在共价多原子分子中,我们需要确定原子的三维几何排布。根据电子对互斥理论,为了使电子对之间的静电斥力最小,电子对在共价分子中的排布应该使它们之间的距离最大化。表6-1提供了根据电子对互斥理论得出的理想几何结构,其中字母M代表分子的中心原子。
确定中心原子M的价电子层中的电子总数是第一步。将中心原子的价电子数与其他结合原子提供的共用电子数相加,得到电子总数。在正常的共价键中,氢和卤素原子各提供1个共用电子。氧族元素可以认为不提供电子。当氧和其他氧族元素作为分子中的中心原子时,它们提供所有6个价电子,而卤素提供所有7个电子。如果讨论的物种是一个离子,则需要加上或减去离子电荷所需的电子数。例如,对于PO2离子,需要添加3个电子,对于NH离子,需要减去1个电子。最后,将中心原子周围价电子层中的电子总数除以2,得到电子对的数目。
根据中心原子周围的电子对数目,在表6-1中选择合适的几何结构。
绘制结构图时,将相应的原子按照正确的几何形状排列在中心原子周围,并使用一对电子将各原子与中心原子连接起来。多余的电子对也应该放置在适当的位置上,这些电子对被称为孤电子对或自由电子对。如果存在多种可能的结构,通常可以使用以下规则确定最稳定的结构。
a. 只考虑以下几种排斥力,这些排斥力以最小角度(通常为90°)分隔开:孤电子对之间的斥力,孤电子对与成键电子对之间的斥力,以及成键电子对之间的斥力。孤电子对是未参与价键形成的自由电子对,成键电子对是中心原子和其他原子之间的共用电子对。角度指的是孤电子对-中心原子-孤电子对的角度、孤电子对-中心原子-成键电子对的角度以及成键电子对-中心原子-成键电子对的角度。
例如,三氟化氯CF3只有一种可能的三角双锥结构:
A代表90°的孤电子对-孤电子对排斥作用;
B代表90°的孤电子对-成键电子对排斥作用;
C代表90°的成键电子对-成键电子对排斥作用;
D代表120°的成键电子对-成键电子对排斥作用;
E代表120°的孤电子对-成键电子对排斥作用。
b. 列出各结构中电子对之间角度最小(通常为90°)的排斥作用的数目:
(1) 孤电子对-孤电子对排斥作用具有最大的排斥力,导致最低的稳定度。
(2) 孤电子对-成键电子对排屏作用的排斥力处于中间状态。
(3) 成键电子对-成键电子对排斥作用具有最小的排斥力。
c. 如果一种结构的最小角度的孤电子对-孤电子对排斥作用最少,那么它就是最稳定的结构,可以选择该结构作为分子的几何结构。如果仍然存在多种结构,选择孤电子对-成键电子对排斥作用最少的结构。如果仍然存在多种结构,选择成键电子对-成键电子对排斥作用最少的结构。在某些情况下,经过上述步骤后仍然存在多种结构。在这种情况下,上述规则可能无法确定剩余结构之间的稳定度差异。然而,在大多数情况下,使用上述规则可以确定最稳定的结构。