程给予了清晰说明，但在处理多原子分子共价键形成过程和分子或离子空间构型时常常感到困惑，即不能清晰确定分子或离子中中心原子杂化类型，使得该理论应用受到限制。1940年，为了解决杂化轨道理论难以确定一个分子具有哪种构型以及中心原子发生哪种杂化的困难，Sidgwick提出概念简单、又能比较准确判断分子构型及杂化方式的理论模型，随后经过科学家Gillespie等加以发展修正，逐步形成了定性判断分子结构的价层电子对互斥理论(VSEPR)，开启了科学工作者定性研究分子结构新阶段[6]。

VSEPR理论的最大优势是比较简单，容易理解和学习掌握，特别是对于绝大多数ABn型简单共价分子或离子几何构型可以做出较为准确的推测和判断。相比杂化轨道理论只能解释已知几何构型简单共价分子或离子几何构型，VSEPR是判断未知简单共价分子或离子几何构型的有效手段，因而在大部分教材体系中均有讲授，受到了教师和学生的普遍认可。但是，笔者在VSEPR理论教学过程中发现，目前无机化学教材及教学体系在编排VSEPR教学内容时，存在教学内容安排随意、理论本质描述不深入、各种假设和未说明因素较多、教学顺序不符合认知规律等问题，使得学生对于该理论的学习和应用产生诸多困惑，学习效果大打折扣。为此，在教学实践过程中，针对VSEPR理论教学过程中存在的一些认知困惑，我们对教学内容和教学过程进行了优化实践，取得了较为满意的教学效果。

2 VSEPR理论教学过程中的几个盲区

2.1 电子对相互排斥机理阐述不明确

现有大部分无机化学教材对于VSEPR理论的描述是：分子或离子的几何构型由中心原子或离子周围的价层电子对决定，且电子对总是采取排斥作用最小的几何构型，以达到体系的能量保持最低。价层电子对包括成键电子对和孤电子对，当知道成键电子对和孤电子对数目时，即可判断分子或离子的几何构型[2,3,7]。教材如此描述的优点是学生感觉该理论简单、容易理解，是非常实用的判断分子或离子空间构型的有效手段。但是，大多数无机化学教材中电子对相互排斥力机理未能清楚阐明，学生的误区是电子带负电荷，因而电子对之间的排斥力就是静电排斥作用力。

Gillespie在提出VSEPR理论时就明确指出，VSEPR的理论基础是Pauli不相容原理，即在空间排布中自旋相同的电子尽可能地彼此远离，VSEPR相互排斥力主要来自与自旋相关Pauli效应产生的Pauli斥力和静电相关的静电斥力两部分作用力[8]。依据Pauli不相容原理，当自旋相反的电子相互靠近时趋向形成能量降低的Pauli稳定效应，而当自旋同向的电子间轨道回避的量子效应产生Pauli斥力。通常，Pauli斥力大小与自旋同向电子间距离的8-10次方成反比，而静电斥力与同性电荷之间距离的2次方成反比[9]。即与静电斥力相比，Pauli斥力是化学键范围的近程相互作用力，因而通常可以不考虑由该斥力导致的结构因素，即形成了目前大多数认为静电斥力是决定简单共价分子或离子空间构型的主要力量。但是，在简单共价分子中心原子周围很小的范围内，正是Pauli斥力起决定作用的有效距离，使得Pauli斥力比静电斥力显得更加重要。即使自旋相反的一对价电子在配体作用下共居于同一定域轨道内，Pauli斥力仍然迫使定域轨道间有尽可能远的间隔，是VSEPR相互排斥的主要原因。随着距离的不断增大，Pauli斥力急剧下降，即只有在VSEPR近程作用时，Pauli斥力是主要作用力，而当价层电子对相对远时，则静电斥力成为主要考虑的影响因素。因此，在进行VSEPR理论教学过程中，应该给学生讲清楚VSEPR理论电子对排斥力的本质，不能使学生简单理解电子对之间的排斥力就是静电排斥作用力，要让学生明确Pauli不相容原理是近程作用时广泛适用的基本性质，价层电子对在化学键范围作用时主要考虑Pauli斥力，而当相互作用距离大于化学键范围时，静电斥力则成为主要考虑因素。

2.2 氧原子作为端位原子不提供价电子等假设难理解

VSEPR理论指出，对于ABn构型的简单分子或离子，中心原子A的价电子(即最外层)电子对彼此排斥而尽可能地远离，最终形成高度对称的空间排布结构。分子中除了电子对间的排斥力之外，所有电子对还受到A、B原子核的吸引力，当吸引力和排斥力达到平衡时，价层电子对的位置得到确定，且价层电子对在中心原子周围排布情况与价层电子对数目有关。因此，确定中心原子(或离子)周围价层电子对数目，对于利用VSEPR判断分子或离子空间构型非常重要。

目前，大多数无机化学教材对于确定中心原子(或离子)价层电子对方法统一性不足，导致计算方法多样性及各种假设条件存在，而比较直观且普遍的确定方法是直接规定给出价层电子对数(Z)的计算公式[10]，即Z= (a+nb±y)/2，其中a为中心原子A的价电子数，n为H、卤素、O、S等端位原子数，b为端位原子提供的电子数，y为离子所带电荷数，阳离子为“-”而阴离子为“+”。该式的物理意义是中心原子周围的总价层电子数等于中心原子的基态价层电子数和端位原子提供的价层电子数之和。在该价层电子对数计算规则中，计算端位原子提供电子数时规定，H和卤素为1，而O和S为端位原子时不提供价电子，而作为中心原子时提供6个价电子[11]。这种直接规定计算价层电子对数方法非常简单，当确定了中心原子和端位原子后，应用规定原则就能方便地计算出价层电子总数，从而容易确定分子(或离子)的空间构型。但是，这样的规定常常给学生造成困惑，即为什么卤族原子为端位原子只提供1个价电子，而O及其氧族原子为端位原子时又不提供价电子，且N和C作为端位原子时提供的价电子数也没有明确说明，导致学生学习过程中认为该理论严谨度不够、随机性大和难以理解。

2.3 VSEPR理论与杂化轨道理论本质区别阐述不清晰

在现代价键理论教学过程中，基于VSEPR理论在预测简单共价分子或离子空间构型上的可有效操作性及杂化轨道理论对于分子或离子空间构型确定的相对圆满性，授课老师通常是先用VSEPR理论预测分子或离子的空间构型，本着VSEPR理论预测的空间构型就是相应分子或离子中中心原子杂化轨道形状的误解，再应用杂化轨道理论解释所预测分子或离子的空间构型，对于大部分主族元素构成的分子或离子确定构型得到了较为圆满的结果。即先用VSEPR理论预测空间构型，再用杂化轨道理论进行分析解释，能够比较圆满地预测和解释分子或离子的空间构型。

但是，这样的教学处理过程容易导致学生将VSEPR理论与杂化轨道理论相混淆，不能分辨两种理论的本质区别。杂化轨道理论的优势是能够直观地解释共价键的方向性和分子的空间构型，缺陷是不能确定分子的杂化类型。而VSEPR理论可以简单明了地解释、判断和预测分子的空间构型，可用于判断分子的杂化类型，缺陷是不能解释共价键的形成过程，也不能区分单键、双键和叁键。因此，对于已知空间构型的分子或离子，应用杂化轨道理论可以清楚解释其成键过程，而对于分子或离子空间构型预测显得不足。相反，VSEPR理论主要依据价层电子对相互排斥这一主要因素，再结合分子或离子几何知识对其空间构型进行预测。同时，VSEPR理论不考虑中心原子杂化轨道形状，仅仅依据价层电子对数目及几何知识实现对分子或离子空间构型预测。因此，两种理论既有紧密联系而又有本质上的区别。

3 价层电子对互斥理论教学实践优化

3.1 明确端位原子提供价电子数的规定原因

根据中心原子族数及端位原子提供的电子数确定价层电子对数，再依据中心原子周围的价层电子对之间排斥力最小，是目前许多无机化学教材推测简单分子(或离子)空间构型的主要处理方法[3,4,12]。在VSEPR理论教学过程中，我们也依据该定义规则，即中心原子提供的价电子数为其价层电子数，卤族原子和氢原子作为端位原子时提供1个价电子，O原子为端位原子时不提供价电子，通过简单计算确定价层电子对总数，从而判断分子或离子的空间构型。但是，在应用该方法进行简单分子(或离子)空间构型判断过程中，学生的最大困惑是为什么直接规定卤族原子作为端位原子提供1个价电子，而O原子为端位原子不提供价电子？且未能进行这些规定的原因说明。因此，教学过程中进一步说明O原子为端位原子时不提供价电子的规定原因，是学生学习和进一步理解VSEPR理论必不可少的环节。为此，教学过程中，我们在根据中心原子周围价层电子对数判断分子(或离子)空间构型的基础上，依据学生掌握的Lewis八隅律共用电子对理论，即氢原子周围需要2个电子而非氢原子周围需要8个电子才能达到稳定结构的知识，并参考其他学者对于O原子为端位原子不提供价电子的讨论和应用实例[13-15]，通过计算不同主族元素为端位原子时的价层电子对数，向学生说明O原子作为端位原子不提供价电子的规定原因。

首先我们从定性角度对于O原子作为端位原子不提供价电子规定进行了分析说明。在经典价键理论中，氧族元素原子作配体时有2种情况，第一种情况是氧族元素原子单纯接受中心原子1对价电子形成配位键，那么氧族元素原子自然不提供价电子；第二种情况是O原子与中心原子之间形成双键(1个σ键和1个π键)，即氧族元素原子提供了2个价电子用于成键。但是在应用VSEPR理论判断分子或(离子)空间构型时，主要考虑σ键数而不考虑π键数，这样原子O实际只贡献1个电子，但是π键形成却又额外消耗了中心原子1个价电子，因而总体上相当于氧族元素作为端位原子没有提供价电子。

同时，我们也借助Lewis八隅律稳定结构规律，通过简单计算进一步说明该规定的原因。对于ABn型简单分子，中心原子A的价电子数为a，n个端位原子B的价电子数各为b，中心原子A的价电子对数包括成对电子数和未成对电子数。依据Lewis八隅律稳定结构特征，端位原子为8电子稳定结构的非H原子，其端位原子个数可确定中心原子的成对电子数为n，而未成对电子对数可由中心原子和端位原子提供的总价电子数之和减去端位原子8电子稳定结构电子数进行计算，其值为I= (a+nb- 8n)/2。因此，中心原子A的价层电子对数为：m= 成对电子数(n) + 未成对电子数(I) =n+ (a+nb- 8n)/2 =(a+ (b- 6)·n)/2，即ABn型简单分子(或离子)的价电子由中心原子价电子数a及n个端位原子提供的价电子数b- 6组成。对于端位原子为氧族元素如O和S时，其提供的价电子数为6 - 6 = 0；当卤族原子为端位原子时，其提供的价电子数为7 - 6 = 1；而拓展到氮族原子为端位原子时，则其提供的价电子数为5 - 6 = -1。因此，依据定义规则计算价层电子对数时，赋予了如O原子为端位原子时不提供价电子，使得学生理解O为端位原子不提供价电子的规定原因，释疑了学生对于该问题的疑问和困惑。

3.2 O原子位置及成键类型对分子(或离子)结构影响

VSEPR理论在预测判断简单ABn型分子(或离子)构型时，在O原子为端位原子时不提供价电子规定基础上，通过计算中心原子A周围的价层电子对数目，取得了对许多分子(或离子)空间构型较为满意的预测判断，为学习者理解分子(或离子)结构与性质提供了有益的信息。对于简单ABn分子(或离子)，中心原子A与端位原子仅通过σ键形成的分子(或离子)，VSEPR理论预测其空间构型具有绝对的准确性。但是，中心原子A与端位O原子结合形成分子(或离子)时，分子(或离子)的空间构型判断需要根据O原子所处位置及其成键类型综合分析。

通常，两种情况需要给予高度关注，一是O原子为端位原子时，尽管根据O原子不提供价电子可以判断得到分子(或离子)的空间构型，但需要充分说明在这种情况下，O原子一般是通过双键或大π键与中心原子相连，而由于双键中的π键或大π键对分子骨架结构影响较小，分子结构主要由σ键构成的骨架决定，从而才能得出中心原子周围价层电子对数与其分子构型一致的结论，否则可能得到不合适的结果。如对于CO2、SO3、分子的空间构型预测时，如果不考虑中心原子与端位O原子之间的双键或大π键，仅仅根据O原子为端位原子不提供价电子，将导致计算得到的中心C原子周围的价层电子对数目为2，SO3和中心原子周围的价电子对数均为3。即虽然通过O原子为端位原子不提供价电子规定可以简单计算中心原子周围的价层电子对数，依据该价层电子对数可以判断得到分子(或离子)相对应的空间构型，但是中心原子周围的实际电子对数及其物理意义不完整。因此，将VSEPR理论用于诸如CO2与SO3等O原子为端位原子的分子空间构型判断时，要给学生讲清分子空间构型与其实际结构的本质差别。二是当中心原子A与非端位原子O如—OH键合时，O原子不提供价电子的规定就不能适用。尽管应用O原子为端位原子不提供价电子的规定，可以计算得到如离子中心S原子周围价电子对数为4，判断该离子空间构型为正四面体。但是，在离子结构中，有两个O原子为端位原子与中心S原子形成共价配键，而另外两个O原子作为非端位原子与S原子形成普通单键，因而这两个O原子实际向中心原子S各提供了1个价电子[16]。因此，当O原子作为非端位原子与中心原子成键时，尽管用VSEPR理论预测得到了分子(或离子)的空间构型，但是对于形成分子(或离子)结构的影响需要学生充分认识。

3.3 阐明多重键对于分子(或离子)空间构型的影响

对ABn简单分子(或离子)，在应用VSEPR理论定性判断分子(或离子)的空间构型时，其空间构型主要取决于中心原子与端位原子之间形成的σ键，而定域π键及离域大π键对分子骨架结构虽有影响，但是不影响整体构型。通常，由于定域π键及离域大π键的存在位置对相邻价层电子对具有较大的斥力，进而对存在多重键分子(或离子)的键能及键角等键参数将产生较大的影响[17]。因此，对于含有多重键分子(或离子)的空间构型定性判断中，通常将其电子对数目看作是等于分子(或离子)所含的σ键个数。

ABn简单分子(或离子)中心原子A与端位原子B之间既可以σ单键连接，也可以除σ键外的π键及离域大π键等多重键成键。一般中心原子A和端位原子B之间形成的σ键决定分子的骨架，而未参于形成σ键的p轨道从侧面重迭形成π键，因此分子(或离子)中存在π键及离域大π键等多重键不影响其空间构型。鉴于学生已经具有Lewis电子结构式和共价键(σ键和π键)知识，在应用VSEPR理论定性判断含有多重键分子(或离子)空间构型时，需要给学生明确说明多重键对于分子(或离子)结构的影响。为此，在教学中需要明确指出，对于该类分子(或离子)空间构型判断时，主要考察中心原子A与端位原子B之间以共用电子对形成σ键及其数目，由这些σ键构建分子(或离子)的空间构型骨架，而π键及离域大π键等多重键对于形成分子(或离子)的空间构型影响不显著，主要影响形成分子(或离子)的结构参数如键能及键角等键参数。如利用VSEPR理论判断CO2分子空间构型时，依据中心C原子与端位O原子形成2个σ键，分子空间构型定性判断为直线型分子。在此基础上，通过进一步分析在CO2分子中，还存在两个三中心四电子的离域大π键，尽管这两个离域大π键对分子空间构型没有本质影响，但是对于中心原子C与配位原子O之间的键能及键长会产生较大影响。

3.4 VSEPR理论教学内容置于杂化轨道理论之前

无机化学教材中的四种共价键理论都是从成键原子角度研究共价键形成，主要关注共价键形成过程及分子的空间构型。因此，围绕共价键形成过程及形成分子空间构型，教材中对于相关教学内容出现了不同顺序的编排，且主要区别在于杂化轨道理论和价层电子对互斥理论的教学顺序安排，目前较多教材将价层电子对互斥理论置于杂化轨道理论之前进行教学。杂化轨道理论和VSEPR理论的基本出发点，都是基于分子中中心原子价电子对采取何种构型使分子能量最低。因此，教学实践者往往根据自己的教学体会，采取与教学逻辑相适应的顺序完成教学。

经过长期教学实践和学生对教学效果评判分析，在共价键理论体系教学过程中，我们依据Lewis理论→价键理论→VSEPR理论→杂化轨道理论→分子轨道理论顺序完成相应教学内容，即将VSEPR理论编排在杂化轨道理论之前进行教学。这样的教学安排依据是，学生通过原子结构一章的学习，已经拥有原子核外电子及价电子排布的相关知识，因而在共价键理论教学中开始讲授Lewis理论，教学内容与学生拥有的原子核外电子排布知识紧密结合，学生对于教学内容容易理解掌握。在原子核外价电子排布及Lewis理论知识学习基础上，递进法学习价键理论，达到学生理解和掌握共价键形成过程及本质。随后依据物质结构决定其性质，对于形成的分子(或离子)空间构型进行定性判断。VSEPR理论及杂化轨道理论是判断分子(或离子)空间构型的有效手段，我们认为将VSEPR理论置于杂化轨道理论之前进行教学的安排有三点优势，一是符合由浅入深的教学规律，VSEPR理论实际上是Lewis电子配对理论的进一步延伸，放在杂化轨道理论之前具有承上启下和循序渐进的教学效果；二是VSEPR理论对分子(或离子)空间构型判断简单，学生在理解规则基础上容易判断空间构型，达到事半功倍的效果；三是借助于VSPER理论确定的分子(或离子)空间构型，将为杂化轨道理论判断分子(或离子)中心原子杂化类型提供重要的参考，使得学生在应用VSEPR理论定性判断分子(或离子)空间构型基础上，通过杂化轨道理论的讨论学习，对于分子(或离子)的结构特征有进一步的认识。

4 结语

本文针对VSEPR理论教学中学生对电子对相互排斥本质不易理解，氧原子作为端位原子不提供价电子假设难理解和VSEPR理论与杂化轨道理论本质区别不清晰等教学盲区，提出了VSEPR理论教学实践优化的具体手段，即通过明确端位原子提供价电子数的规定原因，阐明O原子位置及成键类型对分子(或离子)结构影响，明确多重键对于分子(或离子)空间构型的影响和将VSEPR理论教学内容置于杂化轨道理论之前等教学实践，加强了学生对VSEPR理论的理解，增强了分子空间构型准确判断能力的提升。